Rieky v prírode majú všetky určitý sklon. Voda tečie pozdĺž koryta rieky pôsobením gravitácie. Voda vo vysokých nadmorských výškach obsahuje bohatú potenciálnu energiu. Pomocou hydraulických konštrukcií a elektromechanických zariadení sa môže energia vody premeniť na elektrickú energiu, teda na výrobu vodnej energie. Princípom výroby vodnej energie je elektromagnetická indukcia, to znamená, že keď vodič prereže magnetické siločiary v magnetickom poli, generuje prúd. Medzi nimi je „pohyb“ vodiča v magnetickom poli dosiahnutý nárazom prúdu vody na turbínu, čím sa premieňa energia vody na rotačnú mechanickú energiu; a magnetické pole je takmer vždy tvorené budiacim prúdom generovaným budiacim systémom pretekajúcim vinutím rotora generátora, to znamená, že magnetizmus je generovaný elektrinou.
1. Čo je budiaci systém? Na realizáciu premeny energie potrebuje synchrónny generátor jednosmerné magnetické pole a jednosmerný prúd, ktorý toto magnetické pole generuje, sa nazýva budiaci prúd generátora. Všeobecne sa proces vytvárania magnetického poľa v rotore generátora podľa princípu elektromagnetickej indukcie nazýva budenie. Budiaci systém sa vzťahuje na zariadenie, ktoré poskytuje budiaci prúd pre synchrónny generátor. Je to dôležitá súčasť synchrónneho generátora. Vo všeobecnosti sa skladá z dvoch hlavných častí: budiacej jednotky a budiaceho regulátora. Budiaca jednotka dodáva budiaci prúd do rotora synchrónneho generátora a budiaci regulátor riadi výstup budiacej jednotky podľa vstupného signálu a daných regulačných kritérií.
2. Funkcia budiaceho systému Budiaci systém má nasledujúce hlavné funkcie: (1) Za normálnych prevádzkových podmienok dodáva budiaci prúd generátora a upravuje budiaci prúd podľa daného zákona v závislosti od napätia na svorkách generátora a podmienok zaťaženia, aby sa udržala stabilita napätia. Prečo je možné udržať stabilitu napätia úpravou budiaceho prúdu? Existuje približný vzťah medzi indukovaným potenciálom (t. j. potenciálom bez zaťaženia) Ed vinutia statora generátora, napätím na svorkách Ug, jalovým prúdom záťaže Ir generátora a pozdĺžnou synchrónnou reaktanciou Xd:
Indukovaný potenciál Ed je úmerný magnetickému toku a magnetický tok závisí od veľkosti budiaceho prúdu. Keď budící prúd zostane nezmenený, magnetický tok a indukovaný potenciál Ed zostanú nezmenené. Z vyššie uvedeného vzorca je zrejmé, že svorkové napätie generátora sa bude znižovať so zvyšujúcim sa jalovým prúdom. Aby sa však splnili požiadavky používateľa na kvalitu energie, svorkové napätie generátora by malo zostať v podstate nezmenené. Je zrejmé, že spôsob, ako dosiahnuť túto požiadavku, je upravovať budící prúd generátora podľa zmeny jalového prúdu Ir (t. j. zmeny zaťaženia). (2) Podľa podmienok zaťaženia sa budící prúd upravuje podľa daného pravidla, aby sa nastavil jalový výkon. Prečo je potrebné upravovať jalový výkon? Mnohé elektrické zariadenia pracujú na princípe elektromagnetickej indukcie, ako sú transformátory, motory, zváracie stroje atď. Všetky sa spoliehajú na vytvorenie striedavého magnetického poľa na premenu a prenos energie. Elektrická energia potrebná na vytvorenie striedavého magnetického poľa a indukovaného magnetického toku sa nazýva jalový výkon. Všetky elektrické zariadenia s elektromagnetickými cievkami spotrebúvajú jalový výkon na vytvorenie magnetického poľa. Bez jalového výkonu sa motor nebude otáčať, transformátor nebude schopný transformovať napätie a mnohé elektrické zariadenia nebudú fungovať. Preto jalový výkon v žiadnom prípade nie je zbytočný výkon. Za normálnych okolností elektrické zariadenia nielen získavajú činný výkon z generátora, ale potrebujú z generátora získavať aj jalový výkon. Ak je jalový výkon v elektrickej sieti nedostatočný, elektrické zariadenie nebude mať dostatok jalového výkonu na vytvorenie normálneho elektromagnetického poľa. Tieto elektrické zariadenia potom nedokážu udržať menovitú prevádzku a napätie na svorkách elektrického zariadenia klesne, čo ovplyvní jeho normálnu prevádzku. Preto je potrebné upraviť jalový výkon podľa skutočného zaťaženia a jalový výkon generátora súvisí s veľkosťou budiaceho prúdu. Konkrétny princíp tu nebudeme rozoberať. (3) Keď dôjde ku skratu v energetickej sústave alebo z iných dôvodov dôjde k výraznému poklesu napätia na svorkách generátora, generátor je možné nútene budeť, aby sa zlepšila dynamická stabilita energetickej sústavy a presnosť činnosti reléovej ochrany. (4) Keď dôjde k prepätiu generátora v dôsledku náhleho výpadku záťaže alebo z iných dôvodov, generátor je možné násilne demagnetizovať, aby sa obmedzilo nadmerné zvýšenie napätia na svorkách generátora. (5) Zlepšiť statickú stabilitu energetickej sústavy. (6) Keď dôjde ku fázovému skratu vo vnútri generátora a na jeho prívodných vodičoch alebo je napätie na svorkách generátora príliš vysoké, demagnetizácia sa vykoná rýchlo, aby sa obmedzilo rozšírenie nehody. (7) Jalový výkon paralelných generátorov je možné primerane rozložiť.
3. Klasifikácia budicích systémov Podľa spôsobu, akým generátor získava budiaci prúd (t. j. spôsobu napájania budiacej energie), možno budiace systémy rozdeliť na externé budenie a samobudenie: budiaci prúd získaný z iných zdrojov napájania sa nazýva externé budenie; budiaci prúd získaný zo samotného generátora sa nazýva samobudenie. Podľa spôsobu usmernenia možno budenie rozdeliť na rotačné budenie a statické budenie. Statické budenie nemá špeciálny budiaci stroj. Ak získava budiaci výkon zo samotného generátora, nazýva sa to statické budenie so samobudením. Statické budenie so samobudením možno rozdeliť na samoparalelné budenie a samozložené budenie.
Najbežnejšie používanou metódou budenia je samoparalelné budenie so statickým budením, ako je znázornené na obrázku nižšie. Budiaci výkon sa získava cez usmerňovací transformátor pripojený k výstupu generátora a po usmernení dodáva budiaci prúd generátora.
Schéma zapojenia samoparalelného budenia statického usmerňovača budecieho systému
Samoparalelný budiaci statický budiaci systém pozostáva hlavne z nasledujúcich častí: budiaci transformátor, usmerňovač, demagnetizačné zariadenie, regulačný ovládač a zariadenie na ochranu pred prepätím. Týchto päť častí vykonáva nasledujúce funkcie:
(1) Budiaci transformátor: Znížte napätie na strane stroja na napätie zodpovedajúce usmerňovaču.
(2) Usmerňovač: Je to jadro celého systému. Na dokončenie úlohy prevodu zo striedavého na jednosmerný prúd sa často používa trojfázový plne riadený mostíkový obvod.
(3) Demagnetizačné zariadenie: Demagnetizačné zariadenie sa skladá z dvoch častí, a to demagnetizačného spínača a demagnetizačného odporu. Toto zariadenie je zodpovedné za rýchlu demagnetizáciu jednotky v prípade nehody.
(4) Regulačný ovládač: Riadiace zariadenie budiaceho systému mení budiaci prúd riadením uhla vedenia tyristora usmerňovača, aby sa dosiahol účinok regulácie jalového výkonu a napätia generátora.
(5) Ochrana proti prepätiu: Keď je obvod rotora generátora prepätý, obvod sa zapne, aby spotreboval energiu prepätia, obmedzil hodnotu prepätia a chránil vinutie rotora generátora a k nemu pripojené zariadenia.
Výhody statického budecieho systému so samoparalelným budením sú: jednoduchá konštrukcia, menej vybavenia, nízke investície a menej údržby. Nevýhodou je, že keď je generátor alebo systém skratovaný, budiaci prúd zmizne alebo výrazne klesne, zatiaľ čo budiaci prúd by sa v tomto čase mal výrazne zvýšiť (t. j. nútené budenie). Avšak vzhľadom na to, že moderné veľké jednotky väčšinou používajú uzavreté prípojnice a vysokonapäťové rozvodné siete sú vo všeobecnosti vybavené rýchlou ochranou a vysokou spoľahlivosťou, počet jednotiek používajúcich túto metódu budenia sa zvyšuje a je to aj metóda budenia odporúčaná predpismi a špecifikáciami. 4. Elektrické brzdenie jednotky Keď je jednotka odľahčená a vypnutá, časť mechanickej energie sa ukladá v dôsledku obrovskej rotačnej zotrvačnosti rotora. Túto časť energie je možné úplne zastaviť až po jej premene na treciu tepelnú energiu axiálneho ložiska, vodiaceho ložiska a vzduchu. Keďže strata trením vzduchu je úmerná druhej mocnine lineárnej rýchlosti obvodu, otáčky rotora najprv veľmi rýchlo klesajú a potom dlho bežia na voľnobeh pri nízkych otáčkach. Keď jednotka beží dlhší čas pri nízkych otáčkach, môže sa axiálne puzdro prepáliť, pretože olejový film medzi zrkadlovou doskou pod axiálnou hlavou a ložiskovým puzdrom sa nedá vytvoriť. Z tohto dôvodu je potrebné počas procesu vypínania, keď rýchlosť jednotky klesne na určitú špecifikovanú hodnotu, zapnúť brzdový systém jednotky. Brzdenie jednotky sa delí na elektrické brzdenie, mechanické brzdenie a kombinované brzdenie. Elektrické brzdenie spočíva v skratovaní statora trojfázového generátora na výstupe zo stroja po odpojení a demagnetizácii generátora a čakaní, kým rýchlosť jednotky neklesne na približne 50 % až 60 % menovitých otáčok. Prostredníctvom série logických operácií sa zabezpečí brzdná sila a regulátor budenia sa prepne do režimu elektrického brzdenia, aby sa do vinutia rotora generátora pridal budiaci prúd. Pretože generátor sa otáča, stator indukuje skratový prúd pôsobením magnetického poľa rotora. Generovaný elektromagnetický krútiaci moment je priamo opačný k zotrvačnému smeru rotora, ktorý zohráva brzdnú úlohu. Pri realizácii elektrického brzdenia je potrebné zabezpečiť externé napájanie brzdnej energie, ktoré úzko súvisí so štruktúrou hlavného obvodu budiaceho systému. Rôzne spôsoby získania napájania budenia elektrickej brzdy sú znázornené na obrázku nižšie.
Rôzne spôsoby získania napájania pre budič elektrickej brzdy
V prvom prípade je budiace zariadenie metódou samoparalelného zapojenia budenia. Keď je koniec stroja skratovaný, budiaci transformátor nemá napájanie. Napájanie brzdy pochádza z vyhradeného brzdového transformátora a brzdový transformátor je pripojený k napájaniu elektrárne. Ako už bolo spomenuté, väčšina vodných elektrární používa samoparalelný budiaci statický usmerňovací budiaci systém a je ekonomickejšie použiť usmerňovací mostík pre budiaci systém a elektrický brzdový systém. Preto je táto metóda získania napájania elektrického budenia brzdy bežnejšia. Pracovný postup elektrického brzdenia tejto metódy je nasledovný:
(1) Istič na výstupe jednotky sa vypne a systém sa odpojí.
(2) Vinutie rotora je demagnetizované.
(3) Vypínač na sekundárnej strane budiaceho transformátora je otvorený.
(4) Skratový spínač elektrickej brzdy jednotky je zatvorený.
(5) Vypínač na sekundárnej strane elektrického brzdového transformátora je zatvorený.
(6) Tyristor usmerňovacieho mostíka sa aktivuje a jednotka prejde do stavu elektrickej brzdy.
(7) Keď je rýchlosť jednotky nulová, elektrická brzda sa uvoľní (ak sa použije kombinované brzdenie, keď rýchlosť dosiahne 5 % až 10 % menovitej rýchlosti, použije sa mechanické brzdenie). 5. Inteligentný budiaci systém Inteligentná vodná elektráreň označuje vodnú elektráreň alebo skupinu vodných elektrární s digitalizáciou informácií, komunikačnými sieťami, integrovanou štandardizáciou, obchodnou interakciou, optimalizáciou prevádzky a inteligentným rozhodovaním. Inteligentné vodné elektrárne sú vertikálne rozdelené na procesnú vrstvu, vrstvu jednotky a vrstvu riadenia stanice s použitím 3-vrstvovej 2-sieťovej štruktúry siete procesnej vrstvy (sieť GOOSE, sieť SV) a siete riadiacej vrstvy stanice (sieť MMS). Inteligentné vodné elektrárne musia byť podporované inteligentným zariadením. Technologický rozvoj budiacej sústavy ako jadro riadiaceho systému generátorového agregátu vodných turbín zohráva dôležitú podpornú úlohu pri výstavbe inteligentných vodných elektrární.
V inteligentných vodných elektrárňach by mal byť budiaci systém okrem plnenia základných úloh, ako je spúšťanie a zastavovanie turbogenerátora, zvyšovanie a znižovanie jalového výkonu a núdzové vypnutie, schopný spĺňať aj funkcie modelovania dát a komunikácie podľa IEC61850 a podporovať komunikáciu so sieťou riadiacej vrstvy elektrárne (sieť MMS) a sieťou procesnej vrstvy (sieť GOOSE a sieť SV). Zariadenie budiacej sústavy je umiestnené na jednotkovej vrstve štruktúry systému inteligentnej vodnej elektrárne a zlučovacia jednotka, inteligentný terminál, pomocná riadiaca jednotka a ďalšie zariadenia alebo inteligentné vybavenie sú umiestnené na procesnej vrstve. Štruktúra systému je znázornená na obrázku nižšie.
Inteligentný budiaci systém
Hostiteľský počítač riadiacej vrstvy elektrárne inteligentnej vodnej elektrárne spĺňa požiadavky komunikačnej normy IEC61850 a vysiela signál budiaceho systému do hostiteľského počítača monitorovacieho systému prostredníctvom siete MMS. Inteligentný budiaci systém by mal byť schopný pripojiť sa k sieti GOOSE a sieťovým prepínačom SV, aby zhromažďoval údaje na procesnej vrstve. Procesná vrstva vyžaduje, aby výstup údajov z CT, PT a lokálnych komponentov bol v digitálnej forme. CT a PT sú pripojené k zlučovacej jednotke (elektronické transformátory sú pripojené optickými káblami a elektromagnetické transformátory sú pripojené káblami). Po digitalizácii údajov o prúde a napätí sú pripojené k sieťovému prepínaču SV pomocou optických káblov. Lokálne komponenty musia byť pripojené k inteligentnému terminálu pomocou káblov a signály prepínača alebo analógové signály sú prevedené na digitálne signály a prenášané do sieťového prepínača GOOSE pomocou optických káblov. V súčasnosti má budiaci systém v podstate komunikačnú funkciu so sieťou MMS riadiacej vrstvy elektrárne a sieťou GOOSE/SV procesnej vrstvy. Okrem splnenia požiadaviek na interakciu sieťových informácií podľa komunikačného štandardu IEC61850 by mal inteligentný budiaci systém mať aj komplexné online monitorovanie, inteligentnú diagnostiku porúch a pohodlnú testovaciu prevádzku a údržbu. Výkon a aplikačný efekt plne funkčného inteligentného budiaceho zariadenia je potrebné otestovať v budúcich reálnych technických aplikáciách.
Čas uverejnenia: 9. októbra 2024
