Rzeki w naturze mają określone nachylenie. Woda płynie korytem rzeki pod wpływem grawitacji. Woda na dużych wysokościach zawiera dużą ilość energii potencjalnej. Za pomocą budowli hydrotechnicznych i urządzeń elektromechanicznych energia wody może zostać przekształcona w energię elektryczną, czyli w energię wodną. Zasada wytwarzania energii wodnej opiera się na indukcji elektromagnetycznej, co oznacza, że gdy przewodnik przecina linie strumienia magnetycznego w polu magnetycznym, generuje prąd. „Ruch” przewodnika w polu magnetycznym jest osiągany przez przepływ wody uderzający w turbinę, co przekształca 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, co oznacza, że 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 urządzenia, które dostarcza 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 zadanymi kryteriami regulacji.
2. Funkcja układu wzbudzenia. Układ wzbudzenia spełnia następujące główne funkcje: (1) W normalnych warunkach pracy dostarcza prąd wzbudzenia generatora i reguluje go zgodnie z podanym prawem, uwzględniając napięcie na zaciskach generatora i warunki obciążenia, aby utrzymać stabilność napięcia. Dlaczego stabilność napięcia można utrzymać poprzez regulację prądu wzbudzenia? Istnieje przybliżona zależność między potencjałem indukowanym (tj. potencjałem jałowym) Ed uzwojenia stojana generatora, napięciem na zaciskach Ug, biernym prądem obciążenia Ir generatora i wzdłużną reaktancją synchroniczną Xd:
Indukowany potencjał Ed jest proporcjonalny do strumienia magnetycznego, a strumień magnetyczny zależy od wartości prądu wzbudzenia. Gdy prąd wzbudzenia pozostaje niezmieniony, strumień magnetyczny i indukowany potencjał Ed pozostają niezmienione. Z powyższego wzoru wynika, że napięcie na zaciskach generatora będzie maleć wraz ze wzrostem prądu biernego. Jednakże, aby spełnić wymagania użytkownika dotyczące jakości energii elektrycznej, napięcie na zaciskach generatora powinno pozostać zasadniczo niezmienione. Oczywistym sposobem na spełnienie tego wymagania jest regulacja prądu wzbudzenia generatora wraz ze zmianą prądu biernego Ir (tj. zmianą obciążenia). (2) W zależności od warunków obciążenia, prąd wzbudzenia jest regulowany zgodnie z daną regułą, aby dostosować moc bierną. Dlaczego konieczna jest regulacja mocy biernej? Wiele urządzeń elektrycznych działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej, takich jak transformatory, silniki, spawarki itp. Wszystkie one opierają się na tworzeniu zmiennego pola magnetycznego w celu przekształcania i przesyłania energii. Moc elektryczna potrzebna 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 mógł transformować napięcia, a wiele urządzeń elektrycznych nie będzie działać. Dlatego moc bierna w żadnym wypadku nie jest mocą bezużyteczną. W normalnych warunkach urządzenia elektryczne nie tylko pozyskują moc czynną z generatora, ale również muszą pozyskiwać z niego moc bierną. Jeśli moc bierna w sieci elektroenergetycznej jest niedostateczna, urządzenia elektryczne nie będą miały wystarczającej mocy biernej, aby wytworzyć normalne pole elektromagnetyczne. Wówczas urządzenia te nie będą mogły pracować z mocą znamionową, a napięcie na ich zaciskach spadnie, co wpłynie na ich normalną pracę. Dlatego konieczne jest dostosowanie mocy biernej do rzeczywistego obciążenia, a moc bierna generowana przez generator jest związana z wartością prądu wzbudzenia. Szczegółowa zasada działania 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 przekaźnikowego. (4) Gdy wystąpi 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 wystąpi zwarcie międzyfazowe lub napięcie na zaciskach generatora jest zbyt wysokie, rozmagnesowanie przeprowadza się szybko, aby ograniczyć rozszerzanie się awarii. (7) Moc bierna równoległych generatorów może być rozsądnie rozłożona.
3. Klasyfikacja układów wzbudzenia Zgodnie ze sposobem, w jaki generator uzyskuje prąd wzbudzenia (tj. metodą zasilania źródła wzbudzenia), układ wzbudzenia można podzielić na wzbudzenie zewnętrzne i samowzbudzenie: prąd wzbudzenia uzyskany z innych źródeł zasilania nazywa się wzbudzeniem zewnętrznym; prąd wzbudzenia uzyskany z samego generatora nazywa się wzbudzeniem samowzbudzeniem. Zgodnie z metodą prostowania można go podzielić na wzbudzenie obrotowe i wzbudzenie statyczne. Statyczny układ wzbudzenia nie posiada specjalnej maszyny wzbudzającej. Jeśli uzyskuje moc wzbudzenia z samego generatora, nazywa się to samowzbudzeniem statycznym. Samowzbudzenie statyczne można podzielić na wzbudzenie samorównoległe i wzbudzenie samozłożone.
Najczęściej stosowaną metodą wzbudzenia jest wzbudzenie statyczne ze wzbudzeniem samorównoległym, jak pokazano na poniższym rysunku. Pobiera ono moc wzbudzenia z transformatora prostowniczego podłączonego do wyjścia generatora i dostarcza prąd wzbudzenia generatora po wyprostowaniu.
Schemat połączeń układu wzbudzenia prostownika statycznego z wzbudzeniem równoległym
Układ wzbudzenia statycznego z samorównoległym wzbudzeniem składa się głównie z następujących podzespołów: transformatora wzbudzenia, prostownika, urządzenia rozmagnesowującego, regulatora regulacji oraz zabezpieczenia przeciwprzepięciowego. Te pięć podzespołów spełnia kolejno następujące funkcje:
(1) Transformator wzbudzenia: Zmniejsz napięcie na końcu maszyny do napięcia odpowiadającego napięciu prostownika.
(2) Prostownik: Jest to kluczowy element całego systemu. Do konwersji prądu przemiennego na prąd stały często stosuje się trójfazowy, w pełni sterowany układ mostkowy.
(3) Urządzenie demagnetyzujące: Urządzenie demagnetyzujące składa się z dwóch części: przełącznika demagnetyzującego i rezystora demagnetyzującego. Urządzenie to odpowiada za szybkie rozmagnesowanie urządzenia w razie wypadku.
(4) Regulator regulacji: Urządzenie sterujące układu wzbudzenia zmienia prąd wzbudzenia poprzez sterowanie kątem przewodzenia tyrystora urządzenia prostowniczego w celu regulacji mocy biernej i napięcia generatora.
(5) Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe: Gdy w obwodzie wirnika generatora wystąpi przepięcie, obwód zostaje włączony w celu pochłonięcia energii przepięcia, ograniczenia wartości przepięcia i ochrony uzwojenia wirnika generatora oraz podłączonego do niego sprzętu.
Zalety samorównoległego układu wzbudzenia statycznego to: prosta konstrukcja, mniej sprzętu, niskie nakłady inwestycyjne i mniejsze wymagania konserwacyjne. Wadą jest to, że gdy generator lub system jest zwarty, prąd wzbudzenia zanika lub znacznie spada, podczas gdy prąd wzbudzenia powinien być w tym czasie znacznie zwiększony (tj. wzbudzenie wymuszone). Jednakże, biorąc pod uwagę, że nowoczesne duże jednostki wykorzystują głównie zamknięte szyny zbiorcze, a sieci elektroenergetyczne wysokiego napięcia są na ogół wyposażone w szybkie zabezpieczenia 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 ze względu na ogromną bezwładność obrotową 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 początkowo spada bardzo szybko, a następnie przez długi czas pracuje on na biegu jałowym z niską prędkością. Gdy jednostka pracuje przez długi czas z niską prędkością, tuleja oporowa może się przepalić, ponieważ między płytą lustrzaną pod głowicą oporową a tuleją łożyskową nie może utworzyć się film olejowy. Z tego powodu, podczas procesu wyłączania, gdy prędkość jednostki spadnie do określonej wartości, konieczne jest uruchomienie układu hamulcowego jednostki. Hamowanie jednostki dzieli się na hamowanie elektryczne, hamowanie mechaniczne i hamowanie kombinowane. Hamowanie elektryczne polega na zwarciu stojana generatora trójfazowego na wyjściu końcowym maszyny po odłączeniu i rozmagnesowaniu generatora, a następnie odczekaniu, aż prędkość jednostki spadnie do około 50–60% prędkości znamionowej. Poprzez szereg operacji logicznych dostarczana jest moc hamowania, a regulator wzbudzenia przełącza się w tryb hamowania elektrycznego, aby dodać prąd wzbudzenia do uzwojenia wirnika generatora. Ponieważ generator obraca się, stojan indukuje prąd zwarciowy pod wpływem pola magnetycznego wirnika. Generowany moment elektromagnetyczny jest skierowany przeciwnie do kierunku bezwładności wirnika, który pełni rolę hamulca. W procesie hamowania elektrycznego, zasilanie hamulca musi być dostarczane z zewnątrz, co jest ściśle związane z główną strukturą obwodu układu wzbudzenia. Różne sposoby uzyskania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego przedstawiono na poniższym rysunku.
Różne sposoby uzyskania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego
W pierwszym przypadku, urządzenie wzbudzające wykorzystuje metodę samorównoległego okablowania wzbudzenia. W przypadku zwarcia po stronie maszyny, transformator wzbudzenia traci zasilanie. Zasilanie hamowania pochodzi z dedykowanego transformatora hamulca, który jest podłączony do sieci elektroenergetycznej. Jak wspomniano powyżej, większość projektów hydroenergetycznych wykorzystuje samorównoległy układ wzbudzenia z prostownikiem statycznym, a bardziej ekonomiczne jest zastosowanie mostka prostowniczego dla układu wzbudzenia i układu hamulca elektrycznego. Dlatego ta metoda pozyskiwania zasilania wzbudzenia hamulca elektrycznego jest bardziej powszechna. Schemat działania hamulca elektrycznego w tej metodzie jest następujący:
(1) Wyłącznik obwodu wyjścia jednostki jest otwarty, a system odłączony.
(2) Uzwojenie wirnika jest rozmagnesowane.
(3) Wyłącznik zasilania po stronie wtórnej transformatora wzbudzającego jest otwarty.
(4) Wyłącznik zwarciowy hamulca elektrycznego jednostki jest zamknięty.
(5) Wyłącznik zasilania po stronie wtórnej transformatora hamulca elektrycznego jest zamknięty.
(6) Mostek prostowniczy tyrystora zostaje wyzwolony i zaczyna przewodzić, a jednostka przechodzi w stan hamowania elektrycznego.
(7) Gdy prędkość jednostki wynosi zero, hamulec elektryczny zostaje zwolniony (jeśli stosowane jest hamowanie łączone, gdy prędkość osiągnie 5% do 10% prędkości znamionowej, stosowane jest hamowanie mechaniczne). 5. Inteligentny układ wzbudzenia Inteligentna elektrownia wodna odnosi się do elektrowni wodnej lub grupy elektrowni wodnych z digitalizacją informacji, siecią komunikacyjną, 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, wykorzystując 3-warstwową 2-sieciową strukturę 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 agregatem prądotwórczym turbiny wodnej, rozwój technologiczny układu wzbudzenia odgrywa ważną rolę wspierającą w budowie inteligentnych elektrowni wodnych.
W inteligentnych elektrowniach wodnych, oprócz wykonywania podstawowych zadań, takich jak uruchamianie i zatrzymywanie turbozespołu, zwiększanie i zmniejszanie mocy biernej oraz wyłączanie awaryjne, układ wzbudzenia powinien również spełniać funkcje modelowania danych i komunikacji zgodne z normą IEC61850 oraz obsługiwać komunikację z siecią warstwy sterowania stacji (sieć MMS) i siecią warstwy procesowej (sieć GOOSE i sieć SV). Urządzenie układu wzbudzenia jest umieszczone na warstwie jednostkowej struktury systemu inteligentnej elektrowni wodnej, a jednostka scalająca, inteligentny terminal, pomocnicza jednostka sterująca i inne urządzenia lub urządzenia inteligentne są umieszczone na warstwie procesowej. Strukturę systemu przedstawiono na poniższym rysunku.
Inteligentny system wzbudzania
Komputer-gospodarz warstwy sterowania stacją inteligentnej elektrowni wodnej spełnia wymagania standardu komunikacyjnego IEC61850 i przesyła sygnał z 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 sieci SV w celu gromadzenia danych w warstwie procesowej. Warstwa procesowa wymaga, aby dane wyjściowe z przekładników prądowych (CT), przekładników napięciowych (PT) i komponentów lokalnych były w formie cyfrowej. Przekładniki prądowe (CT) i przekładniki napięciowe (PT) są podłączone do jednostki scalającej (transformatory elektroniczne są połączone światłowodami, a transformatory elektromagnetyczne kablami). Po digitalizacji danych prądowych i napięciowych są one podłączane do przełącznika sieci SV za pośrednictwem światłowodów. Komponenty lokalne muszą być połączone z inteligentnym terminalem za pośrednictwem kabli, a sygnały z przełączników lub sygnały analogowe są konwertowane na sygnały cyfrowe i przesyłane do przełącznika sieci GOOSE za pośrednictwem światłowodów. Obecnie układ wzbudzenia pełni zasadniczo funkcję komunikacji z siecią MMS warstwy sterowania stacją i siecią GOOSE/SV warstwy procesowej. Oprócz zapewnienia interakcji informacji sieciowych zgodnie ze standardem komunikacyjnym IEC61850, inteligentny system wzbudzenia powinien również zapewniać kompleksowy monitoring online, inteligentną diagnostykę błędów oraz wygodną obsługę testową i konserwację. Wydajność i skuteczność w pełni funkcjonalnego inteligentnego układu wzbudzenia muszą zostać przetestowane w przyszłych rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych.
Czas publikacji: 09.10.2024
