Rivieren in de natuur hebben allemaal een bepaalde helling. Water stroomt langs de rivierbodem onder invloed van de zwaartekracht. Water op grote hoogte bevat een overvloed aan potentiële energie. Met behulp van hydraulische constructies en elektromechanische apparatuur kan de energie van het water worden omgezet in elektrische energie, oftewel waterkracht. Het principe van waterkrachtopwekking is elektromagnetische inductie: wanneer een geleider de magnetische veldlijnen in een magnetisch veld doorsnijdt, wekt deze stroom op. De "beweging" van de geleider in het magnetische veld wordt bewerkstelligd door de waterstroom die de turbine raakt en de energie van het water omzet in roterende mechanische energie. Het magnetische veld wordt vrijwel altijd gevormd door de excitatiestroom die door het excitatie-systeem wordt opgewekt en die door de rotorwikkeling van de generator loopt; met andere woorden, magnetisme wordt opgewekt door elektriciteit.
1. Wat is het excitatie-systeem? Om energieomzetting te realiseren, heeft de synchrone generator een gelijkstroommagnetisch veld nodig. De gelijkstroom die dit magnetische veld opwekt, wordt de excitatiestroom van de generator genoemd. Over het algemeen wordt het proces van het vormen van een magnetisch veld in de rotor van de generator volgens het principe van elektromagnetische inductie excitatie genoemd. Het excitatie-systeem verwijst naar de apparatuur die de excitatiestroom levert aan de synchrone generator. Het is een belangrijk onderdeel van de synchrone generator. Het bestaat over het algemeen uit twee hoofdonderdelen: de excitatie-eenheid en de excitatieregelaar. De excitatie-eenheid levert de excitatiestroom aan de rotor van de synchrone generator en de excitatieregelaar regelt de output van de excitatie-eenheid op basis van het ingangssignaal en de gegeven regelcriteria.
2. Functie van het excitatiesysteem Het excitatiesysteem heeft de volgende hoofdfuncties: (1) Onder normale bedrijfsomstandigheden levert het de excitatiestroom aan de generator en past het deze aan volgens de gegeven wet, afhankelijk van de klemspanning en de belasting van de generator, om de spanningsstabiliteit te handhaven. Waarom kan de spanningsstabiliteit worden gehandhaafd door de excitatiestroom aan te passen? Er bestaat een benaderende relatie tussen de geïnduceerde potentiaal (d.w.z. nullastpotentiaal) Ed van de statorwikkeling van de generator, de klemspanning Ug, de reactieve belastingsstroom Ir van de generator en de longitudinale synchrone reactantie Xd:
De geïnduceerde potentiaal Ed is evenredig met de magnetische flux, en de magnetische flux hangt af van de grootte van de excitatiestroom. Wanneer de excitatiestroom onveranderd blijft, blijven de magnetische flux en de geïnduceerde potentiaal Ed onveranderd. Uit de bovenstaande formule blijkt dat de klemspanning van de generator zal afnemen naarmate de reactiestroom toeneemt. Om echter te voldoen aan de eisen van de gebruiker met betrekking tot de stroomkwaliteit, moet de klemspanning van de generator in principe onveranderd blijven. De manier om aan deze eis te voldoen, is door de excitatiestroom van de generator aan te passen aan de verandering van de reactiestroom Ir (dat wil zeggen, de verandering van de belasting). (2) Afhankelijk van de belastingomstandigheden wordt de excitatiestroom volgens een bepaalde regel aangepast om het reactievermogen te regelen. Waarom is het nodig om het reactievermogen aan te passen? Veel elektrische apparatuur werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie, zoals transformatoren, motoren, lasmachines, enz. Ze zijn allemaal afhankelijk van het opwekken van een wisselend magnetisch veld om energie om te zetten en over te dragen. Het elektrische vermogen dat nodig is om een wisselend magnetisch veld en geïnduceerde magnetische flux op te wekken, wordt reactievermogen genoemd. Alle elektrische apparatuur met elektromagnetische spoelen verbruikt reactief vermogen om een magnetisch veld op te wekken. Zonder reactief vermogen draait de motor niet, kan de transformator de spanning niet omzetten en werken veel elektrische apparaten niet. Reactief vermogen is dus absoluut geen nutteloze energie. Onder normale omstandigheden verkrijgt elektrische apparatuur niet alleen actief vermogen van de generator, maar heeft het ook reactief vermogen van de generator nodig. Als er een tekort is aan reactief vermogen in het elektriciteitsnet, beschikt de elektrische apparatuur niet over voldoende reactief vermogen om een normaal elektromagnetisch veld op te wekken. Deze elektrische apparatuur kan dan niet op het nominale vermogen werken en de klemspanning daalt, wat de normale werking van de apparatuur beïnvloedt. Daarom is het noodzakelijk om het reactieve vermogen aan te passen aan de werkelijke belasting. Het reactieve vermogen dat de generator levert, is gerelateerd aan de grootte van de bekrachtigingsstroom. Het specifieke principe hiervan wordt hier niet verder toegelicht. (3) Wanneer er een kortsluiting optreedt in het elektriciteitsnet of andere oorzaken ervoor zorgen dat de klemspanning van de generator sterk daalt, kan de generator geforceerd worden bekrachtigd om de dynamische stabiliteitslimiet van het elektriciteitsnet en de nauwkeurigheid van de relaisbeveiliging te verbeteren. (4) Wanneer er overspanning optreedt in de generator als gevolg van plotselinge belastingsafschakeling en andere oorzaken, kan de generator geforceerd worden gedemagnetiseerd om de buitensporige stijging van de klemspanning te beperken. (5) De statische stabiliteit van het elektriciteitsnet verbeteren. (6) Wanneer er een fase-fase kortsluiting optreedt in de generator en op de aansluitdraden ervan of wanneer de klemspanning van de generator te hoog is, wordt snel gedemagnetiseerd om de uitbreiding van het ongeval te beperken. (7) Het reactieve vermogen van de parallel geschakelde generatoren kan op een redelijke manier worden verdeeld.
3. Classificatie van excitatiesystemen Afhankelijk van de manier waarop de generator de excitatiestroom verkrijgt (dat wil zeggen, de voedingsmethode van de excitatievoeding), kan het excitatiesysteem worden onderverdeeld in externe excitatie en zelf-excitatie: de excitatiestroom die van een andere voeding wordt verkregen, wordt externe excitatie genoemd; de excitatiestroom die door de generator zelf wordt verkregen, wordt zelf-excitatie genoemd. Afhankelijk van de gelijkrichtingsmethode kan er onderscheid worden gemaakt tussen roterende excitatie en statische excitatie. Een statisch excitatiesysteem heeft geen speciale excitatiemachine. Als de excitatiestroom door de generator zelf wordt verkregen, spreekt men van zelf-statische excitatie. Zelf-statische excitatie kan worden onderverdeeld in zelf-parallelle excitatie en zelf-compounderende excitatie.
De meest gebruikte excitatiemethode is zelfparallelle statische excitatie, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. De excitatie-energie wordt verkregen via de gelijkrichtertransformator die is aangesloten op de generatoruitgang, en wordt na gelijkrichting aan de generator geleverd.
Bedradingsschema van een zelfparallelle excitatie statische gelijkrichter excitatiesysteem
Het zelfparallelle statische excitatiesysteem bestaat hoofdzakelijk uit de volgende onderdelen: excitatietransformator, gelijkrichter, demagnetiseringsinrichting, regelregelaar en overspanningsbeveiliging. Deze vijf onderdelen vervullen elk de volgende functies:
(1) Excitatietransformator: Verlaag de spanning aan de machinezijde tot een spanning die overeenkomt met die van de gelijkrichter.
(2) Gelijkrichter: Dit is de kerncomponent van het hele systeem. Vaak wordt een driefasige, volledig gestuurde brugschakeling gebruikt om de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom te voltooien.
(3) Demagnetiseringsinrichting: De demagnetiseringsinrichting bestaat uit twee delen, namelijk de demagnetiseringsschakelaar en de demagnetiseringsweerstand. Deze inrichting zorgt voor de snelle demagnetisering van de eenheid in geval van een ongeval.
(4) Regelcontroller: Het regelapparaat van het excitatiesysteem wijzigt de excitatiestroom door de geleidingshoek van de thyristor van de gelijkrichter te regelen, waardoor het reactieve vermogen en de spanning van de generator worden geregeld.
(5) Overspanningsbeveiliging: Wanneer er overspanning optreedt in het rotorcircuit van de generator, wordt het circuit ingeschakeld om de overspanningsenergie te verbruiken, de overspanningswaarde te beperken en de rotorwikkeling van de generator en de daaraan verbonden apparatuur te beschermen.
De voordelen van het zelfparallelle statische bekrachtigingssysteem zijn: eenvoudige structuur, minder apparatuur, lage investeringskosten en minder onderhoud. Het nadeel is dat bij kortsluiting van de generator of het systeem de bekrachtigingsstroom verdwijnt of sterk daalt, terwijl de bekrachtigingsstroom op dat moment juist sterk verhoogd moet worden (d.w.z. geforceerde bekrachtiging). Gezien het feit dat moderne, grote installaties meestal gebruikmaken van gesloten railsystemen en hoogspanningsnetten over het algemeen zijn uitgerust met snelle beveiliging en hoge betrouwbaarheid, neemt het aantal installaties dat deze bekrachtigingsmethode gebruikt toe. Bovendien is dit de bekrachtigingsmethode die wordt aanbevolen in regelgeving en specificaties. 4. Elektrisch remmen van de installatie Wanneer de installatie wordt ontlast en uitgeschakeld, wordt een deel van de mechanische energie opgeslagen als gevolg van de enorme rotatietraagheid van de rotor. Deze energie kan pas volledig worden afgevoerd nadat deze is omgezet in wrijvingswarmte-energie van het druklager, het geleidingslager en de lucht. Omdat het wrijvingsverlies van de lucht evenredig is met het kwadraat van de lineaire snelheid van de omtrek, daalt de rotorsnelheid aanvankelijk zeer snel en zal deze vervolgens lange tijd stationair draaien op een lage snelheid. Wanneer de unit gedurende lange tijd op een lage snelheid draait, kan de druklagerbus doorbranden omdat er geen oliefilm kan ontstaan tussen de spiegelplaat onder de druklagerkop en de lagerbus. Om deze reden moet tijdens het uitschakelen, wanneer de snelheid van de unit tot een bepaalde waarde daalt, het remsysteem van de unit in werking worden gesteld. Het remmen van de unit is onderverdeeld in elektrisch remmen, mechanisch remmen en gecombineerd remmen. Elektrisch remmen houdt in dat de stator van de driefasige generator kortgesloten wordt aan de machine-uitgang nadat de generator is ontkoppeld en gedemagnetiseerd, en dat gewacht wordt tot de snelheid van de unit is gedaald tot ongeveer 50% tot 60% van de nominale snelheid. Door een reeks logische bewerkingen wordt de remkracht geleverd en schakelt de bekrachtigingsregelaar over naar de elektrische remmodus om bekrachtigingsstroom toe te voegen aan de rotorwikkeling van de generator. Doordat de generator draait, induceert de stator een kortsluitstroom onder invloed van het magnetische veld van de rotor. Het opgewekte elektromagnetische koppel is precies tegengesteld aan de inertierichting van de rotor, wat een remmende werking heeft. Bij het realiseren van elektrisch remmen is een externe stroomvoorziening voor de remmen nodig, die nauw samenhangt met de hoofdcircuitstructuur van het bekrachtigingssysteem. Verschillende manieren om de stroomvoorziening voor de elektrische remmen te verkrijgen, worden in de onderstaande afbeelding weergegeven.
Er zijn verschillende manieren om de elektrische rembekrachtigingsvoeding te verkrijgen.
De eerste methode maakt gebruik van een zelfparallelle bekrachtigingsschakeling. Bij kortsluiting aan het machine-uiteinde krijgt de bekrachtigingstransformator geen stroom meer. De remstroom wordt geleverd door een aparte remtransformator, die is aangesloten op de voeding van de installatie. Zoals hierboven vermeld, maken de meeste waterkrachtcentrales gebruik van een zelfparallelle bekrachtigingsschakeling met een statische gelijkrichter. Het is economischer om een gelijkrichterbrug te gebruiken voor zowel het bekrachtigingssysteem als het elektrische remsysteem. Daarom is deze methode voor het verkrijgen van de bekrachtigingsstroom voor het elektrische remsysteem gangbaarder. De werking van het elektrische remsysteem bij deze methode is als volgt:
(1) De stroomonderbreker van het stopcontact wordt geopend en het systeem wordt ontkoppeld.
(2) De rotorwikkeling is gedemagnetiseerd.
(3) De vermogensschakelaar aan de secundaire zijde van de excitatietransformator wordt geopend.
(4) De kortsluitschakelaar van de elektrische rem van de eenheid is gesloten.
(5) De vermogensschakelaar aan de secundaire zijde van de elektrische remtransformator is gesloten.
(6) De thyristor van de gelijkrichterbrug wordt geactiveerd om te geleiden, en de eenheid komt in de elektrische remstand.
(7) Wanneer de snelheid van de eenheid nul is, wordt de elektrische rem losgelaten (indien gecombineerd remmen wordt toegepast, wordt mechanisch remmen toegepast wanneer de snelheid 5% tot 10% van de nominale snelheid bereikt). 5. Intelligent excitatiesysteem Een intelligente waterkrachtcentrale verwijst naar een waterkrachtcentrale of een groep waterkrachtstations met informatiedigitalisering, communicatienetwerken, geïntegreerde standaardisatie, zakelijke interactie, operationele optimalisatie en intelligente besluitvorming. Intelligente waterkrachtcentrales zijn verticaal onderverdeeld in een proceslaag, een eenheidslaag en een stationsbesturingslaag, waarbij gebruik wordt gemaakt van een 3-laags 2-netwerkstructuur van het proceslaagnetwerk (GOOSE-netwerk, SV-netwerk) en het stationsbesturingslaagnetwerk (MMS-netwerk). Intelligente waterkrachtcentrales moeten worden ondersteund door intelligente apparatuur. Als het kernbesturingssysteem van de hydroturbinegeneratorset speelt de technologische ontwikkeling van het excitatiesysteem een belangrijke ondersteunende rol bij de constructie van intelligente waterkrachtcentrales.
In intelligente waterkrachtcentrales moet het excitatie-systeem, naast het uitvoeren van basistaken zoals het starten en stoppen van de turbinegenerator, het verhogen en verlagen van het reactieve vermogen en noodstop, ook voldoen aan de IEC 61850-vereisten voor datamodellering en communicatie, en communicatie ondersteunen met het netwerk van de centralebesturingslaag (MMS-netwerk) en het procesnetwerk (GOOSE-netwerk en SV-netwerk). Het excitatie-systeem is geplaatst op de eenheidslaag van de systeemstructuur van de intelligente waterkrachtcentrale, terwijl de samenvoegingseenheid, intelligente terminal, hulpbesturingseenheid en andere apparaten of intelligente apparatuur op de proceslaag zijn geplaatst. De systeemstructuur is weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Intelligent excitatiesysteem
De hostcomputer van de besturingslaag van de intelligente waterkrachtcentrale voldoet aan de eisen van de IEC61850-communicatiestandaard en stuurt het signaal van het excitatie-systeem via het MMS-netwerk naar de hostcomputer van het monitoringsysteem. Het intelligente excitatie-systeem moet verbinding kunnen maken met de GOOSE- en SV-netwerkswitches om gegevens te verzamelen op de proceslaag. De proceslaag vereist dat de data-output van CT's, PT's en lokale componenten allemaal digitaal zijn. CT's en PT's zijn verbonden met de samenvoegingseenheid (elektronische transformatoren zijn verbonden met optische kabels en elektromagnetische transformatoren met kabels). Nadat de stroom- en spanningsgegevens zijn gedigitaliseerd, worden ze via optische kabels verbonden met de SV-netwerkswitch. De lokale componenten moeten via kabels verbonden zijn met de intelligente terminal, waarna de schakel- of analoge signalen worden omgezet in digitale signalen en via optische kabels naar de GOOSE-netwerkswitch worden verzonden. Momenteel beschikt het excitatie-systeem in principe over de communicatiefunctie met het MMS-netwerk van de besturingslaag en het GOOSE/SV-netwerk van de proceslaag. Naast het voldoen aan de informatie-uitwisselingseisen van de IEC61850-communicatiestandaard, moet het intelligente bekrachtigingssysteem ook beschikken over uitgebreide online monitoring, intelligente foutdiagnose en een gemakkelijke test-, bedienings- en onderhoudsfunctie. De prestaties en het toepassingseffect van het volledig functionele intelligente bekrachtigingssysteem moeten in de toekomst in de praktijk worden getest.
Geplaatst op: 09-10-2024
