CN104767223A - 一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，它包括升压变电站，升压变电站的低压进线侧连接变频软启动装置，变频软启动装置与发电机组的定子侧连接，发电机组的转子侧连接软连接装置，软连接装置与原动机的输出转动部分连接，采用上述结构，本发明通过变频调速装置并网，使发电机组初始时以大型电动机的状态工作，通过变频调速装置的调节，使发电机组平滑地运行到同步转速，有效保证并网过程中冲击电流限制在较小范围内。

Description

一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统及其使用方法

技术领域  

本发明属于高压输电领域，尤其涉及一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统及其操作方法。

背景技术

随着电力的快速发展，并网的水力发电机组和火力发电机组也逐年增加，对于这些旋转式发电机组，目前主要是通过准同期或自同期方式并网。准同期并列是将未投入系统的发电机加上励磁，并调节其电压和频率，在满足并列条件（即电压、频率、相位相同）时，将发电机投入系统，这种方法在理想情况下不会产生电流和电磁力矩的冲击，但在实际并网时由于并网条件（并列开关两侧的电压相差20%以内、开关两侧电源的频率相差0.15HZ以内、开关两侧电压的相位角相同、开关两侧的相序相同）多，并网耗时长，还不易成功，易对电网造成小的电流冲击。自同期并列是将未励磁的发电机通过原动机带动至接近同步转速，再将发电机投入系统并立即（或经一定时间）加上励磁，这样可使发电机在很短时间被自动拉入同步而完成并网操作，这种方法并网时间短但对系统有大的冲击电流，而且在并网合闸瞬间还会使系统电压下降。

发明内容  

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供的一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统及其使用方法，其能很好的解决发电机现有的并网方式耗时长、而且容易对系统有较大冲击电流以及在并网合闸瞬间还会使系统电压下降影响使用的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，它包括升压变电站，升压变电站的低压进线侧连接变频软启动装置，变频软启动装置与发电机组的定子侧连接，发电机组的转子侧连接软连接装置，软连接装置与原动机的输出转动部分连接，其中变频软启动装置包含开关装置、高压断路器、变频调速软启动器以及隔离开关，开关装置的两端分别连接升压变电站的低压进线侧和发电机组的定子侧；高压断路器的一端连接变频调速软启动装置，变频调速软启动装置的另一端连接隔离开关，高压断路器、变频调速软启动装置、隔离开关构成的串联整体与开关装置并联；

其中，软连接装置包含连接轴，连接轴的两端分别连接发电机组的转子侧和原动机的输出转动部分，连接轴的两端由绝缘支撑座支撑，支撑座上固定有轴承，轴承嵌套在连接轴上，连接轴的中间部分是飞轮装置和离合器装置，离合器装置嵌套在飞轮装置里面构成整体。

进一步的，轴承上固定有转速检测传感器模块，绝缘支撑座上放置有微处理器模块和无线信号发射模块，微处理器模块连接转速检测传感器模块和无线信号发射模块，微处理器模块为单片机, 无线信号发射模块和无线信号接收模块连接，无线信号接收模块与上位机连接。

所述轴承为FAG轴承。

所述转速检测传感器模块包含霍尔磁性元件U1，霍尔磁性元件U1用作转速检测传感器，霍尔磁性元件U1的1号引脚接12V直流电源、2号引脚接地、3号引脚与电阻R2和R3的一端相连，电阻R2的另一端连接发光二极管LED和电阻R1，发光二极管LED和电阻R1的另一端连接电阻R4、R5和12V直流电源，电阻R3的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R4的另一端连接三极管Q1的集电极和光耦隔离器U2的2号引脚，电阻R5的另一端连接光耦隔离器U2的1号引脚，所述单片机的型号为Atmega16L，光耦隔离器U2的4号引脚与电阻R6和单片机Atmega16L的14号引脚相连，光耦隔离器U2的3号引脚与地相连，电阻R6的另一端与5V直流电源相连。

所述无线信号发射模块包含无线信号处理芯片U3，无线信号处理芯片U3与无线信号发射天线U4相连，无线信号处理芯片U3的1号引脚连接晶振Y1、电阻R1和电容C1，电容C1的另一端接地，晶振Y1的另一端与电阻R1的另一端相连并连接电容C2和无线信号处理芯片U3的20号引脚，电容C2的另一端接地，无线信号处理芯片U3的2、8、13号引脚连接5V直流电源和电容C5、C6、C7、C8，电容C5、C6、C7、C8的另一端接地，无线信号处理芯片U3的3号引脚连接电容C3、C4和地，电容C3的另一端连接电阻R2和无线信号处理芯片U3的4号引脚，电容C4的另一端与电阻R2的另一端相连，无线信号处理芯片U3的5号引脚连接电感L1，电感L1的另一端连接无线信号处理芯片U3的6号引脚，无线信号处理芯片U3的11号引脚连接电阻R3，电阻R3的另一端接地，无线信号处理芯片U3的9、12、18、19号引脚分别与单片机Atmega16L的37、38、39、40号引脚相连。

所述无线信号接收模块包含串并口转换芯片U6，串并口转换芯片U6与信号接收模块U5和PC机串行接口相连接，信号接收模块U5连接接收信号天线E1，串并口转换芯片U6的1号引脚接电解电容C1的正极，电解电容C1的负极连接串并口转换芯片U6的3号引脚，串并口转换芯片U6的4号引脚接电解电容C2的正极，电解电容C2的负极连接串并口转换芯片U6的5号引脚，并口转换芯片U6的6号引脚接电解电容C4的正极，电解电容C4的负极接地，并口转换芯片U6的2号引脚接电解电容C3的正极，电解电容C3的负极连接电解电容C5的正极、5V直流电源和并口转换芯片U6的16号引脚，电解电容C5的负极接地，并口转换芯片U6的15号引脚接地。

所述原动机为水轮机或汽轮机。

所述开关装置为断路器和两个隔离开关的串联。

上述旋转式发电机组与原动机软连接并网系统的操作方法，具有以下步骤：

1）将升压变电站并入电网，升压变电站与发电机组间的开关装置处于打开状态，并通过软连接装置中的离合器使原动机和发电机组中发电机的转子轴处于正常连接状态；

2）在发电机组的发电机转子中加入正常的励磁电流，利用变频调速软启动装置逐步提高定子两端的电源频率，使发电机转子磁极在开始启动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力，此时同步发电机处于同步电动机状态；

3）当发电机组处于同步电动机状态并工作稳定后，合上升压变电站与发电机组间的开关装置，使变频调速软启动装置被短接，并将变频调速软启动装置两端的高压开关打开，使变频启动装置退出运行；

4）启动原动机，使原动机也达到与发电机组同步的转速，在原动机达到同步转速后，在正常并网情况下保持同步转速恒速运行。

进一步的，发电机组从电网脱网时，通过控制软连接装置中的离合器，使原动机与发电机转子轴上的飞轮轴分离，然后启动转子制动装置，使转子快速停转，使系统进入检修状态。

具体的，在步骤4）中原动机的同步转速n按公式n=60f/p来计算，转速单位为r/min，其中f表示电网频率，p表示发电机转子磁极对数。

采用上述结构，取得了如下技术效果：

（1）该系统通过变频调速装置并网，使发电机组初始时以大型电动机的状态工作，通过变频调速装置的调节，使发电机组平滑地运行到同步转速，有效保证并网过程中冲击电流限制在较小范围内。

（2）采用连接轴上装设飞轮和离合器，使原动机的动力输出具有类似于汽车的动力可调输出功能，当大电网出现短路或发电机故障时，能通过中央控制室控制连接轴上的离合器使原动机的动力输出与发电机的转子部分分离。

（3）原动机的转速通过监控调度中心的电脑主机控制，连接发电机转子和原动机的转轴通过两个轴承固定，轴承上放置有转速检测传感器，检测到的速度信号传送给单片机，经由单片机处理后传送给无线发射模块。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的系统框图；

图2为图1中软连接装置的结构示意图；

图3为转速测量检测电路的电路图；

图4为无线信号发射模块的电路图；

图5为无线信号接收模块的电路图；

图6为微处理器模块的电路图。

具体实施方式

如图1所示一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，它包括升压变电站1，升压变电站1的低压进线侧连接变频软启动装置，变频软启动装置与发电机组3的定子侧连接，发电机组3的转子侧连接软连接装置4，软连接装置4发射的无线信号被中央控制室的PC机上的无线信号接收模块6接收，软连接装置4与原动机5的输出转动部分连接，其中变频软启动装置包含开关装置201、高压断路器202、变频调速软启动器203以及隔离开关204，开关装置201的两端分别连接升压变电站2的低压进线侧和发电机组4的定子侧；高压断路器202的一端连接变频调速软启动装置203，变频调速软启动装置203的另一端连接隔离开关204，高压断路器202、变频调速软启动装置203、隔离开关204构成的串联整体与开关装置201并联；

其中，软连接装置4包含连接轴401，连接轴401的两端分别连接发电机组3的转子侧和原动机5的输出转动部分，连接轴401的两端由绝缘支撑座402支撑，支撑座上固定有轴承403，轴承403嵌套在连接轴401上，连接轴401的中间部分是飞轮装置407和离合器装置408，离合器装置408嵌套在飞轮装置407里面构成整体。

进一步的，述轴承403上固定有转速检测传感器模块404，绝缘支撑座402上放置有微处理器模块405和无线信号发射模块406，微处理器模块405连接转速检测传感器模块404和无线信号发射模块406，微处理器模块405为单片机，无线信号发射模块406和无线信号接收模块6通过电磁信号虚拟连接，无线信号接收模块6与上位机连接，这样无线信号接收模块6从无线信号发射模块406接收的无线信号经上位机处理后可向离合器装置408发出控制信号，方便远程操控。

所述轴承403为FAG轴承。

所述开关装置201为断路器和两个隔离开关的串联。

具体的，如图2和图3所示，转速检测传感器模块404包含霍尔磁性元件U1，霍尔磁性元件U1用作转速检测传感器，霍尔磁性元件U1的1号引脚接12V直流电源、2号引脚接地、3号引脚与电阻R2和R3的一端相连，电阻R2的另一端连接发光二极管LED和电阻R1，发光二极管LED和电阻R1的另一端连接电阻R4、R5和12V直流电源，电阻R3的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R4的另一端连接三极管Q1的集电极和光耦隔离器U2的2号引脚，电阻R5的另一端连接光耦隔离器U2的1号引脚，所述单片机的型号为Atmega16L，光耦隔离器U2的4号引脚与电阻R6和单片机Atmega16L的14号引脚相连，光耦隔离器U2的3号引脚与地相连，电阻R6的另一端与5V直流电源相连。

具体的，如图4所示无线信号发射模块406包含型号为nRF401的无线信号处理芯片U3，无线信号处理芯片U3与无线信号发射天线U4相连，无线信号处理芯片U3的1号引脚连接晶振Y1、电阻R1和电容C1，电容C1的另一端接地，晶振Y1的另一端与电阻R1的另一端相连并连接电容C2和无线信号处理芯片U3的20号引脚，电容C2的另一端接地，无线信号处理芯片U3的2、8、13号引脚连接5V直流电源和电容C5、C6、C7、C8，电容C5、C6、C7、C8的另一端接地，无线信号处理芯片U3的3号引脚连接电容C3、C4和地，电容C3的另一端连接电阻R2和无线信号处理芯片U3的4号引脚，电容C4的另一端与电阻R2的另一端相连，无线信号处理芯片U3的5号引脚连接电感L1，电感L1的另一端连接无线信号处理芯片U3的6号引脚，无线信号处理芯片U3的11号引脚连接电阻R3，电阻R3的另一端接地，无线信号处理芯片U3的9、12、18、19号引脚分别与单片机Atmega16L的37、38、39、40号引脚相连。

具体的，如图5所示，无线信号接收模块6包含串并口转换芯片U6，串并口转换芯片U6与型号为nRF401的信号接收模块U5和PC机串行接口U7相连接，串并口转换芯片U6的型号为MAX232，信号接收模块U5连接接收信号天线E1，串并口转换芯片U6的1号引脚接电解电容C1的正极，电解电容C1的负极连接串并口转换芯片U6的3号引脚，串并口转换芯片U6的4号引脚接电解电容C2的正极，电解电容C2的负极连接串并口转换芯片U6的5号引脚，并口转换芯片U6的6号引脚接电解电容C4的正极，电解电容C4的负极接地，并口转换芯片U6的2号引脚接电解电容C3的正极，电解电容C3的负极连接电解电容C5的正极、5V直流电源和并口转换芯片U6的16号引脚，电解电容C5的负极接地，并口转换芯片U6的15号引脚接地。

具体的，如图6所示，微处理器模块405包含型号为Atmega16L单片机U8，单片机U8的9号引脚连接复位按键S1、电阻R1和电解电容C2的正极，复位按键S1、电解电容C2的另一端与单片机U8的11号引脚相连并接地，电阻R1的另一端接+5V直流电源，复位按键S1、电阻R1和电解电容C2共同构成单片机U8的外围按键复位电路，单片机U8的10号引脚接+5V直流电源，单片机U8的12号引脚接瓷片电容C4和12M晶振Y1，晶振Y1的另一端接瓷片电容C5和单片机U8的13号引脚，瓷片电容C4、C5的另一端接地，单片机U8的14号引脚与图3中U2的4号引脚相连，单片机U8的40、39、38、37分别与图4中U3的19、18、12、9号引脚相连，单片机U8的32号引脚接瓷片电容C1，电容C1的另一端接U8的31号引脚和地，单片机U8的30号引脚接电感L1和电容C3，电感L1的另一端接+5V直流电源，电容C3的另一端接地。

采用上述结构，该系统通过变频调速装置并网，使发电机组初始时以大型电动机的状态工作，通过变频调速装置的调节，使发电机组平滑地运行到同步转速，有效保证并网过程中冲击电流限制在较小范围内。

上述旋转式发电机组与原动机软连接并网系统的操作方法，具有以下步骤：

1）将升压变电站并入电网，升压变电站与发电机组间的开关装置处于打开状态，并通过软连接装置中的离合器使原动机和发电机组中发电机的转子轴处于正常连接状态；

2）在发电机组的发电机转子中加入正常的励磁电流，利用变频调速软启动装置逐步提高定子两端的电源频率，使发电机转子磁极在开始启动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力，此时同步发电机处于同步电动机状态；

3）当发电机组处于同步电动机状态并工作稳定后，合上升压变电站与发电机组间的开关装置，使变频调速软启动装置被短接，并将变频调速软启动装置两端的高压开关打开，使变频启动装置退出运行；

4）启动原动机，使原动机也达到与发电机组同步的转速，在原动机达到同步转速后，在正常并网情况下保持同步转速恒速运行。

进一步的，发电机组从电网脱网时，通过控制软连接装置中的离合器，使原动机与发电机转子轴上的飞轮轴分离，然后启动转子制动装置，使转子快速停转，使系统进入检修状态。

具体的，在步骤4）中原动机的同步转速n按公式n=60f/p来计算，f=50HZ，转速单位为r/min，其中f表示电网频率，p表示发电机转子磁极对数,（一般汽轮发电机组的转子磁极对数取1，水轮发电机组的转子磁极对数取4。

Claims (11)

1.一种旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：它包括升压变电站（1），升压变电站（1）的低压进线侧连接变频软启动装置，变频软启动装置与发电机组（3）的定子侧连接，发电机组（3）的转子侧连接软连接装置（4），软连接装置（4）发射无线信号并被中央控制室PC机上的无线信号接收模块（6）接收，软连接装置（4）与原动机（5）的输出转动部分连接，其中变频软启动装置包含开关装置（201）、高压断路器（202）、变频调速软启动器（203）以及隔离开关（204），开关装置（201）的两端分别连接升压变电站（2）的低压进线侧和发电机组（4）的定子侧；高压断路器（202）的一端连接变频调速软启动装置（203），变频调速软启动装置（203）的另一端连接隔离开关（204），高压断路器（202）、变频调速软启动装置（203）、隔离开关（204）构成的串联整体与开关装置（201）并联；

所述软连接装置（4）包含连接轴（401），连接轴（401）的两端分别连接发电机组（3）的转子侧和原动机（5）的输出转动部分，连接轴（401）的两端由绝缘支撑座（402）支撑，支撑座上固定有轴承（403），轴承（403）嵌套在连接轴（401）上，连接轴（401）的中间部分是飞轮装置（407）和离合器装置（408），离合器装置（408）嵌套在飞轮装置（407）里面构成整体。

2.根据权利要求1所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述轴承（403）上固定有转速检测传感器模块（404），绝缘支撑座（402）上放置有微处理器模块（405）和无线信号发射模块（406），微处理器模块（405）连接转速检测传感器模块（404）和无线信号发射模块（406），微处理器模块（405）为单片机，无线信号发射模块(406)和无线信号接收模块(6)连接，无线信号接收模块(6)与上位机连接。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述轴承（403）为FAG轴承。

4.根据权利要求2所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述转速检测传感器模块（404）包含霍尔磁性元件U1，霍尔磁性元件U1用作转速检测传感器，霍尔磁性元件U1的1号引脚接12V直流电源、2号引脚接地、3号引脚与电阻R2和R3的一端相连，电阻R2的另一端连接发光二极管LED和电阻R1，发光二极管LED和电阻R1的另一端连接电阻R4、R5和12V直流电源，电阻R3的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R4的另一端连接三极管Q1的集电极和光耦隔离器U2的2号引脚，电阻R5的另一端连接光耦隔离器U2的1号引脚，所述单片机的型号为Atmega16L，光耦隔离器U2的4号引脚与电阻R6和单片机Atmega16L的14号引脚相连，光耦隔离器U2的3号引脚与地相连，电阻R6的另一端与5V直流电源相连。

5.根据权利要求2所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述无线信号发射模块（406）包含无线信号处理芯片U3，无线信号处理芯片U3与无线信号发射天线U4相连，无线信号处理芯片U3的1号引脚连接晶振Y1、电阻R1和电容C1，电容C1的另一端接地，晶振Y1的另一端与电阻R1的另一端相连并连接电容C2和无线信号处理芯片U3的20号引脚，电容C2的另一端接地，无线信号处理芯片U3的2、8、13号引脚连接5V直流电源和电容C5、C6、C7、C8，电容C5、C6、C7、C8的另一端接地，无线信号处理芯片U3的3号引脚连接电容C3、C4和地，电容C3的另一端连接电阻R2和无线信号处理芯片U3的4号引脚，电容C4的另一端与电阻R2的另一端相连，无线信号处理芯片U3的5号引脚连接电感L1，电感L1的另一端连接无线信号处理芯片U3的6号引脚，无线信号处理芯片U3的11号引脚连接电阻R3，电阻R3的另一端接地，无线信号处理芯片U3的9、12、18、19号引脚分别与单片机Atmega16L的37、38、39、40号引脚相连。

6.根据权利要求1所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述无线信号接收模块（6）包含串并口转换芯片U6，串并口转换芯片U6与信号接收模块U5和PC机串行接口相连接，信号接收模块U5连接接收信号天线E1，串并口转换芯片U6的1号引脚接电解电容C1的正极，电解电容C1的负极连接串并口转换芯片U6的3号引脚，串并口转换芯片U6的4号引脚接电解电容C2的正极，电解电容C2的负极连接串并口转换芯片U6的5号引脚，并口转换芯片U6的6号引脚接电解电容C4的正极，电解电容C4的负极接地，并口转换芯片U6的2号引脚接电解电容C3的正极，电解电容C3的负极连接电解电容C5的正极、5V直流电源和并口转换芯片U6的16号引脚，电解电容C5的负极接地，并口转换芯片U6的15号引脚接地。

7.根据权利要求1所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述原动机（5）为水轮机或汽轮机。

8.根据权利要求1所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统，其特征在于：所述开关装置（201）为两个隔离开关和一个高压断路器，隔离开关分布在断路器的两侧，三者构成串联关系。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统的操作方法，其特征在于，具有以下步骤：

1）将升压变电站（1）并入电网，升压变电站（1）与发电机组（3）间的开关装置（201）处于打开状态，并通过软连接装置（4）中的离合器使原动机（5）和发电机组（3）中发电机的转子轴处于正常连接状态；

2）在发电机组的发电机转子中加入正常的励磁电流，利用变频调速软启动装置（203）逐步提高定子两端的电源频率，使发电机转子磁极在开始启动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力，此时同步发电机处于同步电动机状态；

3）当发电机组处于同步电动机状态并工作稳定后，合上升压变电站（1）与发电机组（3）间的开关装置（201），使变频调速软启动装置（203）被短接，并将变频调速软启动装置（203）两端的高压开关打开，使变频启动装置退出运行；

4）启动原动机，使原动机也达到与发电机组同步的转速，在原动机达到同步转速后，在正常并网情况下保持同步转速恒速运行。

10.根据权利要求9所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统的操作方法，其特征在于，发电机组从电网脱网时，通过控制软连接装置（4）中的离合器，使原动机与发电机转子轴上的飞轮轴分离，然后启动转子制动装置，使转子快速停转，使系统进入检修状态。

11.根据权利要求9所述的旋转式发电机组与原动机软连接并网系统的操作方法，其特征在于，步骤4）中原动机的同步转速n按公式n=60f/p来计算，转速单位为r/min，其中f表示电网频率，p表示发电机转子磁极对数。