CN105591579A - 抽水站水泵发电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抽水站水泵发电系统及控制方法，所述系统包括多个水泵电机、多根抽水管、四象限变频器以及多个转速检测单元，其中：所述四象限变频器包括移相变压器、控制单元及多个功率单元，且每一功率单元包括通过直流母线连接的整流单元和逆变单元；所述控制单元包括阀门控制子单元和回馈控制子单元；所述阀门控制子单元在任一所述转速检测单元测得对应水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；所述回馈控制子单元在直流母线电压大于电压预设值时使整流单元工作于能量回馈模式。本发明通过四象限变频同时实现水泵电机的驱动控制及能量回馈，并结合接触器控制，可高效地将能量回馈到公共电网。

Description

抽水站水泵发电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及水泵领域，更具体地说，涉及一种抽水站水泵发电系统及控制方法。
背景技术
水泵是输送液体或使液体增压的机械，被广泛应用于各类抽水站。目前，在某些抽水站，潜在有利用上游来水进行反向发电的需求。而性能良好的水泵除了可以抽水，还可作为水轮机运行。水泵一般按照自身最高运行效率设计，为克服流道损失，一般高效率区扬程较高；而在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。
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。
此外，也有采用水轮发电后带动低转速(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。这种方式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
本发明要解决的技术问题在于，针对上述水泵在发电运行时能量回馈效率较低的问题，提供一种具有发电功能的抽水站水泵系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种抽水站水泵发电系统，包括多个水泵电机和多根抽水管，且每一水泵电机的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮，每一抽水管由一个阀门控制开闭；该系统还包括四象限变频器以及多个转速检测单元，其中：所述四象限变频器包括移相变压器、控制单元及多个功率单元，且每一功率单元包括通过直流母线连接的整流单元和逆变单元；所述控制单元分别与多个转速检测单元及多个抽水管的阀门连接，并包括阀门控制子单元和回馈控制子单元；所述阀门控制子单元在任一所述转速检测单元测得对应水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；所述回馈控制子单元在直流母线电压大于电压预设值时使整流单元工作于能量回馈模式。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统中，所述系统还包括第一接触器、多个第二接触器及接触器控制单元，每一所述水泵电机通过一个第二接触器连接到四象限变频器的机侧，且该四象限变频器的网侧经由第一接触器连接到公共电网；所述接触器控制单元用于在接收到预充电命令时控制第一接触器闭合并在接收到启动命令时控制第二接触器闭合。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统中，所述系统还包括输出检测单元，用于检测四象限变频器输出电压及功率单元的输出电流，所述接触器控制单元在接收到启动命令后，仅在输出检测单元测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时控制第二接触器闭合。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统中，所述四象限变频器的变压器、功率模块及控制单元分别位于变压器柜、功率柜及控制柜，且所述变压器柜、功率柜及控制柜依次相邻设置组成变频器柜组。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统中，所述变频器柜组下方具有电缆沟，所述逆变单元的线缆经由电缆沟连接水泵电机；所述电缆沟内设有多个用于固定线缆的托架，且该多个托架分别具有水平上表面并位于电缆沟的不同高度。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统中，所述第二接触器位于与变频器柜组并排设置的高压进线柜内，且该接触器的线缆经由电缆沟连接到四象限高压变频器的变压器。
本发明还提供一种抽水站水泵发电系统控制方法，所述发电系统包括多个水泵电机和多根抽水管，且每一水泵电机的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮，每一抽水管由一个阀门控制开闭；所述发电系统还包括四象限变频器以及多个转速检测单元，所述控制方法包括：
(a)通过转速检测单元分别检测多个水泵电机的转速，并在任一水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；
(b)在四象限变频器的功率单元的直流母线电压大于电压预设值时使四象限变频器的整流单元工作于能量回馈模式。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统控制方法中，每一所述水泵电机通过一个第二接触器连接到四象限变频器的机侧，且该四象限变频器的网侧经由第一接触器连接到公共电网；所述步骤(a)之前包括：
(a1)在接收到预充电命令时控制第一接触器闭合；
(a2)在接收到启动命令时控制第二接触器闭合。
在本发明所述的抽水站水泵发电系统控制方法中，所述控制方法还包括：检测四象限变频器输出电压及功率单元的输出电流，且所述步骤(a2)仅在测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时执行。
本发明的抽水站水泵发电系统及控制方法，通过四象限变频同时实现水泵电机的驱动控制及能量回馈，并结合接触器控制，可高效地将能量回馈到公共电网。
附图说明
图1是本发明抽水站水泵发电系统实施例的示意图。
图2是图1中四象限变频的示意图。
图3是图2中变频器柜组的安装结构示意图。
图4是图3中电缆沟的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明抽水站水泵发电系统实施例的示意图。本实施例的抽水站水泵发电系统包括多个水泵电机SM、多根抽水管、四象限变频器10以及多个转速检测单元。与现有的抽水站类似，每一抽水管均为水坝两侧水体之间的连接通道，且每一抽水管由一个或多个阀门控制开闭。每一水泵电机SM的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮。转速检测单元可采用安装到水泵电机SM的编码器等。
四象限变频器10可采用串联型高压变频器，该四象限变频器10的网侧连接高压电网、机侧分别连接多个水泵电机SM，且该四象限变频器10包括移相变压器、控制单元13及多个功率单元，且每一功率单元包括通过直流母线连接的整流单元11和逆变单元12。控制单元13分别与多个转速检测单元及多个抽水管的阀门连接，并包括阀门控制子单元和回馈控制子单元。上述阀门控制子单元在任一转速检测单元测得对应水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；回馈控制子单元在直流母线电压大于电压预设值时使整流单元工作于能量回馈模式。
具体地，上述控制单元13可通过FPGA及光纤接口连接到每一功率模块的控制端，从而对整流单元11和逆变单元12进行控制。该控制单元13还可通过ARM连接一个HMI，从而接收输入指令以及显示操作状态等。该控制单元13还可通过DSP连接传感器检测信号、外部装置(例如阀门开关)等。
在上述抽水站水泵发电系统工作时，当四象限变频器10输出多路励磁电流信号到同步机励磁装置(具体地，每一水泵电机SM可对应一台励磁装置，也可多台水泵电机SM共用一台励磁装置)。在水泵电机SM启动后，四象限变频器10输出的同步频率低于任一水泵电机SM实际转速时，该水泵电机SM处于发电状态，在四象限变频器10的功率单元内部，水泵电机SM产生的能量通过逆变单元12的二极管回馈到直流母线，控制单元13在测得直流母线电压超过电压设定值时，整流单元11处于能量回馈状态，控制单元13通过控制整流单元11的输出电压的相位和幅值将能量回馈到高压电网，达到节能的效果。此时，能量由水泵电机SM、逆变单元12、直流母线及整流单元11流向电网。四象限变频器工作在二、四象限，分别对有功功率和无功功率解耦控制，达到单位功率因数能量回馈的效果。
四象限变频器10在带动水泵电机SM启动时，要求水泵电机SM空载启动，并在水泵电机SM的转速达到预定转速后，再打开抽水管的阀门，从而保证水冲击叶轮运转带动水泵电机SM转动的方向与水泵电机启动转速方向一致。
抽水站水泵发电系统还可包括第一接触器KM1、多个第二接触器KM2及接触器控制单元(图中未示出)，每一水泵电机SM通过一个第二接触器KM2连接到四象限变频器10的机侧，且该四象限变频器10的网侧经由第一接触器KM1连接到公共电网(即图中的10kV母线)。接触器控制单元在接收到预充电命令时控制第一接触器KM1闭合并在接收到启动命令时(此时四象限变频器10的预充电已经完成)控制第二接触器KM2闭合。
为保证水泵电机SM空载启动，上述抽水站水泵发电系统还可包括输出检测单元，用于检测四象限变频器10的输出电压及功率单元的输出电流。通常，在水泵电机KM带载启动时，四象限变频器10的输出电压及功率单元的输出电流将大幅提高，因此本实施例中，接触器控制单元在接收到启动命令后，仅在输出检测单元测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时控制第二接触器KM闭合。
上述具有发电功能的抽水站水泵系统，通过检测直流母线电压实现能量回馈模式的切换，并结合接触器控制，可大大提高能量回馈的效率。
如图2、3所示，上述四象限变频器10的变压器、功率模块及控制单元13分别位于变压器柜22、功率柜23及控制柜24，且变压器柜22、功率柜23及控制柜24依次相邻设置组成变频器柜组20。
在上述变频器柜组20安装在室内时，为使四象限变频器15工作时产生的热量快速排出，变压器柜22和功率柜23上方的通过散热风道31与室外连通，从而使变频器柜组20的内部分道与外部直接连通，方便热量快速释放，保证四象限变频器15稳定工作。为避免雨水倒灌进入散热风道31，散热风道31的出口向下，且散热风道31整体向下倾斜。
并且为保证散热效率，变频器柜组20的两个侧面与墙面的距离应不小于80cm，前侧(即柜门所在侧)与墙面的距离保持150cm以上，后侧距离墙面大于100cm，顶部距离天花应大于100cm。散热风道31从变频器柜组20的后侧墙面通出，且该墙面还可设置入风口32。
在变频器柜组20下方具有电缆沟40，逆变单元(即四象限变频器15的网侧)经由电缆沟连接水泵电机17。电缆沟40可根据实际线缆数量确定深度，且必须具备防水、防尘、防鼠等功能。
此外，第二接触器KM2可位于与变频器柜组20并排设置的高压进线柜21内，且该第二接触器14的线缆经由电缆沟40接入到四象限高压变频器10的变压器柜22。
为方便电缆的安装，电缆沟40内设有多个用于固定线缆的托架41，且该多个托架41分别具有水平上表面并位于电缆沟40的不同高度，且功率线缆位于上方的托架41，信号线缆位于下方的托架41。
此外，还可通过空调为四象限变频器10降温，即在房间内安装空调，通过空调内部的循环将四象限变频器10产生的热量排到室外。四象限变频器10的发热需要根据运行工况选择，考虑一定的裕量，例如最大发热量为四象限变频器10额定功率的4％，四象限变频器10发热量选择为实际输出平均功率的3.5％，如果长期运行频率低于40Hz，则发热量可按照变频器额定功率的2％进行估算。可按照房间实用面积计算空间单独空间制冷所需的空调容量。具体地，空调总体的制冷量为四象限变频器10的发热量加上空间制冷所需的制冷量(空间所述的制冷量在小于40摄氏度时可忽略)，即：
Q空调制冷量＝{Q变频器发热量}+{Q空间所需制冷量}＝W变频器输出功率×3.5％+S房屋面积×0.15。
在上述第二接触器KM2与四象限变频器10的机侧之间还可设有第三接触器KM3，且水泵电机SM还可通过第四接触器与供电电网连接(在水泵电机SM抽水时由供电电网供电)，并且上述第三接触器KM3和第四接触器通过电气互锁方式互锁，即在第三接触器KM3闭合时，第四接触器断开；在第四接触器闭合时，第三接触器KM3断开。
此外，为保证安全，第一接触器KM1与高压电网之间还可增加一个进线断路器QF1。
本发明还提供一种抽水站水泵发电系统控制方法，可应用于抽水站水泵的发电系统控制，其中发电系统包括多个水泵电机、多根抽水管、四象限变频器以及多个转速检测单元，且每一水泵电机的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮，每一抽水管由一个阀门控制开闭；该控制方法包括：
(a)通过转速检测单元分别检测多个水泵电机的转速，并在任一水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；
(b)在四象限变频器的功率单元的直流母线电压大于电压预设值时使四象限变频器的整流单元工作于能量回馈模式。
上述每一水泵电机通过一个第二接触器连接到四象限变频器的机侧，且该四象限变频器的网侧经由第一接触器连接到公共电网；步骤(a)之前包括：(a1)在接收到预充电命令时控制第一接触器闭合；(a2)在接收到启动命令时控制第二接触器闭合。
上述控制方法还包括：检测四象限变频器输出电压及功率单元的输出电流，且步骤(a2)仅在测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时执行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种抽水站水泵发电系统，包括多个水泵电机和多根抽水管，且每一水泵电机的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮，每一抽水管由一个阀门控制开闭；其特征在于：该系统还包括四象限变频器以及多个转速检测单元，其中：所述四象限变频器包括移相变压器、控制单元及多个功率单元，且每一功率单元包括通过直流母线连接的整流单元和逆变单元；所述控制单元分别与多个转速检测单元及多个抽水管的阀门连接，并包括阀门控制子单元和回馈控制子单元；所述阀门控制子单元在任一所述转速检测单元测得对应水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；所述回馈控制子单元在直流母线电压大于电压预设值时使整流单元工作于能量回馈模式。
2.根据权利要求1所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述系统还包括第一接触器、多个第二接触器及接触器控制单元，每一所述水泵电机通过一个第二接触器连接到四象限变频器的机侧，且该四象限变频器的网侧经由第一接触器连接到公共电网；所述接触器控制单元用于在接收到预充电命令时控制第一接触器闭合并在接收到启动命令时控制第二接触器闭合。
3.根据权利要求2所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述系统还包括输出检测单元，用于检测四象限变频器输出电压及功率单元的输出电流，所述接触器控制单元在接收到启动命令后，仅在输出检测单元测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时控制第二接触器闭合。
4.根据权利要求1所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述四象限变频器的变压器、功率模块及控制单元分别位于变压器柜、功率柜及控制柜，且所述变压器柜、功率柜及控制柜依次相邻设置组成变频器柜组。
5.根据权利要求4所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述变频器柜组下方具有电缆沟，所述逆变单元的线缆经由电缆沟连接水泵电机；所述电缆沟内设有多个用于固定线缆的托架，且该多个托架分别具有水平上表面并位于电缆沟的不同高度。
6.根据权利要求4所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述第二接触器位于与变频器柜组并排设置的高压进线柜内，且该接触器的线缆经由电缆沟连接到四象限高压变频器的变压器。
7.一种抽水站水泵发电系统控制方法，所述发电系统包括多个水泵电机和多根抽水管，且每一水泵电机的转轴分别连接到位于一根抽水管内的叶轮，每一抽水管由一个阀门控制开闭；其特征在于：所述发电系统还包括四象限变频器以及多个转速检测单元，所述控制方法包括：
(a)通过转速检测单元分别检测多个水泵电机的转速，并在任一水泵电机的转速大于转速预设值时开启对应抽水管的阀门；
(b)在四象限变频器的功率单元的直流母线电压大于电压预设值时使四象限变频器的整流单元工作于能量回馈模式。
8.根据权利要求7所述的抽水站水泵发电系统控制方法，其特征在于：每一所述水泵电机通过一个第二接触器连接到四象限变频器的机侧，且该四象限变频器的网侧经由第一接触器连接到公共电网；所述步骤(a)之前包括：
(a1)在接收到预充电命令时控制第一接触器闭合；
(a2)在接收到启动命令时控制第二接触器闭合。
9.根据权利要求8所述的抽水站水泵发电系统，其特征在于：所述控制方法还包括：检测四象限变频器输出电压及功率单元的输出电流，且所述步骤(a2)仅在测得的输出电压和输出电流未超过设定阈值时执行。
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