Elver i naturen har alle en viss helning. Vann renner langs elveleiet under påvirkning av tyngdekraften. Vann i store høyder inneholder rikelig med potensiell energi. Ved hjelp av hydrauliske konstruksjoner og elektromekanisk utstyr kan vannets energi omdannes til elektrisk energi, det vil si vannkraftproduksjon. Prinsippet bak vannkraftproduksjon er elektromagnetisk induksjon, det vil si at når en leder kutter de magnetiske flukslinjene i et magnetfelt, vil den generere strøm. Blant disse oppnås lederens "bevegelse" i magnetfeltet ved at vannstrømmen påvirker turbinen for å omdanne vannenergi til rotasjonsmekanisk energi; og magnetfeltet dannes nesten alltid av eksitasjonsstrømmen som genereres av eksitasjonssystemet som strømmer gjennom generatorens rotorvikling, det vil si at magnetismen genereres av elektrisitet.
1. Hva er eksitasjonssystemet? For å realisere energiomformingen trenger den synkrone generatoren et likestrømsmagnetfelt, og likestrømmen som genererer dette magnetfeltet kalles generatorens eksitasjonsstrøm. Generelt kalles prosessen med å danne et magnetfelt i generatorrotoren i henhold til prinsippet om elektromagnetisk induksjon eksitasjon. Eksitasjonssystemet refererer til utstyret som gir eksitasjonsstrøm til den synkrone generatoren. Det er en viktig del av den synkrone generatoren. Det består vanligvis av to hoveddeler: eksitasjonskraftenheten og eksitasjonsregulatoren. Eksitasjonskraftenheten gir eksitasjonsstrøm til den synkrone generatorrotoren, og eksitasjonsregulatoren styrer utgangen fra eksitasjonskraftenheten i henhold til inngangssignalet og de gitte reguleringskriteriene.
2. Funksjonen til eksitasjonssystemet Eksitasjonssystemet har følgende hovedfunksjoner: (1) Under normale driftsforhold forsyner det generatorens eksitasjonsstrøm og justerer eksitasjonsstrømmen i henhold til den gitte loven i henhold til generatorens terminalspenning og belastningsforhold for å opprettholde spenningsstabilitet. Hvorfor kan spenningsstabilitet opprettholdes ved å justere eksitasjonsstrømmen? Det er et omtrentlig forhold mellom det induserte potensialet (dvs. tomgangspotensial) Ed til generatorens statorvikling, terminalspenningen Ug, den reaktive laststrømmen Ir til generatoren og den longitudinelle synkrone reaktansen Xd:
Det induserte potensialet Ed er proporsjonalt med den magnetiske fluksen, og den magnetiske fluksen avhenger av størrelsen på eksitasjonsstrømmen. Når eksitasjonsstrømmen forblir uendret, forblir den magnetiske fluksen og det induserte potensialet Ed uendret. Fra formelen ovenfor kan man se at generatorens terminalspenning vil avta med økningen av reaktiv strøm. For å oppfylle brukerens krav til strømkvalitet, bør imidlertid generatorens terminalspenning i utgangspunktet forbli uendret. Måten å oppnå dette kravet på er åpenbart å justere generatorens eksitasjonsstrøm når den reaktive strømmen Ir endres (det vil si at lasten endres). (2) I henhold til lastforholdene justeres eksitasjonsstrømmen i henhold til en gitt regel for å justere den reaktive effekten. Hvorfor er det nødvendig å justere reaktiv effekt? Mye elektrisk utstyr fungerer basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon, for eksempel transformatorer, motorer, sveisemaskiner osv. De er alle avhengige av etablering av et vekslende magnetfelt for å konvertere og overføre energi. Den elektriske effekten som kreves for å etablere et vekslende magnetfelt og indusert magnetisk fluks kalles reaktiv effekt. Alt elektrisk utstyr med elektromagnetiske spoler forbruker reaktiv effekt for å etablere et magnetfelt. Uten reaktiv effekt vil ikke motoren rotere, transformatoren vil ikke kunne transformere spenning, og mye elektrisk utstyr vil ikke fungere. Derfor er reaktiv effekt på ingen måte ubrukelig effekt. Under normale omstendigheter får elektrisk utstyr ikke bare aktiv effekt fra generatoren, men trenger også å få reaktiv effekt fra generatoren. Hvis det er mangel på reaktiv effekt i strømnettet, vil det elektriske utstyret ikke ha nok reaktiv effekt til å etablere et normalt elektromagnetisk felt. Da kan ikke dette elektriske utstyret opprettholde nominell drift, og terminalspenningen til det elektriske utstyret vil falle, noe som påvirker den normale driften av det elektriske utstyret. Derfor er det nødvendig å justere den reaktive effekten i henhold til den faktiske belastningen, og den reaktive effektutgangen fra generatoren er relatert til størrelsen på eksitasjonsstrømmen. Det spesifikke prinsippet vil ikke bli utdypet her. (3) Når det oppstår en kortslutningsulykke i kraftsystemet eller andre årsaker forårsaker at generatorens terminalspenning faller betydelig, kan generatoren tvangsaktiveres for å forbedre den dynamiske stabilitetsgrensen til kraftsystemet og nøyaktigheten til relébeskyttelsen. (4) Når generatoren overspenninger på grunn av plutselig lastutkobling og andre årsaker, kan generatoren avmagnetiseres med makt for å begrense den overdrevne økningen i generatorens terminalspenning. (5) Forbedre den statiske stabiliteten til strømforsyningssystemet. (6) Når det oppstår en fase-til-fase-kortslutning inne i generatoren og på ledningene, eller generatorens terminalspenning er for høy, utføres avmagnetisering raskt for å begrense spredningen av ulykken. (7) Den reaktive effekten til parallelle generatorer kan fordeles på en rimelig måte.
3. Klassifisering av eksitasjonssystemer I henhold til måten generatoren får eksitasjonsstrømmen på (det vil si tilførselsmetoden til eksitasjonsstrømforsyningen), kan eksitasjonssystemet deles inn i ekstern eksitasjon og selveksitasjon: eksitasjonsstrømmen som hentes fra andre strømforsyninger kalles ekstern eksitasjon; eksitasjonsstrømmen som hentes fra selve generatoren kalles selveksitasjon. I henhold til likerettermetoden kan den deles inn i roterende eksitasjon og statisk eksitasjon. Det statiske eksitasjonssystemet har ikke en spesiell eksitasjonsmaskin. Hvis det får eksitasjonskraften fra selve generatoren, kalles det selveksiterende statisk eksitasjon. Selveksiterende statisk eksitasjon kan deles inn i selvparallell eksitasjon og selvsammensatt eksitasjon.
Den mest brukte eksitasjonsmetoden er selvparallell eksitasjon med statisk eksitasjon, som vist i figuren nedenfor. Den henter eksitasjonseffekten gjennom likerettertransformatoren som er koblet til generatoruttaket, og forsyner generatorens eksitasjonsstrøm etter likeretning.
Koblingsskjema for selvparallelt eksitasjonssystem med statisk likeretter
Det selvparallelle eksitasjonssystemet for statisk eksitasjon består hovedsakelig av følgende deler: eksitasjonstransformator, likeretter, avmagnetiseringsenhet, reguleringskontroller og overspenningsvern. Disse fem delene utfører henholdsvis følgende funksjoner:
(1) Eksitasjonstransformator: Reduser spenningen ved maskinenden til en spenning som samsvarer med likeretteren.
(2) Likeretter: Det er kjernekomponenten i hele systemet. En trefaset, fullstendig styrt brokrets brukes ofte til å fullføre konverteringsoppgaven fra vekselstrøm til likestrøm.
(3) Avmagnetiseringsenhet: Avmagnetiseringsenheten består av to deler, nemlig avmagnetiseringsbryteren og avmagnetiseringsmotstanden. Denne enheten er ansvarlig for rask avmagnetisering av enheten i tilfelle en ulykke.
(4) Reguleringskontroller: Styringsenheten til eksitasjonssystemet endrer eksitasjonsstrømmen ved å kontrollere ledningsvinkelen til tyristoren i likeretterenheten for å oppnå effekten av å regulere den reaktive effekten og spenningen til generatoren.
(5) Overspenningsvern: Når generatorrotorkretsen har overspenning, slås kretsen på for å forbruke overspenningsenergien, begrense overspenningsverdien og beskytte generatorrotorviklingen og tilkoblet utstyr.
Fordelene med det selvparallelle eksitasjonssystemet for statisk eksitasjon er: enkel struktur, mindre utstyr, lave investeringer og mindre vedlikehold. Ulempen er at når generatoren eller systemet kortsluttes, vil eksitasjonsstrømmen forsvinne eller synke kraftig, mens eksitasjonsstrømmen bør økes kraftig (dvs. tvungen eksitasjon) på dette tidspunktet. Men med tanke på at moderne store enheter for det meste bruker lukkede samleskinner, og høyspentnett generelt er utstyrt med rask beskyttelse og høy pålitelighet, øker antallet enheter som bruker denne eksitasjonsmetoden, og dette er også eksitasjonsmetoden som anbefales av forskrifter og spesifikasjoner. 4. Elektrisk bremsing av enheten Når enheten avlastes og slås av, lagres en del av den mekaniske energien på grunn av rotorens enorme rotasjonstreghet. Denne delen av energien kan bare stoppes helt etter at den er omdannet til friksjonsvarmeenergi for aksiallageret, føringslageret og luften. Siden friksjonstapet i luften er proporsjonalt med kvadratet av den lineære hastigheten til omkretsen, synker rotorens hastighet veldig raskt først, og deretter vil den gå på tomgang i lang tid med lav hastighet. Når enheten kjører over lengre tid med lav hastighet, kan aksialbøssingen brenne ut fordi oljefilmen mellom speilplaten under aksialhodet og lagerbøssingen ikke kan etableres. Av denne grunn, når enhetens hastighet synker til en viss spesifisert verdi under avstengningsprosessen, må enhetens bremsesystem tas i bruk. Enhetsbremsingen er delt inn i elektrisk bremsing, mekanisk bremsing og kombinert bremsing. Elektrisk bremsing er å kortslutte trefasegeneratorens stator ved maskinendeutløpet etter at generatoren er frakoblet og avmagnetisert, og vente til enhetshastigheten synker til omtrent 50 % til 60 % av nominell hastighet. Gjennom en serie logiske operasjoner tilføres bremsekraften, og eksitasjonsregulatoren bytter til elektrisk bremsemodus for å legge til eksitasjonsstrøm til generatorens rotorvikling. Fordi generatoren roterer, induserer statoren en kortslutningsstrøm under påvirkning av rotorens magnetfelt. Det genererte elektromagnetiske dreiemomentet er rett motsatt av rotorens treghetsretning, som spiller en bremsende rolle. I prosessen med å realisere elektrisk bremsing må bremsekraftforsyningen tilføres eksternt, noe som er nært knyttet til hovedkretsstrukturen til eksitasjonssystemet. Ulike måter å skaffe strømforsyningen til elektrisk bremseeksitasjon på er vist i figuren nedenfor.
Ulike måter å skaffe strømforsyningen til den elektriske bremseeksitasjonen på
I den første metoden er eksitasjonsenheten en selvparallell eksitasjonskoblingsmetode. Når maskinenden kortsluttes, har eksitasjonstransformatoren ingen strømforsyning. Bremsestrømforsyningen kommer fra en dedikert bremsetransformator, og bremsetransformatoren er koblet til kraftverket. Som nevnt ovenfor bruker de fleste vannkraftprosjekter et selvparallelt eksitasjons-statisk likeretter-eksitasjonssystem, og det er mer økonomisk å bruke en likeretterbro for eksitasjonssystemet og det elektriske bremsesystemet. Derfor er denne metoden for å skaffe strømforsyning til elektrisk bremseeksitasjon mer vanlig. Den elektriske bremsearbeidsflyten for denne metoden er som følger:
(1) Enhetens utgangssikring åpnes og systemet er frakoblet.
(2) Rotorviklingen er avmagnetisert.
(3) Strømbryteren på sekundærsiden av eksitasjonstransformatoren åpnes.
(4) Kortslutningsbryteren for enhetens elektriske bremse er lukket.
(5) Strømbryteren på sekundærsiden av den elektriske bremsetransformatoren er lukket.
(6) Likeretterbro-tyristoren trigges til å lede, og enheten går inn i elektrisk bremsetilstand.
(7) Når enhetens hastighet er null, utløses den elektriske bremsen (hvis kombinert bremsing brukes, aktiveres mekanisk bremsing når hastigheten når 5 % til 10 % av nominell hastighet). 5. Intelligent eksitasjonssystem Intelligent vannkraftverk refererer til et vannkraftverk eller en vannkraftstasjonsgruppe med informasjonsdigitalisering, kommunikasjonsnettverk, integrert standardisering, forretningsinteraksjon, driftsoptimalisering og intelligent beslutningstaking. Intelligente vannkraftverk er vertikalt delt inn i prosesslag, enhetslag og stasjonskontrolllag, ved hjelp av en 3-lags 2-nettverksstruktur av prosesslagnettverk (GOOSE-nettverk, SV-nettverk) og stasjonskontrolllagnettverk (MMS-nettverk). Intelligente vannkraftverk må støttes av intelligent utstyr. Som kjernekontrollsystemet til vannturbingeneratorsettet spiller den teknologiske utviklingen av eksitasjonssystemet en viktig støttende rolle i konstruksjonen av intelligente vannkraftverk.
I intelligente vannkraftverk skal eksitasjonssystemet, i tillegg til å utføre grunnleggende oppgaver som å starte og stoppe turbingeneratorsettet, øke og redusere reaktiv effekt og nødavstengning, også kunne oppfylle IEC61850s datamodellerings- og kommunikasjonsfunksjoner, og støtte kommunikasjon med stasjonskontrolllagsnettverket (MMS-nettverk) og prosesslagsnettverket (GOOSE-nettverk og SV-nettverk). Eksitasjonssystemenheten er anordnet på enhetslaget i den intelligente vannkraftverks systemstruktur, og sammenslåingsenheten, intelligent terminal, hjelpekontrollenhet og andre enheter eller intelligent utstyr er anordnet på prosesslaget. Systemstrukturen er vist i figuren nedenfor.
Intelligent eksitasjonssystem
Vertsdatamaskinen i stasjonskontrolllaget til det intelligente vannkraftverket oppfyller kravene i kommunikasjonsstandarden IEC61850, og sender signalet fra eksitasjonssystemet til vertsdatamaskinen i overvåkingssystemet via MMS-nettverket. Det intelligente eksitasjonssystemet skal kunne kobles til GOOSE-nettverket og SV-nettverksbryterne for å samle inn data på prosesslaget. Prosesslaget krever at dataene som sendes ut av CT, PT og lokale komponenter, alle er i digital form. CT og PT er koblet til den sammenslåtte enheten (elektroniske transformatorer er koblet til med optiske kabler, og elektromagnetiske transformatorer er koblet til med kabler). Etter at strøm- og spenningsdataene er digitalisert, kobles de til SV-nettverksbryteren via optiske kabler. De lokale komponentene må kobles til den intelligente terminalen via kabler, og bryteren eller de analoge signalene konverteres til digitale signaler og overføres til GOOSE-nettverksbryteren via optiske kabler. For tiden har eksitasjonssystemet i utgangspunktet kommunikasjonsfunksjonen med stasjonskontrolllagets MMS-nettverk og prosesslagets GOOSE/SV-nettverk. I tillegg til å oppfylle kravene til nettverksinformasjonsinteraksjon i henhold til IEC61850-kommunikasjonsstandarden, bør det intelligente eksitasjonssystemet også ha omfattende online-overvåking, intelligent feildiagnose og praktisk testdrift og vedlikehold. Ytelsen og anvendelseseffekten til den fullt funksjonelle intelligente eksitasjonsenheten må testes i fremtidige faktiske tekniske applikasjoner.
Publisert: 09. oktober 2024
