Vse reke v naravi imajo določen naklon. Voda teče vzdolž struge pod vplivom gravitacije. Voda na velikih nadmorskih višinah vsebuje veliko potencialne energije. S pomočjo hidravličnih konstrukcij in elektromehanske opreme se lahko energija vode pretvori v električno energijo, torej v hidroelektrarno. Načelo proizvodnje hidroelektrarne je elektromagnetna indukcija, kar pomeni, da ko prevodnik preseka magnetne linije v magnetnem polju, ustvari tok. Med njimi je "gibanje" prevodnika v magnetnem polju doseženo s pretokom vode, ki vpliva na turbino, da pretvori energijo vode v rotacijsko mehansko energijo; magnetno polje pa skoraj vedno tvori vzbujevalni tok, ki ga ustvarja vzbujevalni sistem, ki teče skozi navitje rotorja generatorja, torej magnetizem ustvarja elektrika.
1. Kaj je vzbujevalni sistem? Za pretvorbo energije sinhronski generator potrebuje enosmerno magnetno polje, enosmerni tok, ki ustvarja to magnetno polje, pa se imenuje vzbujevalni tok generatorja. Na splošno se postopek oblikovanja magnetnega polja v rotorju generatorja po načelu elektromagnetne indukcije imenuje vzbujanje. Vzbujevalni sistem se nanaša na opremo, ki zagotavlja vzbujevalni tok za sinhronski generator. Je pomemben del sinhronskega generatorja. Na splošno je sestavljen iz dveh glavnih delov: vzbujevalne napajalne enote in regulatorja vzbujanja. Vzbujevalna napajalna enota zagotavlja vzbujevalni tok rotorju sinhronskega generatorja, regulator vzbujanja pa krmili izhod vzbujevalne napajalne enote glede na vhodni signal in dane regulacijske kriterije.
2. Funkcija vzbujevalnega sistema Vzbujevalni sistem ima naslednje glavne funkcije: (1) V normalnih obratovalnih pogojih dovaja vzbujevalni tok generatorja in prilagaja vzbujevalni tok po danem zakonu glede na napetost na sponkah generatorja in pogoje obremenitve, da se ohrani stabilnost napetosti. Zakaj je mogoče ohraniti stabilnost napetosti s prilagajanjem vzbujevalnega toka? Obstaja približna povezava med induciranim potencialom (tj. potencialom prostega teka) Ed navitja statorja generatorja, napetostjo na sponkah Ug, jalovim tokom obremenitve Ir generatorja in vzdolžno sinhrono reaktanco Xd:
Inducirani potencial Ed je sorazmeren z magnetnim pretokom, magnetni pretok pa je odvisen od velikosti vzbujevalnega toka. Ko vzbujevalni tok ostane nespremenjen, ostaneta magnetni pretok in inducirani potencial Ed nespremenjena. Iz zgornje formule je razvidno, da se napetost na sponkah generatorja zmanjšuje z naraščanjem jalnega toka. Vendar pa mora napetost na sponkah generatorja, da se izpolnijo zahteve uporabnika glede kakovosti električne energije, ostati v osnovi nespremenjena. Očitno je, da se to doseže s prilagajanjem vzbujevalnega toka generatorja, ko se spreminja jalov tok Ir (torej se spreminja obremenitev). (2) Glede na pogoje obremenitve se vzbujevalni tok prilagaja po določenem pravilu za prilagajanje jalove moči. Zakaj je potrebno prilagajati jalovo moč? Številna električna oprema deluje na principu elektromagnetne indukcije, kot so transformatorji, motorji, varilni stroji itd. Vse se zanašajo na vzpostavitev izmeničnega magnetnega polja za pretvorbo in prenos energije. Električna moč, potrebna za vzpostavitev izmeničnega magnetnega polja in induciranega magnetnega pretoka, se imenuje jalova moč. Vsa električna oprema z elektromagnetnimi tuljavami porablja jalovo moč za vzpostavitev magnetnega polja. Brez jalove moči se motor ne bo vrtel, transformator ne bo mogel pretvarjati napetosti in veliko električne opreme ne bo delovalo. Zato jalova moč nikakor ni neuporabna moč. V normalnih okoliščinah električna oprema ne pridobiva le aktivne moči iz generatorja, temveč mora od njega pridobivati tudi jalovo moč. Če jalove moči v električnem omrežju primanjkuje, električna oprema ne bo imela dovolj jalove moči za vzpostavitev normalnega elektromagnetnega polja. Ta električna oprema potem ne more vzdrževati nazivnega delovanja in napetost na sponkah električne opreme bo padla, kar bo vplivalo na njeno normalno delovanje. Zato je treba jalovo moč prilagoditi dejanski obremenitvi, jalova moč, ki jo oddaja generator, pa je povezana z velikostjo vzbujevalnega toka. Specifično načelo tukaj ne bo podrobneje opisano. (3) Ko v elektroenergetskem sistemu pride do kratkega stika ali če zaradi drugih razlogov napetost na sponkah generatorja močno pade, se lahko generator prisilno vzbudi, da se izboljša meja dinamične stabilnosti elektroenergetskega sistema in natančnost delovanja relejne zaščite. (4) Ko pride do prenapetosti generatorja zaradi nenadnega izpada obremenitve in drugih razlogov, se lahko generator prisilno razmagnetizira, da se omeji prekomerno povečanje napetosti na sponkah generatorja. (5) Izboljša se statična stabilnost elektroenergetskega sistema. (6) Ko pride do medfaznega kratkega stika znotraj generatorja in na njegovih priključnih žicah ali je napetost na sponkah generatorja previsoka, se razmagnetizacija izvede hitro, da se omeji širjenje nesreče. (7) Jalova moč vzporednih generatorjev se lahko razumno porazdeli.
3. Razvrstitev vzbujevalnih sistemov Glede na način, kako generator pridobiva vzbujevalni tok (torej način napajanja vzbujevalnega napajanja), lahko vzbujevalne sisteme razdelimo na zunanje vzbujanje in samovzbujanje: vzbujevalni tok, pridobljen iz drugih virov napajanja, se imenuje zunanje vzbujanje; vzbujevalni tok, pridobljen iz samega generatorja, se imenuje samovzbujanje. Glede na način usmerjanja ga lahko razdelimo na rotacijsko vzbujanje in statično vzbujanje. Statični vzbujevalni sistem nima posebnega vzbujevalnega stroja. Če vzbujevalno moč pridobiva iz samega generatorja, se imenuje samovzbujevalno statično vzbujanje. Samovzbujevalno statično vzbujanje lahko razdelimo na samovzporedno vzbujanje in samosestavljajoče vzbujanje.
Najpogosteje uporabljena metoda vzbujanja je samovzporedno vzbujanje s statičnim vzbujanjem, kot je prikazano na spodnji sliki. Vzbujevalna moč se pridobiva prek usmerniškega transformatorja, priključenega na izhod generatorja, in po usmerjanju dovaja vzbujevalni tok generatorja.
Električna shema vzbujevalnega sistema s samovzporednim vzbujanjem statičnega usmernika
Statični vzbujevalni sistem s samovzporednim vzbujanjem je sestavljen predvsem iz naslednjih delov: vzbujevalnega transformatorja, usmernika, naprave za razmagnetenje, regulacijskega krmilnika in naprave za zaščito pred prenapetostjo. Teh pet delov opravlja naslednje funkcije:
(1) Vzbujevalni transformator: Zmanjšajte napetost na koncu stroja na napetost, ki ustreza usmerniku.
(2) Usmernik: Je osrednja komponenta celotnega sistema. Za pretvorbo iz izmeničnega v enosmerni tok se pogosto uporablja trifazno popolnoma krmiljeno mostično vezje.
(3) Naprava za razmagnetenje: Naprava za razmagnetenje je sestavljena iz dveh delov, in sicer iz stikala za razmagnetenje in upora za razmagnetenje. Ta naprava je odgovorna za hitro razmagnetenje enote v primeru nesreče.
(4) Regulacijski regulator: Krmilna naprava vzbujevalnega sistema spreminja vzbujevalni tok z nadzorom kota prevodnosti tiristorja usmerniške naprave, da doseže učinek regulacije jalove moči in napetosti generatorja.
(5) Zaščita pred prenapetostjo: Ko je v vezju rotorja generatorja prenapetost, se vezje vklopi, da porabi energijo prenapetosti, omeji vrednost prenapetosti in zaščiti navitje rotorja generatorja ter priključeno opremo.
Prednosti statičnega vzbujevalnega sistema s samovzporednim vzbujanjem so: preprosta struktura, manj opreme, nizka investicija in manj vzdrževanja. Slabost je, da v primeru kratkega stika generatorja ali sistema vzbujevalni tok izgine ali močno pade, medtem ko je treba vzbujevalni tok v tem primeru močno povečati (tj. prisilno vzbujanje). Glede na to, da sodobne velike enote večinoma uporabljajo zaprte vodila, visokonapetostna električna omrežja pa so običajno opremljena s hitro zaščito in visoko zanesljivostjo, se število enot, ki uporabljajo to metodo vzbujanja, povečuje, in to je tudi metoda vzbujanja, ki jo priporočajo predpisi in specifikacije. 4. Električno zaviranje enote Ko je enota razbremenjena in izklopljena, se del mehanske energije shrani zaradi velike vrtilne vztrajnosti rotorja. Ta del energije je mogoče popolnoma ustaviti šele, ko se pretvori v toplotno energijo trenja aksialnega ležaja, vodilnega ležaja in zraka. Ker je izguba trenja zraka sorazmerna s kvadratom linearne hitrosti oboda, se hitrost rotorja sprva zelo hitro zmanjša, nato pa bo dolgo časa deloval v prostem teku pri nizki hitrosti. Ko enota dlje časa deluje pri nizki hitrosti, lahko potisna puša pregori, ker se oljni film med zrcalno ploščo pod potisno glavo in ležajno pušo ne more vzpostaviti. Zaradi tega je treba med postopkom izklopa, ko hitrost enote pade na določeno vrednost, uporabiti zavorni sistem enote. Zaviranje enote je razdeljeno na električno zaviranje, mehansko zaviranje in kombinirano zaviranje. Električno zaviranje pomeni kratek stik statorja trifaznega generatorja na izhodu stroja po odklopu in razmagnetitvi generatorja ter čakanje, da hitrost enote pade na približno 50 % do 60 % nazivne hitrosti. Z vrsto logičnih operacij se zagotovi zavorna moč in regulator vzbujanja preklopi v način električnega zaviranja, da doda vzbujevalni tok navitju rotorja generatorja. Ker se generator vrti, stator pod delovanjem magnetnega polja rotorja inducira kratkostični tok. Ustvarjeni elektromagnetni navor je ravno nasproten inercialni smeri rotorja, ki ima zavorno vlogo. Pri izvajanju električnega zaviranja je treba napajanje zavore zagotoviti zunanje, kar je tesno povezano z glavno strukturo vezja vzbujevalnega sistema. Različni načini za pridobitev napajanja vzbujanja električne zavore so prikazani na spodnji sliki.
Različni načini za pridobitev napajanja za vzbujanje električne zavore
Pri prvem načinu je vzbujevalna naprava metoda samovzporednega ožičenja vzbujanja. Ko je konec stroja v kratkem stiku, vzbujevalni transformator nima napajanja. Napajanje zavore prihaja iz namenskega zavornega transformatorja, ki je priključen na napajanje elektrarne. Kot je bilo že omenjeno, večina hidroelektrarn uporablja samovzporedni statični usmerniški vzbujevalni sistem, zato je bolj ekonomično uporabiti usmerniški most za vzbujevalni sistem in električni zavorni sistem. Zato je ta metoda pridobivanja napajanja za vzbujanje električne zavore pogostejša. Delovni tok električnega zaviranja pri tej metodi je naslednji:
(1) Izhodni odklopnik enote se odpre in sistem se odklopi.
(2) Navitje rotorja je razmagnetizirano.
(3) Stikalo za napajanje na sekundarni strani vzbujevalnega transformatorja je odprto.
(4) Kratkostični kontakt električne zavore enote je zaprt.
(5) Stikalo za napajanje na sekundarni strani električnega zavornega transformatorja je zaprto.
(6) Tiristor usmerniškega mostu se sproži in enota preklopi v stanje električne zavore.
(7) Ko je hitrost enote nič, se sprosti električna zavora (če se uporablja kombinirano zaviranje, se pri dosegu hitrosti od 5 % do 10 % nazivne hitrosti uporabi mehansko zaviranje). 5. Inteligentni vzbujevalni sistem Inteligentna hidroelektrarna se nanaša na hidroelektrarno ali skupino hidroelektrarn z digitalizacijo informacij, komunikacijskim omrežjem, integrirano standardizacijo, poslovno interakcijo, optimizacijo delovanja in inteligentnim odločanjem. Inteligentne hidroelektrarne so vertikalno razdeljene na procesno plast, plast enote in plast krmiljenja postaje, pri čemer se uporablja 3-plastna 2-omrežna struktura omrežja procesne plasti (omrežje GOOSE, omrežje SV) in omrežja krmiljenja postaje (omrežje MMS). Inteligentne hidroelektrarne morajo biti podprte z inteligentno opremo. Kot osrednji krmilni sistem generatorskega agregata hidroturbine ima tehnološki razvoj vzbujevalnega sistema pomembno podporno vlogo pri gradnji inteligentnih hidroelektrarn.
V inteligentnih hidroelektrarnah mora vzbujevalni sistem poleg opravljanja osnovnih nalog, kot so zagon in zaustavitev turbinogeneratorskega agregata, povečanje in zmanjšanje jalove moči ter izklop v sili, izpolnjevati tudi funkcije modeliranja podatkov in komunikacije IEC61850 ter podpirati komunikacijo z omrežjem krmilne plasti postaje (omrežje MMS) in omrežjem procesne plasti (omrežje GOOSE in omrežje SV). Naprava vzbujevalnega sistema je razporejena na enotski plasti strukture sistema inteligentne hidroelektrarne, združitvena enota, inteligentni terminal, pomožna krmilna enota in druge naprave ali inteligentna oprema pa so razporejene na procesni plasti. Struktura sistema je prikazana na spodnji sliki.
Inteligentni vzbujevalni sistem
Gostiteljski računalnik krmilne plasti elektrarne inteligentne hidroelektrarne izpolnjuje zahteve komunikacijskega standarda IEC61850 in pošilja signal vzbujevalnega sistema gostiteljskemu računalniku nadzornega sistema prek omrežja MMS. Inteligentni vzbujevalni sistem se mora imeti možnost povezave z omrežjem GOOSE in stikali omrežja SV za zbiranje podatkov na procesni plasti. Procesna plast zahteva, da so podatki, ki jih oddajajo CT, PT in lokalne komponente, v digitalni obliki. CT in PT sta povezana z združitveno enoto (elektronski transformatorji so povezani z optičnimi kabli, elektromagnetni transformatorji pa s kabli). Ko so podatki o toku in napetosti digitalizirani, se prek optičnih kablov povežejo s stikalom omrežja SV. Lokalne komponente morajo biti prek kablov povezane z inteligentnim terminalom, signali stikala ali analogni signali pa se pretvorijo v digitalne signale in se prek optičnih kablov prenesejo v stikalo omrežja GOOSE. Trenutno ima vzbujevalni sistem v osnovi komunikacijsko funkcijo z omrežjem MMS krmilne plasti elektrarne in omrežjem GOOSE/SV procesne plasti. Poleg izpolnjevanja zahtev omrežne informacijske interakcije komunikacijskega standarda IEC61850 mora imeti inteligentni vzbujevalni sistem tudi celovito spletno spremljanje, inteligentno diagnostiko napak ter priročno testiranje delovanja in vzdrževanja. Zmogljivost in uporabnost popolnoma delujoče inteligentne vzbujevalne naprave je treba preizkusiti v prihodnjih dejanskih inženirskih aplikacijah.
Čas objave: 9. oktober 2024
