Річки в природі мають певний ухил. Вода тече руслом річки під дією сили тяжіння. Вода на великих висотах містить велику потенційну енергію. За допомогою гідротехнічних споруд та електромеханічного обладнання енергію води можна перетворити на електричну енергію, тобто генерувати гідроенергію. Принцип генерації гідроенергії полягає в електромагнітній індукції, тобто коли провідник перетинає лінії магнітного потоку в магнітному полі, він генерує струм. Серед них «рух» провідника в магнітному полі досягається впливом потоку води на турбіну, що перетворює енергію води на механічну енергію обертання; а магнітне поле майже завжди утворюється струмом збудження, що генерується системою збудження, що протікає через обмотку ротора генератора, тобто магнетизм генерується електрикою.
1. Що таке система збудження? Для реалізації перетворення енергії синхронному генератору потрібне постійне магнітне поле, а постійний струм, який генерує це магнітне поле, називається струмом збудження генератора. Загалом, процес формування магнітного поля в роторі генератора відповідно до принципу електромагнітної індукції називається збудженням. Система збудження відноситься до обладнання, яке забезпечує струм збудження для синхронного генератора. Вона є важливою частиною синхронного генератора. Зазвичай вона складається з двох основних частин: блоку живлення збудження та регулятора збудження. Блок живлення збудження забезпечує струм збудження до ротора синхронного генератора, а регулятор збудження керує виходом блоку живлення збудження відповідно до вхідного сигналу та заданих критеріїв регулювання.
2. Функція системи збудження Система збудження має такі основні функції: (1) За нормальних робочих умов вона подає струм збудження генератора та регулює струм збудження за заданим законом відповідно до напруги на клемах генератора та умов навантаження для підтримки стабільності напруги. Чому стабільність напруги можна підтримувати шляхом регулювання струму збудження? Існує приблизний зв'язок між індукованим потенціалом (тобто потенціалом холостого ходу) Ed обмотки статора генератора, напругою на клемах Ug, реактивним струмом навантаження Ir генератора та поздовжнім синхронним реактивним опором Xd:
Індукований потенціал Ed пропорційний магнітному потоку, а магнітний потік залежить від величини струму збудження. Коли струм збудження залишається незмінним, магнітний потік та індукований потенціал Ed залишаються незмінними. З наведеної вище формули видно, що напруга на клемах генератора зменшується зі збільшенням реактивного струму. Однак, щоб задовольнити вимоги користувача до якості електроенергії, напруга на клемах генератора повинна залишатися практично незмінною. Очевидно, що спосіб досягнення цієї вимоги полягає в регулюванні струму збудження генератора в міру зміни реактивного струму Ir (тобто зміни навантаження). (2) Залежно від умов навантаження, струм збудження регулюється за заданим правилом для регулювання реактивної потужності. Чому необхідно регулювати реактивну потужність? Багато електрообладнання, таке як трансформатори, двигуни, зварювальні апарати тощо, працює на принципі електромагнітної індукції. Усі вони покладаються на створення змінного магнітного поля для перетворення та передачі енергії. Електрична потужність, необхідна для створення змінного магнітного поля та індукованого магнітного потоку, називається реактивною потужністю. Усе електрообладнання з електромагнітними котушками споживає реактивну потужність для створення магнітного поля. Без реактивної потужності двигун не обертатиметься, трансформатор не зможе трансформувати напругу, і багато електрообладнання не працюватиме. Тому реактивна потужність аж ніяк не є марною потужністю. За нормальних обставин електрообладнання отримує не тільки активну потужність від генератора, але й потребує реактивної потужності від генератора. Якщо реактивної потужності в електромережі недостатньо, електрообладнання не матиме достатньо реактивної потужності для створення нормального електромагнітного поля. Тоді це електрообладнання не зможе підтримувати номінальну роботу, і напруга на клемах електрообладнання знизиться, що вплине на його нормальну роботу. Тому необхідно регулювати реактивну потужність відповідно до фактичного навантаження, а реактивна потужність, що видається генератором, залежить від величини струму збудження. Конкретний принцип тут не буде детально описано. (3) Коли в енергосистемі трапляється коротке замикання або інші причини призводять до значного падіння напруги на клемах генератора, генератор можна примусово збудити, щоб покращити межу динамічної стійкості енергосистеми та точність дії релейного захисту. (4) Коли перенапруга генератора виникає через раптове скидання навантаження та з інших причин, генератор можна примусово розмагнічувати, щоб обмежити надмірне збільшення напруги на клемах генератора. (5) Покращити статичну стабільність енергосистеми. (6) Коли всередині генератора та на його підвідних проводах виникає міжфазне коротке замикання або напруга на клемах генератора занадто висока, розмагнічування виконується швидко, щоб обмежити поширення аварії. (7) Реактивна потужність паралельних генераторів може бути розподілена розумно.
3. Класифікація систем збудження. Залежно від способу отримання струму збудження генератором (тобто від способу живлення джерела збудження), системи збудження можна розділити на зовнішні та самозбуджувальні: струм збудження, отриманий від інших джерел живлення, називається зовнішнім збудженням; струм збудження, отриманий від самого генератора, називається самозбудженням. За способом випрямлення їх можна розділити на обертові та статичні. Статичні системи збудження не мають спеціального механізму збудження. Якщо вони отримують потужність збудження від самого генератора, це називається статичними системами із самозбудженням. Статичні системи збудження із самозбудженням можна розділити на самопаралельне збудження та самоскладне збудження.
Найпоширенішим методом збудження є самопаралельне статичне збудження, як показано на рисунку нижче. Він отримує потужність збудження через випрямний трансформатор, підключений до виходу генератора, і подає струм збудження генератора після випрямлення.
Схема підключення системи збудження статичного випрямляча з самопаралельним збудженням
Система статичного збудження з самопаралельним збудженням складається переважно з таких частин: трансформатора збудження, випрямляча, пристрою розмагнічування, регулятора та пристрою захисту від перенапруги. Ці п'ять частин відповідно виконують такі функції:
(1) Трансформатор збудження: Зменште напругу на кінці машини до напруги, що відповідає випрямлячу.
(2) Випрямляч: це основний компонент усієї системи. Для виконання завдання перетворення змінного струму на постійний часто використовується трифазна повністю керована мостова схема.
(3) Пристрій розмагнічування: Пристрій розмагнічування складається з двох частин, а саме: перемикача розмагнічування та резистора розмагнічування. Цей пристрій відповідає за швидке розмагнічування пристрою у разі аварії.
(4) Контролер регулювання: Пристрій керування системою збудження змінює струм збудження, контролюючи кут провідності тиристора випрямного пристрою для досягнення ефекту регулювання реактивної потужності та напруги генератора.
(5) Захист від перенапруги: Коли в колі ротора генератора виникає перенапруга, коло вмикається для споживання енергії перенапруги, обмеження значення перенапруги та захисту обмотки ротора генератора та підключеного до нього обладнання.
Перевагами статичної системи збудження з самопаралельним збудженням є: проста структура, менше обладнання, низькі інвестиції та менше обслуговування. Недоліком є те, що при короткому замиканні генератора або системи струм збудження зникає або значно падає, тоді як струм збудження в цей час слід значно збільшити (тобто примусове збудження). Однак, враховуючи, що сучасні великі агрегати здебільшого використовують закриті шини, а високовольтні електромережі, як правило, оснащені швидким захистом та високою надійністю, кількість агрегатів, що використовують цей метод збудження, зростає, і це також метод збудження, рекомендований нормативними актами та специфікаціями. 4. Електричне гальмування агрегату. Коли агрегат розвантажується та вимикається, частина механічної енергії накопичується завдяки величезній інерції обертання ротора. Цю частину енергії можна повністю зупинити лише після її перетворення на теплову енергію тертя опорного підшипника, напрямного підшипника та повітря. Оскільки втрати на тертя повітря пропорційні квадрату лінійної швидкості кола, швидкість ротора спочатку дуже швидко падає, а потім він довго працює на холостому ходу з низькою швидкістю. Коли агрегат працює тривалий час на низькій швидкості, опорна втулка може перегоріти, оскільки масляна плівка між дзеркальною пластиною під опорною головкою та втулкою підшипника не може бути утворена. З цієї причини, під час процесу зупинки, коли швидкість агрегату падає до певного заданого значення, необхідно використовувати гальмівну систему агрегату. Гальмування агрегату поділяється на електричне гальмування, механічне гальмування та комбіноване гальмування. Електричне гальмування полягає в короткому замиканні статора трифазного генератора на виході з боку машини після того, як генератор відключено та розмагнічено, та очікуванні, поки швидкість агрегату знизиться приблизно до 50%-60% від номінальної швидкості. За допомогою серії логічних операцій забезпечується гальмівна потужність, і регулятор збудження перемикається в режим електричного гальмування, щоб додати струм збудження до обмотки ротора генератора. Оскільки генератор обертається, статор індукує струм короткого замикання під дією магнітного поля ротора. Генерований електромагнітний момент спрямований прямо протилежно інерційному напрямку ротора, що відіграє гальмівну роль. У процесі реалізації електричного гальмування необхідно забезпечити зовнішнє джерело живлення гальмівної системи, що тісно пов'язано зі структурою основного кола системи збудження. Різні способи отримання джерела живлення збудження електричного гальма показані на рисунку нижче.
Різні способи отримання живлення збудження електричного гальма
У першому випадку пристрій збудження використовується методом самопаралельного підключення збудження. Коли кінець машини короткозамкнений, трансформатор збудження не має живлення. Живлення гальмування надходить від спеціального гальмівного трансформатора, а гальмівний трансформатор підключений до електромережі електростанції. Як згадувалося вище, більшість гідроелектростанцій використовують статичну випрямляючу систему збудження з самопаралельним збудженням, і економічніше використовувати випрямний міст для системи збудження та електричної гальмівної системи. Тому цей метод отримання живлення електричного гальмівного збудження є більш поширеним. Робочий процес електричного гальмування за цим методом виглядає наступним чином:
(1) Автоматичний вимикач на виході блоку вимикається, і система відключається.
(2) Обмотка ротора розмагнічується.
(3) Вимикач живлення на вторинній обмотці трансформатора збудження розімкнено.
(4) Короткозамикаючий вимикач електричного гальма агрегату замкнутий.
(5) Вимикач живлення на вторинній обмотці електричного гальмівного трансформатора замкнутий.
(6) Тиристор випрямного моста спрацьовує для проведення струму, і пристрій переходить у стан електричного гальмування.
(7) Коли швидкість агрегату дорівнює нулю, електричне гальмо відпускається (якщо використовується комбіноване гальмування, то коли швидкість досягає 5% - 10% від номінальної швидкості, застосовується механічне гальмування). 5. Інтелектуальна система збудження Інтелектуальна гідроелектростанція - це гідроелектростанція або група гідроелектростанцій з оцифруванням інформації, комунікаційними мережами, інтегрованою стандартизацією, бізнес-взаємодією, оптимізацією роботи та інтелектуальним прийняттям рішень. Інтелектуальні гідроелектростанції вертикально поділяються на технологічний рівень, рівень блоку та рівень керування станцією, використовуючи 3-рівневу 2-мережеву структуру мережі технологічного рівня (мережа GOOSE, мережа SV) та мережі рівня керування станцією (мережа MMS). Інтелектуальні гідроелектростанції потребують підтримки інтелектуальним обладнанням. Як основна система керування гідротурбінним генераторним агрегатом, технологічний розвиток системи збудження відіграє важливу допоміжну роль у будівництві інтелектуальних гідроелектростанцій.
В інтелектуальних гідроелектростанціях, окрім виконання основних завдань, таких як запуск та зупинка турбогенератора, збільшення та зменшення реактивної потужності, а також аварійне вимкнення, система збудження також повинна відповідати функціям моделювання даних та зв'язку стандарту IEC61850, а також підтримувати зв'язок з мережею рівня керування станцією (мережа MMS) та мережею рівня процесу (мережа GOOSE та мережа SV). Пристрій системи збудження розташований на рівні блоку структури системи інтелектуальної гідроелектростанції, а блок об'єднання, інтелектуальний термінал, допоміжний блок керування та інші пристрої або інтелектуальне обладнання розташовані на рівні процесу. Структура системи показана на рисунку нижче.
Інтелектуальна система збудження
Головний комп'ютер рівня керування станцією інтелектуальної гідроелектростанції відповідає вимогам стандарту зв'язку IEC61850 та надсилає сигнал системи збудження до головного комп'ютера системи моніторингу через мережу MMS. Інтелектуальна система збудження повинна мати можливість підключатися до мережі GOOSE та комутаторів мережі SV для збору даних на рівні процесу. Рівень процесу вимагає, щоб дані, що виводяться CT, PT та локальними компонентами, були в цифровому вигляді. CT та PT підключаються до блоку об'єднання (електронні трансформатори з'єднані оптичними кабелями, а електромагнітні трансформатори - кабелями). Після оцифрування даних про струм та напругу вони підключаються до комутатора мережі SV за допомогою оптичних кабелів. Локальні компоненти повинні бути підключені до інтелектуального терміналу за допомогою кабелів, а сигнали комутатора або аналогові сигнали перетворюються на цифрові сигнали та передаються до комутатора мережі GOOSE за допомогою оптичних кабелів. Наразі система збудження в основному має функцію зв'язку з мережею MMS рівня керування станцією та мережею GOOSE/SV рівня процесу. Окрім відповідності вимогам мережевої інформаційної взаємодії стандарту зв'язку IEC61850, інтелектуальна система збудження також повинна мати комплексний онлайн-моніторинг, інтелектуальну діагностику несправностей, а також зручне тестування та обслуговування. Продуктивність та ефект застосування повністю функціонального інтелектуального пристрою збудження необхідно перевірити в майбутніх реальних інженерних застосуваннях.
Час публікації: 09 жовтня 2024 р.
