Naturliga floder har alla en viss lutning. Vatten rinner längs flodbädden under inverkan av gravitationen. Vatten på hög höjd innehåller rikligt med potentiell energi. Med hjälp av hydrauliska strukturer och elektromekanisk utrustning kan vattnets energi omvandlas till elektrisk energi, det vill säga vattenkraftproduktion. Principen för vattenkraftproduktion är elektromagnetisk induktion, det vill säga när en ledare skär de magnetiska flödeslinjerna i ett magnetfält genererar den ström. Bland dessa uppnås ledarens "rörelse" i magnetfältet genom att vattenflödet träffar turbinen för att omvandla vattenenergi till rotationsmekanisk energi; och magnetfältet bildas nästan alltid av excitationsströmmen som genereras av excitationssystemet som strömmar genom generatorns rotorlindning, det vill säga magnetismen genereras av elektricitet.
1. Vad är excitationssystemet? För att kunna genomföra energiomvandlingen behöver synkrongeneratorn ett likströmsmagnetfält, och likströmmen som genererar detta magnetfält kallas generatorns excitationsström. Generellt kallas processen att bilda ett magnetfält i generatorns rotor enligt principen om elektromagnetisk induktion excitation. Excitationssystemet avser den utrustning som tillhandahåller excitationsström till synkrongeneratorn. Det är en viktig del av synkrongeneratorn. Det består generellt av två huvuddelar: excitationskraftenheten och excitationsregulatorn. Excitationskraftenheten tillhandahåller excitationsström till synkrongeneratorns rotor, och excitationsregulatorn styr excitationskraftenhetens utgång enligt insignalen och de givna reglerkriterierna.
2. Excitationssystemets funktion Excitationssystemet har följande huvudfunktioner: (1) Under normala driftsförhållanden tillför det generatorns excitationsström och justerar excitationsströmmen enligt den givna lagen i enlighet med generatorns terminalspänning och belastningsförhållanden för att bibehålla spänningsstabilitet. Varför kan spänningsstabilitet bibehållas genom att justera excitationsströmmen? Det finns ett ungefärligt samband mellan den inducerade potentialen (dvs. tomgångspotentialen) Ed för generatorns statorlindning, terminalspänningen Ug, generatorns reaktiva lastström Ir och den longitudinella synkrona reaktansen Xd:
Den inducerade potentialen Ed är proportionell mot det magnetiska flödet, och det magnetiska flödet beror på excitationsströmmens storlek. När excitationsströmmen förblir oförändrad, förblir det magnetiska flödet och den inducerade potentialen Ed oförändrade. Av ovanstående formel kan man se att generatorns terminalspänning minskar med ökningen av reaktiv ström. För att uppfylla användarens krav på elkvalitet bör dock generatorns terminalspänning i princip förbli oförändrad. Sättet att uppnå detta krav är uppenbarligen att justera generatorns excitationsström när den reaktiva strömmen Ir förändras (det vill säga belastningen förändras). (2) Beroende på belastningsförhållandena justeras excitationsströmmen enligt en given regel för att justera den reaktiva effekten. Varför är det nödvändigt att justera den reaktiva effekten? Många elektriska utrustningar fungerar baserat på principen om elektromagnetisk induktion, såsom transformatorer, motorer, svetsmaskiner etc. De förlitar sig alla på att ett växlande magnetfält etableras för att omvandla och överföra energi. Den elektriska effekt som krävs för att etablera ett växlande magnetfält och inducerat magnetflöde kallas reaktiv effekt. All elektrisk utrustning med elektromagnetiska spolar förbrukar reaktiv effekt för att etablera ett magnetfält. Utan reaktiv effekt kommer motorn inte att rotera, transformatorn kommer inte att kunna omvandla spänningen och många elektriska apparater kommer inte att fungera. Därför är reaktiv effekt inte alls värdelös effekt. Under normala omständigheter får elektrisk utrustning inte bara aktiv effekt från generatorn, utan behöver också få reaktiv effekt från generatorn. Om det råder brist på reaktiv effekt i elnätet kommer den elektriska utrustningen inte att ha tillräckligt med reaktiv effekt för att etablera ett normalt elektromagnetiskt fält. Då kan denna elektriska utrustning inte upprätthålla nominell drift, och den elektriska utrustningens polspänning kommer att sjunka, vilket påverkar den elektriska utrustningens normala drift. Därför är det nödvändigt att justera den reaktiva effekten i enlighet med den faktiska belastningen, och den reaktiva effekt som generatorn utmatar är relaterad till magnituden av excitationsströmmen. Den specifika principen kommer inte att utvecklas här. (3) När en kortslutningsolycka inträffar i elsystemet eller andra orsaker orsakar att generatorns polspänning sjunker kraftigt, kan generatorn tvångsmagnetiseras för att förbättra elsystemets dynamiska stabilitetsgräns och noggrannheten hos reläskyddet. (4) När generatorns överspänning uppstår på grund av plötslig belastningsbortfall eller andra orsaker, kan generatorn avmagnetiseras med våld för att begränsa den överdrivna ökningen av generatorns terminalspänning. (5) Förbättra kraftsystemets statiska stabilitet. (6) När en fas-till-fas-kortslutning uppstår inuti generatorn och på dess ledningar eller när generatorns terminalspänning är för hög, utförs avmagnetisering snabbt för att begränsa olyckans utbredning. (7) Den reaktiva effekten hos de parallella generatorerna kan fördelas rimligt.
3. Klassificering av excitationssystem Beroende på hur generatorn erhåller excitationsströmmen (det vill säga matningsmetoden för excitationsströmförsörjningen) kan excitationssystemet delas in i extern excitation och självexcitation: excitationsströmmen som erhålls från andra strömförsörjningar kallas extern excitation; excitationsströmmen som erhålls från själva generatorn kallas självexcitation. Enligt likriktningsmetoden kan den delas in i roterande excitation och statisk excitation. Det statiska excitationssystemet har ingen speciell excitationsmaskin. Om det erhåller excitationseffekten från själva generatorn kallas det självexcitation statisk excitation. Självexcitation statisk excitation kan delas in i självparallell excitation och självsammansättande excitation.
Den vanligaste excitationsmetoden är självparallell excitation med statisk excitation, som visas i figuren nedan. Den erhåller excitationseffekten genom likriktartransformatorn ansluten till generatoruttaget och tillför generatorns excitationsström efter likriktning.
Kopplingsschema för självparallell excitation med statisk likriktare
Det självparallella excitationssystemet för statisk excitation består huvudsakligen av följande delar: excitationstransformator, likriktare, avmagnetiseringsanordning, regleringsregulator och överspänningsskyddsanordning. Dessa fem delar utför följande funktioner:
(1) Magnetiseringstransformator: Minska spänningen vid maskinänden till en spänning som matchar likriktaren.
(2) Likriktare: Det är kärnkomponenten i hela systemet. En trefas, helt styrd bryggkrets används ofta för att slutföra omvandlingen från växelström till likström.
(3) Avmagnetiseringsanordning: Avmagnetiseringsanordningen består av två delar, nämligen avmagnetiseringsbrytaren och avmagnetiseringsmotståndet. Denna anordning ansvarar för snabb avmagnetisering av enheten vid en olycka.
(4) Regleringsregulator: Excitationssystemets styranordning ändrar excitationsströmmen genom att styra ledningsvinkeln hos likriktaranordningens tyristor för att uppnå effekten av att reglera generatorns reaktiva effekt och spänning.
(5) Överspänningsskydd: När generatorrotorkretsen har en överspänning slås kretsen på för att förbruka överspänningsenergin, begränsa överspänningsvärdet och skydda generatorrotorlindningen och dess anslutna utrustning.
Fördelarna med det självparallella excitationssystemet för statisk excitation är: enkel struktur, mindre utrustning, låg investering och mindre underhåll. Nackdelen är att när generatorn eller systemet kortsluts kommer excitationsströmmen att försvinna eller minska kraftigt, medan excitationsströmmen bör ökas kraftigt (dvs. forcerad excitation) vid denna tidpunkt. Med tanke på att moderna stora enheter mestadels använder slutna samlingsskenor, och högspänningsnät generellt är utrustade med snabbt skydd och hög tillförlitlighet, ökar antalet enheter som använder denna excitationsmetod, och detta är också den excitationsmetod som rekommenderas av föreskrifter och specifikationer. 4. Elektrisk bromsning av enheten När enheten avlastas och stängs av lagras en del av den mekaniska energin på grund av rotorns enorma rotationströghet. Denna del av energin kan bara stoppas helt efter att den har omvandlats till friktionsvärmeenergi för axiallagret, styrlagret och luften. Eftersom luftens friktionsförlust är proportionell mot kvadraten av den linjära hastigheten för omkretsen, sjunker rotorns hastighet mycket snabbt till en början, och sedan går den på tomgång under en längre tid med låg hastighet. När enheten körs under en längre tid med låg hastighet kan axialbussningen brinna ut eftersom oljefilmen mellan spegelplattan under axialhuvudet och lagerbussningen inte kan upprättas. Av denna anledning, när enhetens hastighet sjunker till ett visst specificerat värde under avstängningsprocessen, måste enhetens bromssystem tas i bruk. Enhetsbromsningen är uppdelad i elektrisk bromsning, mekanisk bromsning och kombinerad bromsning. Elektrisk bromsning innebär att kortsluta trefasgeneratorns stator vid maskinändens utlopp efter att generatorn har kopplats bort och avmagnetiserats, och vänta tills enhetens hastighet sjunker till cirka 50 % till 60 % av nominell hastighet. Genom en serie logiska operationer tillhandahålls bromskraft, och excitationsregulatorn växlar till elektriskt bromsläge för att lägga till excitationsström till generatorns rotorlindning. Eftersom generatorn roterar inducerar statorn en kortslutningsström under inverkan av rotorns magnetfält. Det genererade elektromagnetiska vridmomentet är precis motsatt rotorns tröghetsriktning, vilket spelar en bromsande roll. Vid elektrisk bromsning måste bromskraftförsörjningen tillhandahållas externt, vilket är nära relaterat till excitationssystemets huvudkretsstruktur. Olika sätt att erhålla den elektriska bromsexcitationskraftförsörjningen visas i figuren nedan.
Olika sätt att få strömförsörjningen för elektrisk bromsexcitation
I det första sättet är excitationsanordningen en självparallell excitationskopplingsmetod. När maskinänden kortsluts har excitationstransformatorn ingen strömförsörjning. Bromsströmförsörjningen kommer från en dedikerad bromstransformator, och bromstransformatorn är ansluten till anläggningens strömförsörjning. Som nämnts ovan använder de flesta vattenkraftprojekt ett självparallellt excitationssystem med statisk likriktare, och det är mer ekonomiskt att använda en likriktarbrygga för excitationssystemet och det elektriska bromssystemet. Därför är denna metod för att erhålla strömförsörjningen för elektrisk bromsexcitering vanligare. Det elektriska bromsarbetsflödet för denna metod är följande:
(1) Enhetens uttagsbrytare öppnas och systemet är frånkopplat.
(2) Rotorlindningen är avmagnetiserad.
(3) Strömbrytaren på excitationstransformatorns sekundärsida öppnas.
(4) Enhetens kortslutningsbrytare för elektrisk broms är sluten.
(5) Strömbrytaren på sekundärsidan av den elektriska bromstransformatorn är sluten.
(6) Likriktarbryggans tyristor triggas till ledande ledning, och enheten går in i elektriskt bromsläge.
(7) När enhetens hastighet är noll släpps den elektriska bromsen (om kombinerad bromsning används, tillämpas mekanisk bromsning när hastigheten når 5 % till 10 % av nominell hastighet). 5. Intelligent excitationssystem Intelligent vattenkraftverk avser en vattenkraftverks- eller vattenkraftverksgrupp med informationsdigitalisering, kommunikationsnätverk, integrerad standardisering, affärsinteraktion, driftsoptimering och intelligent beslutsfattande. Intelligenta vattenkraftverk är vertikalt indelade i processlager, enhetslager och stationskontrolllager, med hjälp av en 3-lagers 2-nätverksstruktur av processlagernätverk (GOOSE-nätverk, SV-nätverk) och stationskontrolllagernätverk (MMS-nätverk). Intelligenta vattenkraftverk behöver stödjas av intelligent utrustning. Som det centrala styrsystemet för vattenturbingeneratorn spelar den tekniska utvecklingen av excitationssystemet en viktig stödjande roll i konstruktionen av intelligenta vattenkraftverk.
I intelligenta vattenkraftverk bör excitationssystemet, förutom att utföra grundläggande uppgifter som att starta och stoppa turbingeneratoraggregatet, öka och minska reaktiv effekt och nödavstängning, också kunna uppfylla IEC61850:s datamodellerings- och kommunikationsfunktioner, och stödja kommunikation med stationsstyrskiktsnätverket (MMS-nätverket) och processskiktsnätverket (GOOSE-nätverket och SV-nätverket). Excitationssystemenheten är anordnad på enhetslagret i det intelligenta vattenkraftverkets systemstruktur, och den sammanslagna enheten, den intelligenta terminalen, hjälpstyrenheten och andra enheter eller intelligent utrustning är anordnade på processlagret. Systemstrukturen visas i figuren nedan.
Intelligent excitationssystem
Värddatorn i stationskontrollskiktet i det intelligenta vattenkraftverket uppfyller kraven i kommunikationsstandarden IEC61850 och skickar signalen från excitationssystemet till värddatorn i övervakningssystemet via MMS-nätverket. Det intelligenta excitationssystemet ska kunna ansluta till GOOSE-nätverket och SV-nätverksväxlarna för att samla in data på processlagret. Processlagret kräver att data som matas ut av CT, PT och lokala komponenter är i digital form. CT och PT är anslutna till den sammanslagna enheten (elektroniska transformatorer är anslutna med optiska kablar och elektromagnetiska transformatorer är anslutna med kablar). Efter att ström- och spänningsdata har digitaliserats ansluts de till SV-nätverksväxlaren via optiska kablar. De lokala komponenterna måste anslutas till den intelligenta terminalen via kablar, och växlaren eller analoga signaler omvandlas till digitala signaler och överförs till GOOSE-nätverksväxlaren via optiska kablar. För närvarande har excitationssystemet i grunden kommunikationsfunktionen med stationskontrollskiktets MMS-nätverk och processlagrets GOOSE/SV-nätverk. Förutom att uppfylla kraven för nätverksinformationsinteraktion enligt IEC61850-kommunikationsstandarden, bör det intelligenta excitationssystemet också ha omfattande onlineövervakning, intelligent feldiagnostik och bekväm testdrift och underhåll. Prestandan och tillämpningseffekten hos den fullt fungerande intelligenta excitationsenheten behöver testas i framtida faktiska tekniska tillämpningar.
Publiceringstid: 9 oktober 2024
