Os rios na natureza têm uma certa inclinação. A água flui ao longo do leito do rio sob a ação da gravidade. A água em grandes altitudes contém energia potencial abundante. Com a ajuda de estruturas hidráulicas e equipamentos eletromecânicos, a energia da água pode ser convertida em energia elétrica, ou seja, geração de energia hidrelétrica. O princípio da geração de energia hidrelétrica é a nossa indução eletromagnética, ou seja, quando um condutor corta as linhas de fluxo magnético em um campo magnético, ele irá gerar corrente. Entre eles, o "movimento" do condutor no campo magnético é alcançado pelo fluxo de água impactando a turbina para converter a energia da água em energia mecânica rotacional; e o campo magnético é quase sempre formado pela corrente de excitação gerada pelo sistema de excitação que flui através do enrolamento do rotor do gerador, ou seja, o magnetismo é gerado pela eletricidade.
1. O que é o sistema de excitação? Para realizar a conversão de energia, o gerador síncrono precisa de um campo magnético CC, e a corrente CC que gera esse campo magnético é chamada de corrente de excitação do gerador. Geralmente, o processo de formação de um campo magnético no rotor do gerador, de acordo com o princípio da indução eletromagnética, é chamado de excitação. O sistema de excitação refere-se ao equipamento que fornece corrente de excitação para o gerador síncrono. É uma parte importante do gerador síncrono. Geralmente consiste em duas partes principais: a unidade de potência de excitação e o regulador de excitação. A unidade de potência de excitação fornece corrente de excitação ao rotor do gerador síncrono, e o regulador de excitação controla a saída da unidade de potência de excitação de acordo com o sinal de entrada e os critérios de regulação fornecidos.
2. Função do sistema de excitação O sistema de excitação tem as seguintes funções principais: (1) Em condições normais de operação, fornece a corrente de excitação do gerador e ajusta a corrente de excitação de acordo com a lei dada, de acordo com a tensão terminal do gerador e as condições de carga, para manter a estabilidade da tensão. Por que a estabilidade da tensão pode ser mantida ajustando a corrente de excitação? Existe uma relação aproximada entre o potencial induzido (ou seja, potencial sem carga) Ed do enrolamento do estator do gerador, a tensão terminal Ug, a corrente de carga reativa Ir do gerador e a reatância síncrona longitudinal Xd:
O potencial induzido Ed é proporcional ao fluxo magnético, e o fluxo magnético depende da magnitude da corrente de excitação. Quando a corrente de excitação permanece inalterada, o fluxo magnético e o potencial induzido Ed permanecem inalterados. A partir da fórmula acima, pode-se observar que a tensão terminal do gerador diminuirá com o aumento da corrente reativa. No entanto, para atender aos requisitos de qualidade de energia do usuário, a tensão terminal do gerador deve permanecer basicamente inalterada. Obviamente, a maneira de atender a esse requisito é ajustar a corrente de excitação do gerador conforme a corrente reativa Ir muda (ou seja, a carga muda). (2) De acordo com as condições de carga, a corrente de excitação é ajustada de acordo com uma determinada regra para ajustar a potência reativa. Por que é necessário ajustar a potência reativa? Muitos equipamentos elétricos funcionam com base no princípio da indução eletromagnética, como transformadores, motores, máquinas de solda, etc. Todos eles dependem do estabelecimento de um campo magnético alternado para converter e transferir energia. A potência elétrica necessária para estabelecer um campo magnético alternado e o fluxo magnético induzido é chamada de potência reativa. Todos os equipamentos elétricos com bobinas eletromagnéticas consomem energia reativa para estabelecer um campo magnético. Sem energia reativa, o motor não gira, o transformador não consegue transformar a tensão e muitos equipamentos elétricos não funcionam. Portanto, a energia reativa não é de forma alguma inútil. Em circunstâncias normais, os equipamentos elétricos não apenas obtêm energia ativa do gerador, mas também precisam obter energia reativa do gerador. Se a energia reativa na rede elétrica estiver em falta, o equipamento elétrico não terá energia reativa suficiente para estabelecer um campo eletromagnético normal. Então, esses equipamentos elétricos não conseguem manter a operação nominal, e a tensão terminal do equipamento elétrico cai, afetando assim a operação normal do equipamento elétrico. Portanto, é necessário ajustar a energia reativa de acordo com a carga real, e a saída de energia reativa do gerador está relacionada à magnitude da corrente de excitação. O princípio específico não será elaborado aqui. (3) Quando ocorre um acidente de curto-circuito no sistema de energia ou outros motivos causam uma queda séria na tensão do terminal do gerador, o gerador pode ser excitado à força para melhorar o limite de estabilidade dinâmica do sistema de energia e a precisão da ação de proteção do relé. (4) Quando ocorre sobretensão do gerador devido a queda repentina de carga e outros motivos, o gerador pode ser desmagnetizado à força para limitar o aumento excessivo da tensão do terminal do gerador. (5) Melhora a estabilidade estática do sistema de energia. (6) Quando ocorre um curto-circuito fase-fase dentro do gerador e em seus fios condutores ou a tensão do terminal do gerador é muito alta, a desmagnetização é realizada rapidamente para limitar a expansão do acidente. (7) A potência reativa dos geradores paralelos pode ser distribuída de forma razoável.
3. Classificação dos sistemas de excitação De acordo com a forma como o gerador obtém a corrente de excitação (ou seja, o método de alimentação da fonte de alimentação de excitação), o sistema de excitação pode ser dividido em excitação externa e autoexcitação: a corrente de excitação obtida de outras fontes de alimentação é chamada de excitação externa; a corrente de excitação obtida do próprio gerador é chamada de autoexcitação. De acordo com o método de retificação, pode ser dividido em excitação rotativa e excitação estática. O sistema de excitação estática não possui uma máquina de excitação especial. Se obtiver a potência de excitação do próprio gerador, é chamado de excitação estática de autoexcitação. A excitação estática de autoexcitação pode ser dividida em excitação autoparalela e excitação autocomposta.
O método de excitação mais comumente utilizado é a excitação estática autoparalela, conforme mostrado na figura abaixo. Ela obtém a potência de excitação por meio do transformador retificador conectado à saída do gerador e fornece a corrente de excitação do gerador após a retificação.
Diagrama de fiação do sistema de excitação do retificador estático de excitação autoparalela
O sistema de excitação estática autoparalela consiste principalmente nas seguintes partes: transformador de excitação, retificador, dispositivo de desmagnetização, controlador de regulação e dispositivo de proteção contra sobretensão. Essas cinco partes desempenham, respectivamente, as seguintes funções:
(1) Transformador de excitação: reduza a tensão na extremidade da máquina para uma tensão correspondente ao retificador.
(2) Retificador: É o componente central de todo o sistema. Um circuito de ponte trifásico totalmente controlado é frequentemente utilizado para completar a tarefa de conversão de CA para CC.
(3) Dispositivo de desmagnetização: O dispositivo de desmagnetização consiste em duas partes: o interruptor de desmagnetização e o resistor de desmagnetização. Este dispositivo é responsável pela desmagnetização rápida da unidade em caso de acidente.
(4) Controlador de regulação: O dispositivo de controle do sistema de excitação altera a corrente de excitação controlando o ângulo de condução do tiristor do dispositivo retificador para obter o efeito de regular a potência reativa e a tensão do gerador.
(5) Proteção contra sobretensão: quando o circuito do rotor do gerador apresenta sobretensão, o circuito é ligado para consumir a energia de sobretensão, limitar o valor de sobretensão e proteger o enrolamento do rotor do gerador e seus equipamentos conectados.
As vantagens do sistema de excitação estática autoparalela são: estrutura simples, menos equipamentos, baixo investimento e menos manutenção. A desvantagem é que, quando o gerador ou sistema está em curto-circuito, a corrente de excitação desaparece ou cai drasticamente, enquanto a corrente de excitação deve ser bastante aumentada (ou seja, excitação forçada) neste momento. No entanto, considerando que as grandes unidades modernas usam principalmente barramentos fechados e as redes elétricas de alta tensão são geralmente equipadas com proteção rápida e alta confiabilidade, o número de unidades que usam esse método de excitação está aumentando, e este também é o método de excitação recomendado por regulamentos e especificações. 4. Frenagem elétrica da unidade Quando a unidade é descarregada e desligada, uma parte da energia mecânica é armazenada devido à enorme inércia rotacional do rotor. Essa parte da energia só pode ser completamente interrompida após ser convertida em energia térmica de atrito do mancal de encosto, mancal de guia e ar. Como a perda de atrito do ar é proporcional ao quadrado da velocidade linear da circunferência, a velocidade do rotor cai muito rapidamente no início e, em seguida, ele fica em marcha lenta por um longo tempo em baixa velocidade. Quando a unidade opera em baixa velocidade por um longo período, a bucha de encosto pode queimar devido à impossibilidade de formação da película de óleo entre a placa espelhada sob a cabeça de encosto e a bucha do mancal. Por esse motivo, durante o processo de desligamento, quando a velocidade da unidade cai para um determinado valor especificado, o sistema de frenagem da unidade precisa ser acionado. A frenagem da unidade é dividida em frenagem elétrica, frenagem mecânica e frenagem combinada. A frenagem elétrica consiste em curto-circuitar o estator do gerador trifásico na saída da extremidade da máquina após o gerador ser desacoplado e desmagnetizado, aguardando que a velocidade da unidade caia para cerca de 50% a 60% da velocidade nominal. Por meio de uma série de operações lógicas, a potência de frenagem é fornecida e o regulador de excitação muda para o modo de frenagem elétrica para adicionar corrente de excitação ao enrolamento do rotor do gerador. Como o gerador está girando, o estator induz uma corrente de curto-circuito sob a ação do campo magnético do rotor. O torque eletromagnético gerado é exatamente oposto à direção inercial do rotor, que desempenha um papel de frenagem. No processo de implementação da frenagem elétrica, a alimentação de energia da frenagem precisa ser fornecida externamente, o que está intimamente relacionado à estrutura do circuito principal do sistema de excitação. Diversas maneiras de obter a alimentação de energia da excitação do freio elétrico são mostradas na figura abaixo.
Várias maneiras de obter a alimentação de excitação do freio elétrico
No primeiro caso, o dispositivo de excitação utiliza um método de fiação de excitação autoparalela. Quando a extremidade da máquina está em curto-circuito, o transformador de excitação fica sem alimentação. A alimentação de frenagem vem de um transformador de freio dedicado, que é conectado à energia da usina. Como mencionado anteriormente, a maioria dos projetos hidrelétricos utiliza um sistema de excitação retificador estático de excitação autoparalela, sendo mais econômico usar uma ponte retificadora para o sistema de excitação e o sistema de freio elétrico. Portanto, esse método de obtenção da alimentação de excitação do freio elétrico é mais comum. O fluxo de trabalho de frenagem elétrica desse método é o seguinte:
(1) O disjuntor de saída da unidade é aberto e o sistema é desacoplado.
(2) O enrolamento do rotor é desmagnetizado.
(3) O interruptor de alimentação no lado secundário do transformador de excitação é aberto.
(4) O interruptor de curto-circuito do freio elétrico da unidade está fechado.
(5) O interruptor de alimentação no lado secundário do transformador do freio elétrico está fechado.
(6) O tiristor da ponte retificadora é acionado para conduzir e a unidade entra no estado de freio elétrico.
(7) Quando a velocidade da unidade é zero, o freio elétrico é liberado (se a frenagem combinada for usada, quando a velocidade atingir 5% a 10% da velocidade nominal, a frenagem mecânica será aplicada). 5. Sistema de excitação inteligente Usina hidrelétrica inteligente refere-se a uma usina hidrelétrica ou grupo de estações hidrelétricas com digitalização de informações, rede de comunicação, padronização integrada, interação comercial, otimização de operação e tomada de decisão inteligente. As usinas hidrelétricas inteligentes são divididas verticalmente em camada de processo, camada de unidade e camada de controle da estação, usando uma estrutura de rede de 3 camadas e 2 redes de rede de camada de processo (rede GOOSE, rede SV) e rede de camada de controle da estação (rede MMS). As usinas hidrelétricas inteligentes precisam ser suportadas por equipamentos inteligentes. Como o sistema de controle central do conjunto gerador de turbina hidráulica, o desenvolvimento tecnológico do sistema de excitação desempenha um importante papel de suporte na construção de usinas hidrelétricas inteligentes.
Em usinas hidrelétricas inteligentes, além de realizar tarefas básicas como partida e parada do grupo gerador da turbina, aumento e redução da potência reativa e desligamento de emergência, o sistema de excitação também deve atender às funções de modelagem de dados e comunicação da IEC61850, além de suportar a comunicação com a rede da camada de controle da estação (rede MMS) e a rede da camada de processo (rede GOOSE e rede SV). O dispositivo do sistema de excitação é disposto na camada de unidade da estrutura do sistema da usina hidrelétrica inteligente, e a unidade de fusão, o terminal inteligente, a unidade de controle auxiliar e outros dispositivos ou equipamentos inteligentes são dispostos na camada de processo. A estrutura do sistema é mostrada na figura abaixo.
Sistema de excitação inteligente
O computador host da camada de controle da estação da usina hidrelétrica inteligente atende aos requisitos da norma de comunicação IEC61850 e envia o sinal do sistema de excitação para o computador host do sistema de monitoramento por meio da rede MMS. O sistema de excitação inteligente deve ser capaz de se conectar à rede GOOSE e aos switches da rede SV para coletar dados na camada de processo. A camada de processo exige que os dados emitidos pelos TCs, TPs e componentes locais sejam todos digitais. Os TCs e TPs são conectados à unidade de junção (os transformadores eletrônicos são conectados por cabos ópticos e os transformadores eletromagnéticos são conectados por cabos). Após a digitalização dos dados de corrente e tensão, eles são conectados ao switch da rede SV por meio de cabos ópticos. Os componentes locais precisam ser conectados ao terminal inteligente por meio de cabos, e os sinais analógicos ou dos switches são convertidos em sinais digitais e transmitidos ao switch da rede GOOSE por meio de cabos ópticos. Atualmente, o sistema de excitação tem basicamente a função de comunicação com a rede MMS da camada de controle da estação e com a rede GOOSE/SV da camada de processo. Além de atender à interação de informações de rede do padrão de comunicação IEC61850, o sistema de excitação inteligente também deve contar com monitoramento online abrangente, diagnóstico inteligente de falhas e operação e manutenção de teste convenientes. O desempenho e o efeito da aplicação do dispositivo de excitação inteligente totalmente funcional precisam ser testados em futuras aplicações reais de engenharia.
Horário da postagem: 09/10/2024
