Toate râurile din natură au o anumită pantă. Apa curge de-a lungul albiei sub acțiunea gravitației. Apa la altitudini mari conține o energie potențială abundentă. Cu ajutorul structurilor hidraulice și al echipamentelor electromecanice, energia apei poate fi convertită în energie electrică, adică în generarea de energie hidroelectrică. Principiul generării de energie hidroelectrică este inducția electromagnetică, adică atunci când un conductor taie liniile de flux magnetic într-un câmp magnetic, acesta va genera curent. Printre acestea, „mișcarea” conductorului în câmpul magnetic se realizează prin impactul fluxului de apă asupra turbinei pentru a converti energia apei în energie mecanică de rotație; iar câmpul magnetic este aproape întotdeauna format de curentul de excitație generat de sistemul de excitație care curge prin înfășurarea rotorului generatorului, adică magnetismul este generat de electricitate.
1. Ce este sistemul de excitație? Pentru a realiza conversia energiei, generatorul sincron are nevoie de un câmp magnetic de curent continuu, iar curentul continuu care generează acest câmp magnetic se numește curent de excitație al generatorului. În general, procesul de formare a unui câmp magnetic în rotorul generatorului conform principiului inducției electromagnetice se numește excitație. Sistemul de excitație se referă la echipamentul care furnizează curent de excitație pentru generatorul sincron. Este o parte importantă a generatorului sincron. În general, este alcătuit din două părți principale: unitatea de putere de excitație și regulatorul de excitație. Unitatea de putere de excitație furnizează curent de excitație rotorului generatorului sincron, iar regulatorul de excitație controlează ieșirea unității de putere de excitație în funcție de semnalul de intrare și de criteriile de reglare date.
2. Funcția sistemului de excitație Sistemul de excitație are următoarele funcții principale: (1) În condiții normale de funcționare, furnizează curentul de excitație al generatorului și ajustează curentul de excitație conform legii date, în funcție de tensiunea la bornele generatorului și de condițiile de sarcină, pentru a menține stabilitatea tensiunii. De ce poate fi menținută stabilitatea tensiunii prin ajustarea curentului de excitație? Există o relație aproximativă între potențialul indus (adică potențialul fără sarcină) Ed al înfășurării statorului generatorului, tensiunea la bornele Ug, curentul reactiv de sarcină Ir al generatorului și reactanța sincronă longitudinală Xd:
Potențialul indus Ed este proporțional cu fluxul magnetic, iar fluxul magnetic depinde de magnitudinea curentului de excitație. Când curentul de excitație rămâne neschimbat, fluxul magnetic și potențialul indus Ed rămân neschimbate. Din formula de mai sus, se poate observa că tensiunea la bornele generatorului va scădea odată cu creșterea curentului reactiv. Cu toate acestea, pentru a satisface cerințele utilizatorului privind calitatea energiei, tensiunea la bornele generatorului ar trebui să rămână practic neschimbată. Evident, modalitatea de a atinge această cerință este de a ajusta curentul de excitație al generatorului pe măsură ce curentul reactiv Ir se modifică (adică sarcina se modifică). (2) În funcție de condițiile de sarcină, curentul de excitație este ajustat conform unei reguli date pentru a ajusta puterea reactivă. De ce este necesară ajustarea puterii reactive? Multe echipamente electrice funcționează pe principiul inducției electromagnetice, cum ar fi transformatoarele, motoarele, mașinile de sudură etc. Toate se bazează pe stabilirea unui câmp magnetic alternativ pentru a converti și transfera energia. Energia electrică necesară pentru a stabili un câmp magnetic alternativ și un flux magnetic indus se numește putere reactivă. Toate echipamentele electrice cu bobine electromagnetice consumă putere reactivă pentru a stabili un câmp magnetic. Fără putere reactivă, motorul nu se va roti, transformatorul nu va putea transforma tensiunea și multe echipamente electrice nu vor funcționa. Prin urmare, puterea reactivă nu este nicidecum o putere inutilă. În circumstanțe normale, echipamentele electrice nu numai că obțin putere activă de la generator, dar trebuie să obțină și putere reactivă de la generator. Dacă puterea reactivă din rețeaua electrică este insuficientă, echipamentele electrice nu vor avea suficientă putere reactivă pentru a stabili un câmp electromagnetic normal. Atunci aceste echipamente electrice nu pot menține funcționarea nominală, iar tensiunea la bornele echipamentului electric va scădea, afectând astfel funcționarea normală a echipamentului electric. Prin urmare, este necesar să se ajusteze puterea reactivă în funcție de sarcina reală, iar puterea reactivă produsă de generator este legată de magnitudinea curentului de excitație. Principiul specific nu va fi elaborat aici. (3) Când apare un accident de scurtcircuit în sistemul energetic sau alte motive determină o scădere semnificativă a tensiunii la bornele generatorului, generatorul poate fi excitat forțat pentru a îmbunătăți limita de stabilitate dinamică a sistemului energetic și precizia acțiunii de protecție a releului. (4) Când apare supratensiunea generatorului din cauza unei deleții bruște de sarcină și a altor motive, generatorul poate fi demagnetizat forțat pentru a limita creșterea excesivă a tensiunii la bornele generatorului. (5) Îmbunătățirea stabilității statice a sistemului de alimentare. (6) Când apare un scurtcircuit fază-fază în interiorul generatorului și pe firele sale de conectare sau tensiunea la bornele generatorului este prea mare, demagnetizarea se efectuează rapid pentru a limita extinderea accidentului. (7) Puterea reactivă a generatoarelor paralele poate fi distribuită în mod rezonabil.
3. Clasificarea sistemelor de excitație În funcție de modul în care generatorul obține curentul de excitație (adică metoda de alimentare a sursei de excitație), sistemul de excitație poate fi împărțit în excitație externă și autoexcitație: curentul de excitație obținut de la alte surse de alimentare se numește excitație externă; curentul de excitație obținut de la generatorul însuși se numește autoexcitație. Conform metodei de rectificare, acesta poate fi împărțit în excitație rotativă și excitație statică. Sistemul de excitație statică nu are o mașină de excitație specială. Dacă obține puterea de excitație de la generatorul însuși, se numește excitație statică cu autoexcitație. Excitația statică cu autoexcitație poate fi împărțită în excitație autoparalelă și excitație cu autocompunere.
Cea mai frecvent utilizată metodă de excitație este excitația statică cu auto-excitație în paralel, așa cum se arată în figura de mai jos. Aceasta obține puterea de excitație prin transformatorul redresor conectat la priza generatorului și furnizează curentul de excitație al generatorului după rectificare.
Schema de conectare a sistemului de excitație cu redresor static cu excitație autoparalelă
Sistemul de excitație statică cu auto-excitație în paralel este alcătuit în principal din următoarele părți: transformator de excitație, redresor, dispozitiv de demagnetizare, controler de reglare și dispozitiv de protecție la supratensiune. Aceste cinci părți îndeplinesc, respectiv, următoarele funcții:
(1) Transformator de excitație: Reduceți tensiunea la capătul mașinii la o tensiune care se potrivește cu redresorul.
(2) Redresor: Este componenta centrală a întregului sistem. Un circuit trifazat în punte complet controlată este adesea utilizat pentru a finaliza sarcina de conversie de la curent alternativ la curent continuu.
(3) Dispozitiv de demagnetizare: Dispozitivul de demagnetizare este alcătuit din două părți, și anume comutatorul de demagnetizare și rezistența de demagnetizare. Acest dispozitiv este responsabil pentru demagnetizarea rapidă a unității în caz de accident.
(4) Regulator de reglare: Dispozitivul de control al sistemului de excitație modifică curentul de excitație prin controlul unghiului de conducție al tiristorului dispozitivului redresor pentru a obține efectul de reglare a puterii reactive și a tensiunii generatorului.
(5) Protecție la supratensiune: Când circuitul rotorului generatorului prezintă o supratensiune, circuitul este pornit pentru a consuma energia de supratensiune, a limita valoarea supratensiunii și a proteja înfășurarea rotorului generatorului și echipamentul conectat la acesta.
Avantajele sistemului de excitație statică cu auto-excitație paralelă sunt: structură simplă, echipamente reduse, investiții reduse și întreținere redusă. Dezavantajul este că, atunci când generatorul sau sistemul este scurtcircuitat, curentul de excitație va dispărea sau va scădea considerabil, în timp ce curentul de excitație ar trebui să crească considerabil (adică excitație forțată) în acest moment. Cu toate acestea, având în vedere că unitățile mari moderne utilizează în mare parte bare colectoare închise, iar rețelele electrice de înaltă tensiune sunt în general echipate cu protecție rapidă și fiabilitate ridicată, numărul unităților care utilizează această metodă de excitație este în creștere, aceasta fiind și metoda de excitație recomandată de reglementări și specificații. 4. Frânarea electrică a unității Când unitatea este descărcată și oprită, o parte din energia mecanică este stocată datorită inerției de rotație uriașe a rotorului. Această parte a energiei poate fi oprită complet doar după ce este transformată în energie termică prin frecare a rulmentului axial, a rulmentului de ghidare și a aerului. Deoarece pierderea prin frecare a aerului este proporțională cu pătratul vitezei liniare a circumferinței, viteza rotorului scade foarte repede la început, apoi va funcționa în gol pentru o perioadă lungă de timp la o viteză mică. Când unitatea funcționează pentru o perioadă lungă de timp la o viteză redusă, bucșa de împingere se poate arde deoarece pelicula de ulei dintre placa oglinzii de sub capul de împingere și bucșa lagărului nu se poate forma. Din acest motiv, în timpul procesului de oprire, când viteza unității scade la o anumită valoare specificată, sistemul de frânare al unității trebuie pus în funcțiune. Frânarea unității este împărțită în frânare electrică, frânare mecanică și frânare combinată. Frânarea electrică constă în scurtcircuitarea statorului generatorului trifazat la ieșirea din capătul mașinii după ce generatorul este decuplat și demagnetizat și așteptarea ca viteza unității să scadă la aproximativ 50% până la 60% din viteza nominală. Printr-o serie de operații logice, se furnizează puterea de frânare, iar regulatorul de excitație trece în modul de frânare electrică pentru a adăuga curent de excitație la înfășurarea rotorului generatorului. Deoarece generatorul se rotește, statorul induce un curent de scurtcircuit sub acțiunea câmpului magnetic al rotorului. Cuplul electromagnetic generat este exact opus direcției de inerție a rotorului, care joacă un rol de frânare. În procesul de realizare a frânării electrice, alimentarea cu energie a frânării trebuie să fie furnizată extern, ceea ce este strâns legat de structura circuitului principal al sistemului de excitație. Diverse modalități de obținere a alimentării cu energie a excitației frânei electrice sunt prezentate în figura de mai jos.
Diverse modalități de a obține alimentarea cu energie a excitației frânei electrice
În primul caz, dispozitivul de excitație este o metodă de cablare a excitației în autoparalel. Când capătul mașinii este scurtcircuitat, transformatorul de excitație nu are alimentare. Alimentarea cu energie electrică pentru frânare provine de la un transformator de frână dedicat, iar transformatorul de frână este conectat la alimentarea centralei. După cum s-a menționat mai sus, majoritatea proiectelor hidroenergetice utilizează un sistem de excitație cu redresor static cu excitație în autoparalel și este mai economic să se utilizeze o punte redresoare pentru sistemul de excitație și sistemul de frânare electrică. Prin urmare, această metodă de obținere a alimentării cu energie electrică pentru excitația frânei electrice este mai comună. Fluxul de lucru pentru frânarea electrică în cadrul acestei metode este următorul:
(1) Întrerupătorul de circuit al prizei unității este deschis, iar sistemul este decuplat.
(2) Înfășurarea rotorului este demagnetizată.
(3) Întrerupătorul de alimentare de pe partea secundară a transformatorului de excitație este deschis.
(4) Întrerupătorul de scurtcircuit al frânei electrice a unității este închis.
(5) Întrerupătorul de alimentare de pe partea secundară a transformatorului electric de frână este închis.
(6) Tiristorul punții redresoare este declanșat pentru a conduce, iar unitatea intră în starea de frână electrică.
(7) Când viteza unității este zero, frâna electrică este eliberată (dacă se utilizează frânarea combinată, când viteza atinge 5% până la 10% din viteza nominală, se aplică frânarea mecanică). 5. Sistem inteligent de excitație Centrala hidroelectrică inteligentă se referă la o centrală hidroelectrică sau un grup de centrale hidroelectrice cu digitalizare a informațiilor, rețea de comunicații, standardizare integrată, interacțiune comercială, optimizare a funcționării și luare inteligentă a deciziilor. Centralele hidroelectrice inteligente sunt împărțite vertical în strat de proces, strat de unitate și strat de control al stației, utilizând o structură de rețea cu 3 straturi și 2 rețele: rețea de strat de proces (rețea GOOSE, rețea SV) și rețea de strat de control al stației (rețea MMS). Centralele hidroelectrice inteligente trebuie să fie susținute de echipamente inteligente. Fiind sistemul de control central al grupului hidrogenerator, dezvoltarea tehnologică a sistemului de excitație joacă un rol important de sprijin în construcția centralelor hidroelectrice inteligente.
În centralele hidroelectrice inteligente, pe lângă îndeplinirea sarcinilor de bază, cum ar fi pornirea și oprirea grupului turbinei-generator, creșterea și scăderea puterii reactive și oprirea de urgență, sistemul de excitație ar trebui să poată îndeplini și funcțiile de modelare a datelor și comunicare conform standardului IEC61850 și să suporte comunicarea cu rețeaua stratului de control al stației (rețeaua MMS) și rețeaua stratului de proces (rețeaua GOOSE și rețeaua SV). Dispozitivul sistemului de excitație este amplasat la nivelul unității al structurii sistemului centralei hidroelectrice inteligente, iar unitatea de îmbinare, terminalul inteligent, unitatea de control auxiliară și alte dispozitive sau echipamente inteligente sunt amplasate la nivelul de proces. Structura sistemului este prezentată în figura de mai jos.
Sistem inteligent de excitație
Calculatorul gazdă al nivelului de control al stației centralei hidroelectrice inteligente îndeplinește cerințele standardului de comunicație IEC61850 și trimite semnalul sistemului de excitație către computerul gazdă al sistemului de monitorizare prin rețeaua MMS. Sistemul inteligent de excitație ar trebui să se poată conecta la rețeaua GOOSE și la comutatoarele de rețea SV pentru a colecta date la nivelul de proces. Nivelul de proces necesită ca datele transmise de transformatorul de curent (CT), transformatorul de transformator (PT) și componentele locale să fie toate în format digital. Transformatorul de curent (CT) și transformatorul de transformator (PT) sunt conectate la unitatea de îmbinare (transformatoarele electronice sunt conectate prin cabluri optice, iar transformatoarele electromagnetice sunt conectate prin cabluri). După ce datele de curent și tensiune sunt digitalizate, acestea sunt conectate la comutatorul de rețea SV prin cabluri optice. Componentele locale trebuie conectate la terminalul inteligent prin cabluri, iar semnalele comutatorului sau analogice sunt convertite în semnale digitale și transmise către comutatorul de rețea GOOSE prin cabluri optice. În prezent, sistemul de excitație are practic funcția de comunicare cu rețeaua MMS a nivelului de control al stației și cu rețeaua GOOSE/SV a nivelului de proces. Pe lângă respectarea standardului de comunicare IEC61850 privind interacțiunea cu informațiile de rețea, sistemul inteligent de excitație ar trebui să dispună și de monitorizare online completă, diagnosticare inteligentă a defecțiunilor și operare și întreținere de testare convenabile. Performanța și efectul aplicației dispozitivului inteligent de excitație complet funcțional trebuie testate în viitoarele aplicații inginerești reale.
Data publicării: 09 oct. 2024
