CN101924513B - 泵站水泵反向发电运行功率调节系统 - Google Patents
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Abstract
一种泵站技术领域的泵站水泵反向发电运行功率调节系统。包括四象限变频器、输入断路器QS、输出断路器QFI、隔离开关QF和监控系统，四象限变频器网侧通过断路器QFI接入升压变压器，再连接到电网，机侧通过输入断路器QS与发电机水泵装置相连，隔离开关QF的两端分别连接到输出断路器QFI和输入断路器QS，监控系统与四象限变频器连接实时调节频率，同时监控系统与发电机水泵装置相连接收转速信息和发电功率信息进行励磁控制。本发明具有时刻保持发电机最大发电效率、运行灵活、调节方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种泵站技术领域的调节系统，具体地，涉及一种采用四象限高压变频器的泵站水泵反向发电运行功率调节系统。
背景技术
现有技术中的性能良好的水泵可作为水轮机运行，由于在水泵设计时是按水泵自身最高运行效率选择，同时要克服流道损失，一般高效率区扬程较高，而水泵作为水轮机运行时，其反向发电运行时的水头往往比抽水运行时的额定扬程要小，因此，同转速运行方式对一般水泵来说，其运行效率偏低，不能有效利用水资源。即直接采用同转速发电一般效率很低，通过降低水泵(水轮机)转速可以获得更大的效率，但一般泵站采用同步电机，调速较为困难。为提高发电效率，目前泵站水泵在反向发电运行时一般采取增极降速、机组频率变换等方式。
现有的水泵作为水轮机同转速发电运行模式，水轮发电机直接并入电网后以同步转速运行，但同转速反向发电运行时的高效区一般出现在水头高于水泵工况时的扬程，而泵站水泵反向发电运行时的水头较低，所以同转速发电运行方式效率偏低，不能有效利用水资源。由于水泵反向发电时的最优转速比抽水运行时低，因此可以通过增加电机极对数来降低电机转速的方法来提高发电效率。虽然该方法能在一定程度上提高发电效率，但是电机需做成变极电机，且极数不能任意调节，以致不能灵活应对水头的变化。
水泵作为水轮机变速发电运行模式也有采用发电电动机机组型式的转速(频率)变换装置，通过水轮发电机发出的电能带动低转速(低频率)的电动机运行，低转速的电动机再带动工频(50Hz)发电机运行，达到并网发电目的。机组型式的转速变换装置在一定程度上提高了水泵发电效率，但由于机组运行频率的不可调节性，当发电水头改变时，其仍不能维持水轮机处于最佳发电运行效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种泵站水泵反向发电运行功率调节系统。本发明所要解决的技术问题是在水力发电中具有时刻保持水泵发电机最大发电效率、运行灵活、调节方便这样性能的运行模式。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括四象限变频器、输入断路器QS、输出断路器QFI、隔离开关QF和监控系统，四象限变频器网侧通过断路器QFI接入升压变压器，再进一步连接到电网，机侧通过输入断路器QS与发电机水泵装置相连，隔离开关QF的两端分别连接到输出断路器QFI和输入断路器QS，监控系统与四象限变频器连接实时调节频率，同时监控系统与发电机水泵装置相连接收转速信息和发电功率信息进行励磁控制，监控系统还与水库信息连接实时接受水源信息变化。
所述的四象限高压变频器为能量双向流动变频器。
所述的监控系统，当水源水头变化时，监控系统发出控制信息自动调整发电功率。
所述的监控系统是一个分别对发电机输出功率控制调节和对四象限变频器控制的闭环调节系统。
所述的四象限变频器结构为6kV或10kV的高压变频器，由移相隔离变压器、功率单元、控制器组成，四象限变频器直接高压接入、高压输出，采用若干个功率单元串联方式实现高压变换；电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后和功率单元相连，功率单元为能量可双向流动的交-直-交电压源型变换结构，将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压变换；高压变频器的移相变压器原边绕组直接联到电网侧，副边有18个二次绕组，采用延边三角形联结，分为6个相位组。
本发明监控系统根据水头的变化，调节四象限变频器的输出频率从而改变发电机及水泵水轮机在起动运行过程中的运行转速，水泵水轮机最佳效率输出点的确定通过发电机实时输出的最大功率来确定和控制发电机励磁的投入。
本发明使得作为水轮机运行的水泵时刻保持最高发电效率，其通过四象限变频器回送给电网的的电能质量优于国家相关标准；同时，四象限变频器的采用可使水泵由电动状态平稳的过渡到发电状态，自同期并网，极大降低了发电机并网时受到的冲击。相比机组变频发电方式，采用四象限变频器发电除提高发电效率外，还具有操作灵活、维护简单等特点。
附图说明
图1是本发明的水泵采用四象限变频器的调速发电示意图；
图2是本发明的四象限功率单元结构示意图；
图3是本发明的四象限高压变频器拓扑示意图；
图4是现有技术的水泵同转速发电运行示意图；
图5是现有技术的机组转速(频率)变换的水泵降速发电运行示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例用作水轮机的水泵反向发电运行调节系统
本实施例包括四象限变频器、输入断路器QS、输出断路器QFI、隔离开关QF和监控系统，四象限变频器网侧通过断路器QFI接入升压变压器，再进一步连接到电网，机侧通过输入断路器QS与发电机水泵装置相连，隔离开关QF的两端分别连接到输出断路器QFI和输入断路器QS，监控系统与四象限变频器连接实时调节频率，同时监控系统与发电机水泵装置相连接收转速信息和发电功率信息进行励磁控制，监控系统还与水库信息连接实时接受水源信息变化。
所述的四象限变频器网侧通过输出断路器QFI接入电网，机侧通过输入断路器QS与水泵发电机相连。在水泵运行在电动抽水状态时，隔离开关QF闭合，QFI和QS断开，电能从电网流向水泵电动机。在水泵作为水轮机运行在发电状态时，QF断开，QFI和QS闭合，电能可通过变频变换装置流向电网。
本实施例具体实施运行为：首先，四象限变频器带动水泵电机起动运行，此时水泵电机处于抽水反向电动运行状态；然后，开启水路管道闸门，水流经流道开始倒流并冲击水轮机转动当水轮机启动到亚同步状态时，自动投励，快速闸门继续开启至最高位；最后，电机由电动状态逐步转入发电状态运行，此时四象限变频器的能量流向发生转变，由网侧流向机侧改为由机侧流向网侧，向电网输出电能。电机发电运行平稳后，根据水头的变化，监控系统升高或降低变频器给定运行频率，从而随时调整机侧运行频率。
如图2所示，为本实施例的四象限变频器功率单元结构，其是交直交电压源型变换结构，整流和逆变部分均采用全控型功率器件IGBT(绝缘栅型双极性晶体管)，实现能量的双向流动控制。
如图3所示，为实施例根据电网电压的不同，四象限变频器一般为6kV或10kV的高压变频器，由移相隔离变压器、功率单元、控制器组成。四象限变频器直接高压接入、高压输出，采用若干个功率单元串联方式实现高压变换，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后和功率单元相连，功率单元为能量可双向流动的交-直-交电压源型变换结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压变换。高压变频器的移相变压器采用多重化设计，以达到降低网侧谐波的目的。变压器原边绕组直接联到电网侧，副边有18个二次绕组，采用延边三角形联结，分为6个不同的相位组。
本实施例的监控系统，水泵发电机在变频器输出频率的带动下转速随时调整，其发电输出功率也随时变化，功率调节系统根据输出功率变化的不同，选择最大功率输出点对应的运行频率发送给变频器。
本实施例完全克服了现有技术中的不足，如图4所示的现有的水泵作为水轮机同转速发电运行模式，水轮发电机直接并入电网后以同步转速运行，但同转速反向发电运行时的高效区一般出现在水头高于水泵工况时的扬程，而泵站水泵反向发电运行时的水头较低，所以同转速发电运行方式效率偏低，不能有效利用水资源。由于水泵反向发电时的最优转速比抽水运行时低，因此可以通过增加电机极对数来降低电机转速的方法来提高发电效率。虽然该方法能在一定程度上提高发电效率，但是电机需做成变极电机，且极数不能任意调节，以致不能灵活应对水头的变化。如图5所示的采用发电电动机机组型式的转速(频率)变换装置，通过水轮发电机发出的电能带动低转速(低频率)的电动机运行，低转速的电动机再带动工频(50Hz)发电机运行，达到并网发电目的。机组型式的转速变换装置在一定程度上提高了水泵发电效率，但由于机组运行频率的不可调节性，当发电水头改变时，其仍不能维持水轮机处于最佳发电运行效率。
Claims (4)
1.一种泵站水泵反向发电运行功率调节系统，包括输入断路器QS、输出断路器QFI、隔离开关QF和监控系统，其特征在于，还包括四象限变频器，四象限变频器网侧通过断路器QFI接入升压变压器，再进一步连接到电网，机侧通过输入断路器QS与发电机水泵装置相连，隔离开关QF的两端分别连接到输出断路器QFI和输入断路器QS，监控系统与四象限变频器连接实时调节频率，同时监控系统与发电机水泵装置相连接收转速信息和发电功率信息进行励磁控制，监控系统还与水库信息连接实时接受水源信息变化；所述的四象限变频器为能量双向流动变频器；
所述的四象限变频器由移相隔离变压器、功率单元、控制器组成，采用若干个功率单元串联方式实现高压变换；电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后和功率单元相连，功率单元为能量可双向流动的交-直-交电压源型变换结构，将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压变换；四象限变频器的移相变压器原边绕组直接联到电网侧，副边有18个二次绕组，采用延边三角形联结，分为6个相位组。
2.根据权利要求1所述的泵站水泵反向发电运行功率调节系统，其特征是，所述的四象限变频器结构为6kV或10kV的高压变频器，直接高压接入、高压输出。
3.根据权利要求1所述的泵站水泵反向发电运行功率调节系统，其特征是，所述的监控系统，当水源水头变化时，监控系统发出控制信息自动调整发电功率。
4.根据权利要求1或者3所述的泵站水泵反向发电运行功率调节系统，其特征是，所述的监控系统是一个分别对发电机输出功率控制调节和对四象限变频器控制的闭环调节系统。
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