CN104300573B - 一种小微水电机组及其综合控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小微水电机组及其综合控制装置，是用于小微水电站小容量发电机组的控制装置，所述综合控制装置包括CPU单元，以及分别与CPU单元连接的模拟通道电路单元、交流电压电流采集电路单元、脉冲电路单元、I/O单元和电源单元；所述的模拟通道电路单元和脉冲电路单元连接；所述的模拟通道电路单元主要由模拟PID电路、控制电压限幅电路和脉冲发生电路构成。对于小微水电300kW或300kW以下的发电机组，该装置附加模拟励磁通道，组成数字/模拟双通道励磁的冗余热备结构，极大的提高了装置的励磁控制可靠性，并集成了同期并网和继电保护功能，提高了发电效率和供电灵活性，减少了设备数量，减轻了维护工作量。

Description

一种小微水电机组及其综合控制装置
技术领域
本发明涉及一种小微水电机组及其综合控制装置，具体涉及了一种具备同步发电机励磁控制、并网和保护功能的小微水电机组及其综合控制装置。
背景技术
在国内，存在众多的小微水电站，这些小微水电站的单机容量大都≤300kW，虽然单机容量小，但有着庞大的数量和广阔的分布面积，是电网的电源之一。由于小微水电站单机容量低，单位装机容量的建设、运营成本一般较高。小微水电机组的辅助设备大都采用的是分立结构，即将励磁、并网和保护等设备自成系统独立运行，增加了投资成本、安装空间和维护工作量。早期建设小微水电站机组，设备老旧、故障频发，急需更换。且随着物价的逐年攀升，单位装机容量的运行成本随之增高，从而导致对小微水电站的投资回报逐年降低。这类电站的建设步伐也因投资与回报的矛盾趋于停滞状态，部分已建电站甚至因亏损而停运。因此针对小微电站小容量机组开发一种高性价比的综合控制装置，对小微水电站建设与改造有深远意义。
近几年国内专利数据库公开了一些相关的专利技术：
例如【专利号】CN201120279551，【名称】一种同步发电机励磁装置，【公告号】CN202127381U，该实用新型公开了一种同步发电机励磁装置，包括微处理器以及与其连接的晶闸管整流电路、电源同步变压器、负反馈电路、调差控制电路和故障保护电路，以及与微处理器连接的人机操作界面，其中，所述负反馈电路设在晶闸管整流电路输出端或定子电源上，并且，电源通过整流变压器与晶闸管整流电路连接在一起。该实用新型在采取了上述技术方案以后，具有结构紧凑、安装维护方便、调节灵敏、人机界面友好、性能极其稳定可靠等诸多优点；并且，由于上述微处理器的控制，使其能够满足水轮发电机单机或并网运行方式的要求，也可用于同等容量的柴油发电机的励磁电源之用。但是，该实用新型没有附加模拟励磁控制通道，不能形成数字/模拟双通道励磁的工作方式，因此励磁控制的可靠性比较低。
例如【专利号】CN201120135344，【名称】水轮发电机组综合控制装置，【公告号】CN202065119U，该实用新型涉及一种水轮发电机组综合控制装置，包括有智能调节器，分别向智能调节器输入模拟量信号的：三相机组电压测量电路、电网电压测量电路、三相机组电流测量电路、频率测量电路、励磁电压电流测量电路、调速器接力器开度反馈测量电路、水头及油压测量电路以及温度信号测量电路，用于与智能调节器进行通讯的通讯电路，分别与智能调节器相连的I/O扩展电路和液晶及键盘电路，与智能调节器输出相连的数字表驱动电路、励磁输出电路以及比例阀驱动电路。该实用新型可实现对水轮发电机组的所有控制，包括：机组自动控制流程（开机、停机、紧急事故停机、增减负荷、自动闭环控制等），调速器，励磁，断路器操作，同期，辅机控制，温度测量等。但是该实用新型不能形成数字/模拟双通道励磁的工作方式，因此不能更好地提高励磁控制的可靠性，同时该实用新型也不能有效地实现发电机并网和保护功能。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、运行可靠、价格低廉的，集成了同步发电机励磁控制、并网和保护功能的小微水电机组及其综合控制装置。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种小微水电机组综合控制装置，包括CPU单元，以及分别与CPU单元连接的模拟通道电路单元、交流电压电流采集电路单元、脉冲电路单元、I/O单元和电源单元；所述的模拟通道电路单元和脉冲电路单元连接；所述的模拟通道电路单元主要由模拟PID电路、控制电压限幅电路和脉冲发生电路构成。
所述CPU单元是装置控制核心，通过采样模拟量信号和开关量信号，实现数字励磁控制通道、并网和保护控制；模拟通道电路单元实现模拟通道励磁控制功能，作为数字通道的后备通道，并与数字通道触发角能够相互实时跟踪。
作为本发明的进一步说明，所述的模拟PID电路主要由运算放大器IC4、IC5、电阻R1～R10以及电容C1～C4、C6和C7构成，输入信号为给定电压信号VG和发电机机端反馈电压信号VB，输出信号为脉冲移相控制电压信号VR；所述运算放大器IC4中，反相输入端经串联电阻R1、R2后，接入给定电压信号VG，同相输入端经串联电阻R3后接地；所述运算放大器IC4的引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述电容C1一端接地，另一端通过节点连接在电阻R1和电阻R2之间；所述电阻R4两端分别连接运算放大器IC4的反相输入端和输出端，并与电容C2并联；所述运算放大器IC4输出端与电阻R5、R6串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接；所述电容C3一端接地，另一端通过节点连接在电阻R5和电阻R6之间；所述电阻R9和电阻R10串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接，所述电容C6一端接地，另一端通过节点连接在电阻R9和电阻R10之间，所述电容C7与电阻R9和电阻R10并联；所述运算放大器IC5同相输入端连接电阻R8后，电阻R8另一端接地，所述电阻R7两端分别连接运算放大器IC5的反相输入端和输出端，并与电容C4并联连接；所述运算放大器IC5的输出端输出控制电压VR，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极。
所述运算放大器IC4的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6；所述运算放大器IC5的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6。
作为本发明的进一步说明，所述控制电压限幅电路主要由运算放大器IC3、电阻R12～R16、可调电阻RW1和RW2以及二极管D1、D2和电容C8、C9组成；所述运算放大器IC3中，反相输入端连接电阻R12并输入由模拟PID电路输出的控制电压VR，同相输入端连接可调电阻RW1的滑动线端，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述可调电阻RW1一端连接12V电压信号，另一端接地；所述电阻R13两端分别连接运算放大器IC3的反相输入端和输出端，并与C8并联，所述运算放大器IC3输出端与电阻R15和电阻R16串联，并输出控制电压信号VK；所述电容C9一端接地，另一端与运算放大器IC3输出端连接；所述二极管D1正极与可调电阻RW2滑动线端连接，负极经过运算放大器IC3输出端后与二极管D2正极连接，二极管D2负极接地，所述可调电阻RW2一端接地，另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接入12V电压信号。
所述运算放大器IC3的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6。
作为本发明的进一步说明，所述模拟通道电路单元中的脉冲发生电路主要由三相触发脉冲控制芯片IC1、反相器IC2、电阻R204、R205、可调电阻RW3和RW4构成；所述的三相触发脉冲控制芯片IC1中，管脚1串联电阻R204后接地，管脚10接地，管脚12输入由控制电压限幅电路输出的控制电压VK，管脚13和管脚14分别连接可调电阻RW4和RW3的滑动线端，管脚16通过R205连接CPU单元的禁止信号输出端，管脚20接入5V电压信号，管脚2、管脚3、管脚6、管脚8、管脚9、管脚11分别对应连接反相器IC2中的管脚1、管脚3、管脚5、管脚13、管脚11、管脚9；所述反相器IC2中管脚7接地，管脚14接5V电压信号。
为本发明的进一步说明，所述CPU单元采用DSP芯片，使控制装置更加稳定，控制精度更高。
作为本发明的进一步说明，所述CPU单元还连接有人机界面，所述人机界面设有显示屏和触摸屏，实现装置的智能控制。
作为本发明的进一步说明，所述电源单元采用220V的交流或直流电压，为装置提供工作电源。
一种小微水电机组，包括同步发电机、励磁变压器、并网断路器、可控硅整流桥、定子CT、励磁专用PT、仪表专用PT、系统电压PT、同步变压器以及励磁变压器CT；还包括如上所述的小微水电机组综合控制装置。
作为本发明的进一步说明，所述综合控制装置的交流电压电流采集电路单元与机端励磁专用PT、仪表专用PT、系统电压PT、励磁变压器CT、定子CT和转子CT相连；所述定子CT位于同步发电机定子绕组中性点侧；所述综合控制装置的脉冲电路单元与同步变压器相连，并与由晶闸管构成的可控硅整流桥的所有晶闸管门极相连；所述综合控制装置I/O单元与并网断路器相连。
所述交流电压电流采集电路单元与机端励磁专用PT、仪表专用PT、系统电压PT、励磁变压器CT、定子CT和转子CT相连，采集机端电压、系统电压、励磁变压器电流、定子三相电流和转子电流；
所述脉冲电路单元与同步变压器TB相连，采集同步信号；
所述脉冲电路单元与由晶闸管构成的可控硅整流桥的所有晶闸管门极相连，输出6路脉冲信号触发晶闸管导通；
所述I/O单元与并网断路器相连，控制断路器的分合闸，实现并网和保护功能，并输入或输出其他开关量控制信号。
作为本发明的进一步说明，所述的小微水电机组是小微型水电站容量在300kW或300kW以下的机组。
在本发明中，交流电压电流采集电路单元、脉冲电路单元、I/O单元和电源单元的电路设计采用本领域的常规电路设计即可，或是从市场上直接购买相应的电路单元芯片（或集成模块），无需自行设计，且对电路单元的具体型号无具体要求，只要能够实现相应的电路功能即可。
本发明的工作原理：
将小微水电机组综合控制装置的交流电压电流采集电路单元与励磁专用PT、仪表专用PT、系统电压PT、定子CT、转子CT相连，并将同步发电机出口断路器分、合闸控制回路节点、调速器增、减回路节点、起励控制回路节点和停机回路节点等开关量信号接入I/O单元，将同步信号和晶闸管触发脉节点与脉冲电路单元相连接。当接收到起励信号时，装置可由数字通道或模拟通道，进行起励控制，使发电机起励建压。当接收到并网信号时，装置采样机端和系统的电压与频率，同时调整晶闸管脉冲触发角和发出增、减调速信号，使机端和系统的电压、频率达到并网条件，并发出发电机出口断路器合闸信号，实现机组并网。当接到停机信号时，通过励磁控制功能将无功功率降到零，同时通过调速器的增、减节点将有功功率调至零，然后发出跳闸指令将发电机解列，装置保护功能实时采样发电机电压、电流以及其他数据，当发电机短路、过流、过压、过负荷时，发出断路器跳闸信号，灭磁停机，保护发电机。
本发明的优点：
1. 本发明在数字励磁通道的基础上，附加了模拟励磁通道，组成数字/模拟双通道励磁的冗余热备结构，极大的提高了装置的励磁控制可靠性、稳定性。
2. 本发明装置以小微水电300kW或300kW以下的发电机组为控制对象，应用该装置使系统连接简单、方便。
3. 本发明在机组励磁控制的功能上集成了同期并网和继电保护功能，减少了设备数量，减轻了维护工作量，具备很高的性价比。
4. 本发明采用DSP芯片，使控制装置更加稳定，控制精度更高。
5.本发明设有显示屏和触摸屏，实现装置的智能控制，利于用户的控制使用。
6.本发明可以采用220V的交流或直流电源，使用更加方便。
7.本装置的励磁控制工作通道可手动进行切换：
当数字通道工作时，且模拟通道正常，模拟通道控制电压跟踪数字通道移相角，当数字通道故障时，自动切换至模拟通道工作；
当模拟通道工作时，且数字通道正常，数字通道移相角跟踪模拟通道控制电压，当模拟通道故障时，自动切换至数字通道工作，提高供电的可靠性、灵活性以及发电效率。
附图说明
图1是本发明综合控制装置连接示意图。
图2是本发明小微水电机组连接示意图。
图3是本发明模拟PID电路原理图。
图4是本发明控制电压限幅电路原理图。
图5是本发明脉冲发生电路原理图。
图中：21-小微水电机组综合控制装置，22-同步发电机，23-励磁变压器，24-并网断路器，25-可控硅整流桥，26-定子CT，27-励磁专用PT，28-仪表专用PT，29-系统电压PT，30-同步变压器，31-励磁变压器CT。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
本实施例包括CPU单元，以及分别与CPU单元连接的模拟通道电路单元、交流电压电流采集电路单元、脉冲电路单元、I/O单元和电源单元；所述的模拟通道电路单元和脉冲电路单元连接；所述的模拟通道电路单元主要由模拟PID电路、控制电压限幅电路和脉冲发生电路构成。
本实施例所述的模拟PID电路主要由运算放大器IC4、IC5、电阻R1～R10以及电容C1～C4、C6和C7构成，输入信号为给定电压信号VG和发电机机端反馈电压信号VB，输出信号为脉冲移相控制电压信号VR；所述运算放大器IC4中，反相输入端经串联电阻R1、R2后，接入给定电压信号VG，同相输入端经串联电阻R3后接地；所述运算放大器IC4的引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述电容C1一端接地，另一端通过节点连接在电阻R1和电阻R2之间；所述电阻R4两端分别连接运算放大器IC4的反相输入端和输出端，并与电容C2并联；所述运算放大器IC4输出端与电阻R5、R6串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接；所述电容C3一端接地，另一端通过节点连接在电阻R5和电阻R6之间；所述电阻R9和电阻R10串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接，所述电容C6一端接地，另一端通过节点连接在电阻R9和电阻R10之间，所述电容C7与电阻R9和电阻R10并联；所述运算放大器IC5同相输入端连接电阻R8后，电阻R8另一端接地，所述电阻R7两端分别连接运算放大器IC5的反相输入端和输出端，并与电容C4并联连接；所述运算放大器IC5的输出端输出控制电压VR，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极。
所述运算放大器IC4的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6；所述运算放大器IC5的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6。
所述控制电压限幅电路主要由运算放大器IC3、电阻R12～R16、可调电阻RW1和RW2以及二极管D1、D2和电容C8、C9组成；所述运算放大器IC3中，反相输入端连接电阻R12并输入由模拟PID电路输出的控制电压VR，同相输入端连接可调电阻RW1的滑动线端，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述可调电阻RW1一端连接12V电压信号，另一端接地；所述电阻R13两端分别连接运算放大器IC3的反相输入端和输出端，并与C8并联，所述运算放大器IC3输出端与电阻R15和电阻R16串联，并输出控制电压信号VK；所述电容C9一端接地，另一端与运算放大器IC3输出端连接；所述二极管D1正极与可调电阻RW2滑动线端连接，负极经过运算放大器IC3输出端后与二极管D2正极连接，二极管D2负极接地，所述可调电阻RW2一端接地，另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接入12V电压信号。
所述运算放大器IC3的反相输入端、同相输入端和输出端分别是其引脚2、引脚3和引脚6。
所述模拟通道电路单元中的脉冲发生电路主要由三相触发脉冲控制芯片IC1、反相器IC2、电阻R204、R205、可调电阻RW3和RW4构成；所述的三相触发脉冲控制芯片IC1中，管脚1串联电阻R204后接地，管脚10接地，管脚12输入由控制电压限幅电路输出的控制电压VK，管脚13和管脚14分别连接可调电阻RW4和RW3的滑动线端，管脚16通过R205连接CPU单元的禁止信号输出端，管脚20接入5V电压信号，管脚2、管脚3、管脚6、管脚8、管脚9、管脚11分别对应连接反相器IC2中的管脚1、管脚3、管脚5、管脚13、管脚11、管脚9；所述反相器IC2中管脚7接地，管脚14接5V电压信号。
本实施例所述CPU单元采用DSP芯片，所述CPU单元还连接有人机界面，所述人机界面设有显示屏和触摸屏。所述电源单元采用采用220V的交流或直流电压。所述小微水电机组综合控制装置21与小微水电机组连接；所述小微水电机组包括同步发电机22、励磁变压器23、并网断路器24、可控硅整流桥25、定子CT26、励磁专用PT27、仪表专用PT28、系统电压PT29、同步变压器30以及励磁变压器CT31。所述交流电压电流采集电路单元与机端励磁专用PT27、仪表专用PT28、系统电压PT29、励磁变压器CT31和定子CT26以及转子CT相连；所述定子CT26位于同步发电机22定子绕组中性点侧；所述脉冲电路单元与同步变压器30相连，并与由晶闸管构成的可控硅整流桥25的所有晶闸管门极相连；所述I/O单元与并网断路器24相连。所述的小微水电机组是小微型水电站容量在300kW或300kW以下的机组。
当发电机转速达到额定转速的95%时，输入开机信号，装置执行空载起励动作，采样机端电压，调整输出触发脉冲的移相角，使发电机起励建压；输入并网信号，装置自动控制机端电压跟踪系统电压，当满足合闸条件时，发出并网脉冲，使机组并网发电；当系统出现故障时，如系统单相接地时，装置根据采样电压及电流信号，判别故障，并发出出口跳闸脉冲，保护机组；输入停机信号，装置进行逆变灭磁操作后闭锁脉冲。
当数字通道工作时，且模拟通道正常，模拟通道控制电压跟踪数字通道移相角，当数字通道故障时，自动切换至模拟通道工作。
当模拟通道工作时，且数字通道正常，数字通道移相角跟踪模拟通道控制电压，当模拟通道故障时，自动切换至数字通道工作。

Claims (9)

1.一种小微水电机组综合控制装置，其特征在于：包括CPU单元，以及分别与CPU单元连接的模拟通道电路单元、交流电压电流采集电路单元、脉冲电路单元、I/O单元和电源单元；所述的模拟通道电路单元和脉冲电路单元连接；所述的模拟通道电路单元主要由模拟PID电路、控制电压限幅电路和脉冲发生电路构成；
所述的模拟PID电路主要由运算放大器IC4、IC5、电阻R1～R10以及电容C1～C4、C6和C7构成，输入信号为给定电压信号VG和发电机机端反馈电压信号VB，输出信号为脉冲移相控制电压信号VR；所述运算放大器IC4中，反相输入端经串联电阻R1、R2后，接入给定电压信号VG，同相输入端经串联电阻R3后接地；所述运算放大器IC4的引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述电容C1一端接地，另一端通过节点连接在电阻R1和电阻R2之间；所述电阻R4两端分别连接运算放大器IC4的反相输入端和输出端，并与电容C2并联；所述运算放大器IC4输出端与电阻R5、R6串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接；所述电容C3一端接地，另一端通过节点连接在电阻R5和电阻R6之间；所述电阻R9和电阻R10串联后与运算放大器IC5的反相输入端连接，所述电容C6一端接地，另一端通过节点连接在电阻R9和电阻R10之间，所述电容C7与电阻R9和电阻R10并联；所述发电机机端反馈电压信号VB与电阻R9一端连接，电阻R9另一端与电阻R10连接；所述运算放大器IC5同相输入端连接电阻R8后，电阻R8另一端接地，所述电阻R7两端分别连接运算放大器IC5的反相输入端和输出端，并与电容C4并联连接；所述运算放大器IC5的输出端输出控制电压VR，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极。
2.根据权利要求1所述的小微水电机组综合控制装置，其特征在于：所述控制电压限幅电路主要由运算放大器IC3、电阻R12～R16、可调电阻RW1和RW2以及二极管D1、D2和电容C8、C9组成；所述运算放大器IC3中，反相输入端连接电阻R12并输入由模拟PID电路输出的控制电压VR，同相输入端连接可调电阻RW1的滑动线端，引脚7和引脚4分别连接12V电源的正负极；所述可调电阻RW1一端连接12V电压信号，另一端接地；所述电阻R13两端分别连接运算放大器IC3的反相输入端和输出端，并与C8并联，所述运算放大器IC3输出端与电阻R15和电阻R16串联，并输出控制电压信号VK；所述电容C9一端接地，另一端与运算放大器IC3输出端连接；所述二极管D1正极与可调电阻RW2滑动线端连接，负极经过运算放大器IC3输出端后与二极管D2正极连接，二极管D2负极接地，所述可调电阻RW2一端接地，另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接入12V电压信号。
3.根据权利要求2所述的小微水电机组综合控制装置，其特征在于：所述模拟通道电路单元中的脉冲发生电路主要由三相触发脉冲控制芯片IC1、反相器IC2、电阻R204、R205、可调电阻RW3和RW4构成；所述的三相触发脉冲控制芯片IC1中，管脚1串联电阻R204后接地，管脚10接地，管脚12输入由控制电压限幅电路输出的控制电压VK，管脚13和管脚14分别连接可调电阻RW4和RW3的滑动线端，管脚16通过R205连接CPU单元的禁止信号输出端，管脚20接入5V电压信号，管脚2、管脚3、管脚6、管脚8、管脚9、管脚11分别对应连接反相器IC2中的管脚1、管脚3、管脚5、管脚13、管脚11、管脚9；所述反相器IC2中管脚7接地，管脚14接5V电压信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的小微水电机组综合控制装置，其特征在于：所述CPU单元采用DSP芯片。
5.根据权利要求4所述的小微水电机组综合控制装置，其特征在于：所述CPU单元还连接有人机界面，所述人机界面设有显示屏和触摸屏。
6.根据权利要求5所述的小微水电机组综合控制装置，其特征在于：所述电源单元采用220V的交流或直流电压。
7.一种小微水电机组，包括同步发电机（22）、励磁变压器（23）、并网断路器（24）、可控硅整流桥（25）、定子CT（26）、励磁专用PT（27）、仪表专用PT（28）、系统电压PT（29）、同步变压器（30）以及励磁变压器CT（31）；其特征在于：还包括如权利要求1-6任一所述的小微水电机组综合控制装置（21）。
8.根据权利要求7所述的小微水电机组，其特征在于：所述小微水电机组综合控制装置（21）的交流电压电流采集电路单元与机端励磁专用PT（27）、仪表专用PT（28）、系统电压PT（29）、励磁变压器CT（31）、定子CT（26）和转子CT相连；所述定子CT（26）位于同步发电机（22）定子绕组中性点侧；所述小微水电机组综合控制装置（21）的脉冲电路单元与同步变压器（30）相连，并与由晶闸管构成的可控硅整流桥（25）的所有晶闸管门极相连；所述小微水电机组综合控制装置（21）的I/O单元与并网断路器（24）相连。
9.根据权利要求7或8所述的小微水电机组，其特征在于：所述的小微水电机组是小微型水电站容量在300kW或300kW以下的机组。
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