Rzeki w naturze mają pewne nachylenie. Woda płynie wzdłuż koryta rzeki pod wpływem grawitacji. Woda na dużych wysokościach zawiera dużą ilość energii potencjalnej. Za pomocą konstrukcji hydraulicznych i urządzeń elektromechanicznych energię wody można przekształcić w energię elektryczną, czyli wytwarzać energię wodną. Zasadą wytwarzania energii wodnej jest nasza indukcja elektromagnetyczna, czyli gdy przewodnik przecina linie strumienia magnetycznego w polu magnetycznym, generuje prąd. Wśród nich „ruch” przewodnika w polu magnetycznym jest osiągany przez przepływ wody uderzający w turbinę, aby przekształcić energię wody w energię mechaniczną obrotową; a pole magnetyczne jest prawie zawsze tworzone przez prąd wzbudzenia generowany przez układ wzbudzenia przepływający przez uzwojenie wirnika generatora, czyli magnetyzm jest generowany przez elektryczność.
1. Czym jest układ wzbudzenia? Aby zrealizować konwersję energii, generator synchroniczny potrzebuje pola magnetycznego prądu stałego, a prąd stały, który generuje to pole magnetyczne, nazywany jest prądem wzbudzenia generatora. Ogólnie rzecz biorąc, proces formowania pola magnetycznego w wirniku generatora zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej nazywa się wzbudzeniem. Układ wzbudzenia odnosi się do sprzętu, który zapewnia prąd wzbudzenia dla generatora synchronicznego. Jest to ważna część generatora synchronicznego. Zazwyczaj składa się z dwóch głównych części: jednostki mocy wzbudzenia i regulatora wzbudzenia. Jednostka mocy wzbudzenia dostarcza prąd wzbudzenia do wirnika generatora synchronicznego, a regulator wzbudzenia steruje wyjściem jednostki mocy wzbudzenia zgodnie z sygnałem wejściowym i podanymi kryteriami regulacji.
2. Funkcja układu wzbudzenia Układ wzbudzenia ma następujące główne funkcje: (1) W normalnych warunkach pracy dostarcza prąd wzbudzenia generatora i reguluje prąd wzbudzenia zgodnie z podanym prawem zgodnie z napięciem zacisków generatora i warunkami obciążenia w celu utrzymania stabilności napięcia. Dlaczego stabilność napięcia można utrzymać poprzez regulację prądu wzbudzenia? Istnieje przybliżona zależność między potencjałem indukowanym (tj. potencjałem jałowym) Ed uzwojenia stojana generatora, napięciem zacisków Ug, reaktywnym prądem obciążenia Ir generatora i podłużną reaktancją synchroniczną Xd:
Indukowany potencjał Ed jest proporcjonalny do strumienia magnetycznego, a strumień magnetyczny zależy od wielkości prądu wzbudzenia. Gdy prąd wzbudzenia pozostaje niezmieniony, strumień magnetyczny i indukowany potencjał Ed pozostają niezmienione. Z powyższego wzoru można wywnioskować, że napięcie zaciskowe generatora zmniejszy się wraz ze wzrostem prądu biernego. Jednak aby spełnić wymagania użytkownika dotyczące jakości energii, napięcie zaciskowe generatora powinno pozostać zasadniczo niezmienione. Oczywistym jest, że sposobem na spełnienie tego wymogu jest dostosowanie prądu wzbudzenia generatora w miarę zmiany prądu biernego Ir (czyli zmiany obciążenia). (2) Zgodnie z warunkami obciążenia prąd wzbudzenia jest dostosowywany zgodnie z daną regułą w celu dostosowania mocy biernej. Dlaczego konieczna jest regulacja mocy biernej? Wiele urządzeń elektrycznych działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej, takich jak transformatory, silniki, spawarki itp. Wszystkie one polegają na ustanowieniu przemiennego pola magnetycznego w celu przekształcania i przesyłania energii. Moc elektryczna wymagana do wytworzenia przemiennego pola magnetycznego i indukowanego strumienia magnetycznego nazywana jest mocą bierną. Wszystkie urządzenia elektryczne z cewkami elektromagnetycznymi zużywają moc bierną, aby wytworzyć pole magnetyczne. Bez mocy biernej silnik nie będzie się obracał, transformator nie będzie w stanie przekształcić napięcia, a wiele urządzeń elektrycznych nie będzie działać. Dlatego moc bierna nie jest w żadnym wypadku mocą bezużyteczną. W normalnych okolicznościach urządzenia elektryczne nie tylko pozyskują moc czynną z generatora, ale także muszą pozyskiwać moc bierną z generatora. Jeśli w sieci energetycznej brakuje mocy biernej, urządzenia elektryczne nie będą miały wystarczającej mocy biernej, aby wytworzyć normalne pole elektromagnetyczne. Wówczas te urządzenia elektryczne nie będą mogły utrzymać znamionowej pracy, a napięcie na zaciskach urządzeń elektrycznych spadnie, co wpłynie na normalną pracę urządzeń elektrycznych. Dlatego konieczne jest dostosowanie mocy biernej zgodnie z rzeczywistym obciążeniem, a moc bierna wyjściowa generatora jest związana z wielkością prądu wzbudzenia. Konkretna zasada nie będzie tutaj omawiana. (3) Gdy w systemie elektroenergetycznym wystąpi zwarcie lub inne przyczyny spowodują poważny spadek napięcia na zaciskach generatora, generator można wymusić wzbudzeniem, aby poprawić granicę stabilności dynamicznej systemu elektroenergetycznego i dokładność działania zabezpieczenia przekaźnika. (4) Gdy nastąpi przepięcie generatora z powodu nagłego odłączenia obciążenia lub innych przyczyn, generator można wymusić rozmagnesowaniem, aby ograniczyć nadmierny wzrost napięcia na zaciskach generatora. (5) Poprawa stabilności statycznej systemu elektroenergetycznego. (6) Gdy wewnątrz generatora i na jego przewodach doprowadzeniowych wystąpi zwarcie międzyfazowe lub gdy napięcie na zaciskach generatora jest zbyt wysokie, rozmagnesowanie przeprowadza się szybko, aby ograniczyć ekspansję wypadku. (7) Moc bierną równoległych generatorów można rozsądnie rozdzielić.
3. Klasyfikacja układów wzbudzenia W zależności od sposobu, w jaki generator uzyskuje prąd wzbudzenia (czyli sposobu zasilania zasilacza wzbudzenia), układ wzbudzenia można podzielić na wzbudzenie zewnętrzne i wzbudzenie samoistne: prąd wzbudzenia uzyskany z innych zasilaczy nazywa się wzbudzeniem zewnętrznym; prąd wzbudzenia uzyskany z samego generatora nazywa się wzbudzeniem samoistnym. Zgodnie z metodą prostowania można go podzielić na wzbudzenie obrotowe i wzbudzenie statyczne. Układ wzbudzenia statycznego nie ma specjalnej maszyny wzbudzającej. Jeśli uzyskuje moc wzbudzenia z samego generatora, nazywa się to wzbudzeniem samoistnym statycznym. Wzbudzenie samoistne statyczne można podzielić na wzbudzenie samoistne równoległe i wzbudzenie samoistne złożone.
Najczęściej stosowaną metodą wzbudzenia jest wzbudzenie statyczne samorównoległe, jak pokazano na poniższym rysunku. Uzyskuje ono moc wzbudzenia poprzez transformator prostowniczy podłączony do wyjścia generatora i dostarcza prąd wzbudzenia generatora po wyprostowaniu.
Schemat połączeń układu wzbudzenia prostownika statycznego z wzbudzeniem równoległym
Samorównoległy układ wzbudzenia statycznego składa się głównie z następujących części: transformator wzbudzenia, prostownik, urządzenie rozmagnesowujące, regulator regulacji i urządzenie zabezpieczające przed przepięciem. Te pięć części odpowiednio uzupełniają następujące funkcje:
(1) Transformator wzbudzenia: Zmniejsz napięcie na końcu maszyny do napięcia odpowiadającego napięciu prostownika.
(2) Prostownik: Jest to główny element całego systemu. Trójfazowy, w pełni kontrolowany obwód mostkowy jest często używany do ukończenia zadania konwersji z prądu przemiennego na prąd stały.
(3) Urządzenie demagnetyzujące: Urządzenie demagnetyzujące składa się z dwóch części, mianowicie przełącznika demagnetyzującego i rezystora demagnetyzującego. Urządzenie to odpowiada za szybkie demagnetyzowanie urządzenia w razie wypadku.
(4) Regulator: Urządzenie sterujące układu wzbudzenia zmienia prąd wzbudzenia poprzez sterowanie kątem przewodzenia tyrystora urządzenia prostowniczego w celu uzyskania efektu regulacji mocy biernej i napięcia generatora.
(5) Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe: Gdy w obwodzie wirnika generatora wystąpi przepięcie, obwód zostaje włączony, aby pochłonąć energię przepięcia, ograniczyć wartość przepięcia i chronić uzwojenie wirnika generatora oraz podłączony do niego sprzęt.
Zalety samorównoległego układu wzbudzenia statycznego to: prosta konstrukcja, mniej sprzętu, niskie nakłady inwestycyjne i mniejsze wymagania konserwacyjne. Wadą jest to, że gdy generator lub układ ulegnie zwarciu, prąd wzbudzenia zaniknie lub znacznie spadnie, podczas gdy prąd wzbudzenia powinien zostać znacznie zwiększony (tj. wymuszone wzbudzenie) w tym czasie. Jednak biorąc pod uwagę, że nowoczesne duże jednostki wykorzystują głównie zamknięte szyny zbiorcze, a sieci energetyczne wysokiego napięcia są na ogół wyposażone w szybką ochronę i wysoką niezawodność, liczba jednostek wykorzystujących tę metodę wzbudzenia rośnie, a jest to również metoda wzbudzania zalecana przez przepisy i specyfikacje. 4. Hamowanie elektryczne jednostki Gdy jednostka jest rozładowana i wyłączona, część energii mechanicznej jest magazynowana z powodu ogromnej bezwładności obrotowej wirnika. Ta część energii może zostać całkowicie zatrzymana dopiero po przekształceniu jej w energię cieplną tarcia łożyska oporowego, łożyska prowadzącego i powietrza. Ponieważ strata tarcia powietrza jest proporcjonalna do kwadratu prędkości liniowej obwodu, prędkość wirnika spada początkowo bardzo szybko, a następnie przez długi czas będzie on pracował na biegu jałowym przy niskiej prędkości. Gdy jednostka pracuje przez długi czas przy niskiej prędkości, tuleja oporowa może się wypalić, ponieważ nie można utworzyć filmu olejowego między płytą lustrzaną pod głowicą oporową a tuleją łożyskową. Z tego powodu podczas procesu wyłączania, gdy prędkość jednostki spadnie do określonej wartości, należy uruchomić układ hamulcowy jednostki. Hamowanie jednostki dzieli się na hamowanie elektryczne, hamowanie mechaniczne i hamowanie łączone. Hamowanie elektryczne polega na zwarciu stojana generatora trójfazowego na wyjściu końcowym maszyny po odłączeniu i rozmagnesowaniu generatora i odczekaniu, aż prędkość jednostki spadnie do około 50% do 60% prędkości znamionowej. Poprzez szereg operacji logicznych dostarczana jest moc hamowania, a regulator wzbudzenia przełącza się na tryb hamowania elektrycznego, aby dodać prąd wzbudzenia do uzwojenia wirnika generatora. Ponieważ generator obraca się, stojan indukuje prąd zwarciowy pod wpływem pola magnetycznego wirnika. Wytworzony moment elektromagnetyczny jest dokładnie przeciwny do kierunku bezwładności wirnika, który odgrywa rolę hamowania. W procesie realizacji hamowania elektrycznego, zasilanie hamulca musi być dostarczane zewnętrznie, co jest ściśle związane z główną strukturą obwodu układu wzbudzenia. Różne sposoby uzyskania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego pokazano na poniższym rysunku.
Różne sposoby uzyskania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego
W pierwszym przypadku urządzenie wzbudzające jest metodą samorównoległego okablowania wzbudzającego. Gdy koniec maszyny jest zwarty, transformator wzbudzający nie ma zasilania. Zasilanie hamowania pochodzi z dedykowanego transformatora hamulcowego, a transformator hamulcowy jest podłączony do zasilania elektrowni. Jak wspomniano powyżej, większość projektów hydroenergetycznych wykorzystuje samorównoległy układ wzbudzający prostownika statycznego, a bardziej ekonomiczne jest użycie mostka prostowniczego dla układu wzbudzającego i układu hamulca elektrycznego. Dlatego ta metoda uzyskiwania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego jest bardziej powszechna. Przepływ pracy hamowania elektrycznego tej metody jest następujący:
(1) Wyłącznik obwodu wyjścia urządzenia jest otwarty, a system jest odłączony.
(2) Uzwojenie wirnika zostaje rozmagnesowane.
(3) Wyłącznik zasilania po stronie wtórnej transformatora wzbudzającego jest otwarty.
(4) Wyłącznik zwarciowy hamulca elektrycznego jest zamknięty.
(5) Wyłącznik zasilania po stronie wtórnej transformatora hamulca elektrycznego jest zamknięty.
(6) Mostek prostowniczy tyrystora zostaje wyzwolony i zaczyna przewodzić, a urządzenie przechodzi w stan hamowania elektrycznego.
(7) Gdy prędkość jednostki wynosi zero, hamulec elektryczny zostaje zwolniony (jeśli zastosowano hamowanie łączone, gdy prędkość osiągnie 5% do 10% prędkości znamionowej, stosuje się hamowanie mechaniczne). 5. Inteligentny układ wzbudzenia Inteligentna elektrownia wodna odnosi się do elektrowni wodnej lub grupy elektrowni wodnych z digitalizacją informacji, sieciowaniem komunikacyjnym, zintegrowaną standaryzacją, interakcją biznesową, optymalizacją działania i inteligentnym podejmowaniem decyzji. Inteligentne elektrownie wodne są podzielone pionowo na warstwę procesową, warstwę jednostkową i warstwę sterowania stacją, przy użyciu 3-warstwowej 2-sieciowej struktury sieci warstwy procesowej (sieć GOOSE, sieć SV) i sieci warstwy sterowania stacją (sieć MMS). Inteligentne elektrownie wodne muszą być wspierane przez inteligentny sprzęt. Jako główny system sterowania zespołu generatora turbiny wodnej, rozwój technologiczny układu wzbudzenia odgrywa ważną rolę pomocniczą w budowie inteligentnych elektrowni wodnych.
W inteligentnych elektrowniach wodnych, oprócz wykonywania podstawowych zadań, takich jak uruchamianie i zatrzymywanie zespołu turbiny i generatora, zwiększanie i zmniejszanie mocy biernej oraz awaryjne wyłączanie, układ wzbudzenia powinien również spełniać funkcje modelowania danych i komunikacji IEC61850 oraz obsługiwać komunikację z siecią warstwy sterowania stacji (sieć MMS) i siecią warstwy procesu (sieć GOOSE i sieć SV). Urządzenie układu wzbudzenia jest rozmieszczone na warstwie jednostkowej struktury systemu inteligentnej elektrowni wodnej, a jednostka scalania, inteligentny terminal, pomocnicza jednostka sterowania i inne urządzenia lub inteligentny sprzęt są rozmieszczone na warstwie procesowej. Struktura systemu jest pokazana na poniższym rysunku.
Inteligentny system wzbudzania
Komputer-gospodarz warstwy sterowania stacją inteligentnej elektrowni wodnej spełnia wymagania standardu komunikacyjnego IEC61850 i wysyła sygnał układu wzbudzenia do komputera-gospodarza systemu monitorowania za pośrednictwem sieci MMS. Inteligentny układ wzbudzenia powinien być w stanie połączyć się z siecią GOOSE i przełącznikami sieciowymi SV w celu zbierania danych na poziomie procesu. Warstwa procesu wymaga, aby dane wyjściowe CT, PT i lokalne komponenty były w formie cyfrowej. CT i PT są podłączone do jednostki scalającej (transformatory elektroniczne są połączone kablami optycznymi, a transformatory elektromagnetyczne są połączone kablami). Po zdigitalizowaniu danych prądu i napięcia są one podłączone do przełącznika sieciowego SV za pośrednictwem kabli optycznych. Lokalne komponenty muszą być podłączone do inteligentnego terminala za pośrednictwem kabli, a sygnały przełącznika lub analogowe są konwertowane na sygnały cyfrowe i przesyłane do przełącznika sieciowego GOOSE za pośrednictwem kabli optycznych. Obecnie układ wzbudzenia ma zasadniczo funkcję komunikacji z siecią MMS warstwy sterowania stacją i siecią GOOSE/SV warstwy procesu. Oprócz spełniania interakcji informacji sieciowych standardu komunikacyjnego IEC61850, inteligentny system wzbudzenia powinien również mieć kompleksowy monitoring online, inteligentną diagnostykę błędów oraz wygodną obsługę testową i konserwację. Wydajność i efekt zastosowania w pełni funkcjonalnego inteligentnego urządzenia wzbudzenia muszą zostać przetestowane w przyszłych rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych.
Czas publikacji: 09-paź-2024
