Реки в природе все имеют определенный уклон. Вода течет по руслу реки под действием силы тяжести. Вода на больших высотах содержит обильную потенциальную энергию. С помощью гидротехнических сооружений и электромеханического оборудования энергия воды может быть преобразована в электрическую энергию, то есть выработка гидроэнергии. Принцип выработки гидроэнергии - наша электромагнитная индукция, то есть, когда проводник пересекает линии магнитного потока в магнитном поле, он будет генерировать ток. Среди них, «движение» проводника в магнитном поле достигается за счет того, что поток воды воздействует на турбину для преобразования энергии воды во вращательную механическую энергию; а магнитное поле почти всегда образовано током возбуждения, генерируемым системой возбуждения, протекающей через обмотку ротора генератора, то есть магнетизм генерируется электричеством.
1. Что такое система возбуждения? Для реализации преобразования энергии синхронному генератору необходимо постоянное магнитное поле, а постоянный ток, который генерирует это магнитное поле, называется током возбуждения генератора. Обычно процесс формирования магнитного поля в роторе генератора по принципу электромагнитной индукции называется возбуждением. Система возбуждения относится к оборудованию, которое обеспечивает ток возбуждения для синхронного генератора. Это важная часть синхронного генератора. Обычно она состоит из двух основных частей: блока питания возбуждения и регулятора возбуждения. Блок питания возбуждения обеспечивает ток возбуждения ротора синхронного генератора, а регулятор возбуждения управляет выходом блока питания возбуждения в соответствии с входным сигналом и заданными критериями регулирования.
2. Функция системы возбуждения Система возбуждения имеет следующие основные функции: (1) В нормальных рабочих условиях она подает ток возбуждения генератора и регулирует ток возбуждения по заданному закону в соответствии с напряжением на клеммах генератора и условиями нагрузки для поддержания стабильности напряжения. Почему стабильность напряжения может поддерживаться путем регулирования тока возбуждения? Существует приблизительное соотношение между индуцированным потенциалом (т.е. потенциалом холостого хода) Ed обмотки статора генератора, напряжением на клеммах Ug, реактивным током нагрузки Ir генератора и продольным синхронным реактивным сопротивлением Xd:
Индуцированный потенциал Ed пропорционален магнитному потоку, а магнитный поток зависит от величины тока возбуждения. Когда ток возбуждения остается неизменным, магнитный поток и индуцированный потенциал Ed остаются неизменными. Из приведенной выше формулы видно, что напряжение на клеммах генератора будет уменьшаться с увеличением реактивного тока. Однако для того, чтобы удовлетворить требования пользователя к качеству электроэнергии, напряжение на клеммах генератора должно оставаться в основном неизменным. Очевидно, что способ достижения этого требования заключается в регулировке тока возбуждения генератора по мере изменения реактивного тока Ir (то есть изменения нагрузки). (2) В соответствии с условиями нагрузки ток возбуждения регулируется в соответствии с заданным правилом для регулировки реактивной мощности. Почему необходимо регулировать реактивную мощность? Многие электроприборы работают на основе принципа электромагнитной индукции, такие как трансформаторы, двигатели, сварочные аппараты и т. д. Все они полагаются на создание переменного магнитного поля для преобразования и передачи энергии. Электрическая мощность, необходимая для создания переменного магнитного поля и индуцированного магнитного потока, называется реактивной мощностью. Все электрооборудование с электромагнитными катушками потребляет реактивную мощность для создания магнитного поля. Без реактивной мощности двигатель не будет вращаться, трансформатор не сможет преобразовывать напряжение, и многие электроприборы не будут работать. Поэтому реактивная мощность ни в коем случае не является бесполезной мощностью. При нормальных обстоятельствах электрооборудование не только получает активную мощность от генератора, но и должно получать реактивную мощность от генератора. Если реактивной мощности в электросети недостаточно, электрооборудование не будет иметь достаточной реактивной мощности для создания нормального электромагнитного поля. Тогда это электрооборудование не сможет поддерживать номинальную работу, и напряжение на клеммах электрооборудования упадет, тем самым влияя на нормальную работу электрооборудования. Поэтому необходимо регулировать реактивную мощность в соответствии с фактической нагрузкой, а выходная реактивная мощность генератора связана с величиной тока возбуждения. Конкретный принцип здесь не будет подробно изложен. (3) Когда в энергосистеме происходит авария короткого замыкания или другие причины приводят к серьезному падению напряжения на клеммах генератора, генератор можно принудительно возбудить, чтобы улучшить предел динамической устойчивости энергосистемы и точность действия релейной защиты. (4) Когда перенапряжение генератора происходит из-за внезапного сброса нагрузки и других причин, генератор можно принудительно размагнитить, чтобы ограничить чрезмерное увеличение напряжения на клеммах генератора. (5) Улучшить статическую устойчивость энергосистемы. (6) Когда внутри генератора и на его выводных проводах происходит короткое замыкание между фазами или напряжение на клеммах генератора слишком высокое, размагничивание выполняется быстро, чтобы ограничить распространение аварии. (7) Реактивная мощность параллельных генераторов может быть разумно распределена.
3. Классификация систем возбуждения По способу получения генератором тока возбуждения (то есть по способу подачи источника питания возбуждения) системы возбуждения можно разделить на внешнее возбуждение и самовозбуждение: ток возбуждения, полученный от других источников питания, называется внешним возбуждением; ток возбуждения, полученный от самого генератора, называется самовозбуждением. По способу выпрямления его можно разделить на роторное возбуждение и статическое возбуждение. Статическая система возбуждения не имеет специальной машины возбуждения. Если она получает мощность возбуждения от самого генератора, она называется статическим возбуждением самовозбуждения. Статическое возбуждение самовозбуждения можно разделить на самопараллельное возбуждение и самокомпаундное возбуждение.
Наиболее часто используемый метод возбуждения - это статическое возбуждение с самопараллельным возбуждением, как показано на рисунке ниже. Он получает мощность возбуждения через выпрямительный трансформатор, подключенный к выходу генератора, и подает ток возбуждения генератора после выпрямления.
Схема электропроводки системы возбуждения статического выпрямителя с самопараллельным возбуждением
Система статического возбуждения с самопараллельным возбуждением в основном состоит из следующих частей: трансформатор возбуждения, выпрямитель, устройство размагничивания, контроллер регулирования и устройство защиты от перенапряжения. Эти пять частей соответственно выполняют следующие функции:
(1) Трансформатор возбуждения: Уменьшите напряжение на стороне машины до напряжения, соответствующего выпрямителю.
(2) Выпрямитель: Это основной компонент всей системы. Трехфазная полностью управляемая мостовая схема часто используется для выполнения задачи преобразования переменного тока в постоянный.
(3) Устройство размагничивания: Устройство размагничивания состоит из двух частей, а именно переключателя размагничивания и резистора размагничивания. Это устройство отвечает за быстрое размагничивание устройства в случае аварии.
(4) Регулятор регулирования: Устройство управления системой возбуждения изменяет ток возбуждения путем управления углом проводимости тиристора выпрямительного устройства для достижения эффекта регулирования реактивной мощности и напряжения генератора.
(5) Защита от перенапряжения: когда в цепи ротора генератора возникает перенапряжение, цепь включается для потребления энергии перенапряжения, ограничения значения перенапряжения и защиты обмотки ротора генератора и подключенного к ней оборудования.
Преимущества статической системы возбуждения с самопараллельным возбуждением: простая конструкция, меньше оборудования, низкие инвестиции и меньше обслуживания. Недостатком является то, что при коротком замыкании генератора или системы ток возбуждения исчезнет или сильно упадет, в то время как ток возбуждения должен быть сильно увеличен (т. е. принудительное возбуждение) в это время. Однако, учитывая, что современные крупные блоки в основном используют закрытые шины, а высоковольтные электросети, как правило, оснащены быстрой защитой и высокой надежностью, количество блоков, использующих этот метод возбуждения, увеличивается, и это также метод возбуждения, рекомендуемый правилами и спецификациями. 4. Электрическое торможение блока Когда блок разгружен и выключен, часть механической энергии сохраняется из-за огромной инерции вращения ротора. Эта часть энергии может быть полностью остановлена только после того, как она преобразуется в тепловую энергию трения упорного подшипника, направляющего подшипника и воздуха. Поскольку потери на трение воздуха пропорциональны квадрату линейной скорости окружности, скорость ротора сначала очень быстро падает, а затем он долгое время будет работать вхолостую на низкой скорости. При длительной работе агрегата на низкой скорости может сгореть упорная втулка, поскольку масляная пленка между зеркальной пластиной под упорной головкой и подшипниковой втулкой не может быть установлена. По этой причине во время процесса отключения, когда скорость агрегата падает до определенного заданного значения, необходимо задействовать систему торможения агрегата. Торможение агрегата делится на электрическое торможение, механическое торможение и комбинированное торможение. Электрическое торможение заключается в замыкании накоротко статора трехфазного генератора на выходе из машины после того, как генератор отсоединен и размагничен, и ожидании, пока скорость агрегата не упадет примерно до 50–60 % от номинальной скорости. С помощью ряда логических операций обеспечивается тормозная мощность, и регулятор возбуждения переключается в режим электрического торможения для добавления тока возбуждения в обмотку ротора генератора. Поскольку генератор вращается, статор индуцирует ток короткого замыкания под действием магнитного поля ротора. Создаваемый электромагнитный момент прямо противоположен инерционному направлению ротора, что играет тормозную роль. В процессе реализации электрического торможения необходимо обеспечить внешнее питание торможения, что тесно связано со структурой главной цепи системы возбуждения. Различные способы получения питания возбуждения электрического тормоза показаны на рисунке ниже.
Различные способы получения питания возбуждения электрического тормоза
В первом случае устройство возбуждения представляет собой метод самопараллельного возбуждения. Когда конец машины закорочен, трансформатор возбуждения не имеет источника питания. Питание торможения поступает от специального тормозного трансформатора, а тормозной трансформатор подключается к питанию установки. Как упоминалось выше, в большинстве гидроэнергетических проектов используется система возбуждения статического выпрямителя с самопараллельным возбуждением, и более экономично использовать выпрямительный мост для системы возбуждения и системы электрического тормоза. Поэтому этот метод получения питания возбуждения электрического тормоза более распространен. Рабочий процесс электрического торможения по этому методу выглядит следующим образом:
(1) Автоматический выключатель на выходе устройства размыкается, и система отсоединяется.
(2) Обмотка ротора размагничивается.
(3) Выключатель питания на вторичной стороне трансформатора возбуждения разомкнут.
(4) Замкнут выключатель короткого замыкания электрического тормоза агрегата.
(5) Выключатель питания на вторичной обмотке электрического тормозного трансформатора замкнут.
(6) Тиристор выпрямительного моста открывается, и устройство переходит в состояние электрического тормоза.
(7) Когда скорость агрегата равна нулю, электрический тормоз отпускается (если используется комбинированное торможение, когда скорость достигает 5% - 10% от номинальной скорости, применяется механическое торможение). 5. Интеллектуальная система возбуждения Интеллектуальная гидроэлектростанция относится к гидроэлектростанции или группе гидроэлектростанций с оцифровкой информации, коммуникационными сетями, интегрированной стандартизацией, деловым взаимодействием, оптимизацией эксплуатации и интеллектуальным принятием решений. Интеллектуальные гидроэлектростанции вертикально разделены на технологический уровень, уровень агрегата и уровень управления станцией, используя 3-слойную 2-сетевую структуру сети технологического уровня (сеть GOOSE, сеть SV) и сети уровня управления станцией (сеть MMS). Интеллектуальные гидроэлектростанции должны поддерживаться интеллектуальным оборудованием. В качестве основной системы управления гидротурбинной генераторной установки технологическое развитие системы возбуждения играет важную вспомогательную роль в строительстве интеллектуальных гидроэлектростанций.
На интеллектуальных гидроэлектростанциях, помимо выполнения основных задач, таких как запуск и остановка турбогенераторной установки, увеличение и уменьшение реактивной мощности и аварийное отключение, система возбуждения также должна соответствовать функциям моделирования данных и связи IEC61850, а также поддерживать связь с сетью уровня управления станцией (сеть MMS) и сетью уровня процесса (сеть GOOSE и сеть SV). Устройство системы возбуждения располагается на уровне блока структуры системы интеллектуальной гидроэлектростанции, а объединяющий блок, интеллектуальный терминал, вспомогательный блок управления и другие устройства или интеллектуальное оборудование располагаются на уровне процесса. Структура системы показана на рисунке ниже.
Интеллектуальная система возбуждения
Главный компьютер уровня управления станцией интеллектуальной гидроэлектростанции соответствует требованиям стандарта связи IEC61850 и отправляет сигнал системы возбуждения на главный компьютер системы мониторинга через сеть MMS. Интеллектуальная система возбуждения должна иметь возможность подключаться к сети GOOSE и коммутаторам сети SV для сбора данных на уровне процесса. Уровень процесса требует, чтобы выходные данные CT, PT и локальных компонентов были в цифровой форме. CT и PT подключаются к объединяющему устройству (электронные трансформаторы подключаются оптическими кабелями, а электромагнитные трансформаторы подключаются кабелями). После оцифровки данных тока и напряжения они подключаются к коммутатору сети SV по оптическим кабелям. Локальные компоненты должны быть подключены к интеллектуальному терминалу по кабелям, а коммутатор или аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы и передаются на коммутатор сети GOOSE по оптическим кабелям. В настоящее время система возбуждения в основном выполняет функцию связи с сетью управления станцией MMS и сетью GOOSE/SV уровня процесса. Помимо соответствия информационному взаимодействию сети стандарта связи IEC61850, интеллектуальная система возбуждения должна также иметь комплексный онлайн-мониторинг, интеллектуальную диагностику неисправностей и удобную тестовую эксплуатацию и обслуживание. Производительность и эффект применения полностью функционального интеллектуального устройства возбуждения должны быть проверены в будущих реальных инженерных приложениях.
Время публикации: 09-окт-2024
