CN106356891A - 异步化发电装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异步化发电装置，连接于水轮发电机组与电网之间，包括输入电抗器、整流器、三相逆变器、LC滤波器及输出变压器，输入电抗器降低由整流器所产生的谐波电流对水轮发电机组的影响，整流器将由水轮发电机组输出的三相交流电变换为直流电源，三相逆变器将经过整流后的直流电源逆变为与电网同频、同相及同幅值的三相PWM电源，LC滤波器与输出变压器共同构成三阶低通正弦滤波器，滤除所述三相逆变器所产生的谐波电压及尖峰电压。上述异步化发电装置使得水轮发电机组具有与电网“异步”并网发电功能，实现当水流量超出水轮发电机水流量极限时仍可并网发电的目的。本发明还提供了一种异步化发电装置的工作方法。
Description
技术领域
本发明涉及水力发电技术领域，特别涉及一种异步化发电装置及其工作方法。
背景技术
目前所有的水力发电都是采用“同步”水轮发电机组。 对于大多数的径流式水力发电站，一年中由于河道水流量变化较大， 在“枯水期”或在“丰水期”中由于河道的水流量往往小于或大于“同步”水轮发电机组对水流量要求的极限，造成“同步”水轮发电机组不能并网发电或水轮发电机组的发电效率低的现象。据统计，目前径流式水力发电站的年发电小时数约为 2000 小时至 4000 小时，一年中约有一半时间是处于停止并网发电或少发电的状态，造成大量的水能浪费和降低水力发电站的经济效益。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种异步化发电装置，其可克服现有径流式水力发电站受河道水流量变化的影响造成不能并网发电和发电效率低的缺点和不足。同时，还提供了一种异步化发电装置的工作方法。
本发明所提供的一种异步化发电装置，连接于水轮发电机组与电网之间，包括输入电抗器、整流器、三相逆变器、LC滤波器及输出变压器，所述水轮发电机组的三相电源输出端与输入电抗器的输入端相连，所述输入电抗器的输出端与整流器的输入端相连，所述整流器的直流母线与三相逆变器的直流母线相连，所述三相逆变器的三相PWM输出端与LC滤波器的输入端相连，所述LC滤波器的输出端与输出变压器的输入端相连，所述输出变压器的输出端与电网相连；所述输入电抗器用于降低由整流器所产生的谐波电流对水轮发电机组的影响，所述整流器用于将由水轮发电机组输出的三相交流电变换为直流电源，所述三相逆变器用于将经过整流后的直流电源逆变为与电网同频、同相及同幅值的三相PWM电源，所述LC滤波器与输出变压器共同构成三阶低通正弦滤波器，用于滤除所述三相逆变器所产生的谐波电压及尖峰电压。
进一步的，所述异步化发电装置还包括发电机侧输入开关，所述发电机侧输入开关连接于水轮发电机组与输入电抗器之间。
进一步的，所述异步化发电装置还包括电网侧输出开关，所述电网侧输出开关连接于输出变压器与电网之间。
其中，所述发电机侧输入开关为三极断路器，其三极对应与水轮发电机组的三相电源输出端相连。
其中，所述输入电抗器为三相共磁路的交流电抗器，其三相输入端对应与三极断路器的三极相连。
其中，所述整流器为可控硅半控三相全波整流器，其三相输入端对应与输入电抗器的三相输出端相连。
其中，所述三相逆变器为三相全桥逆变器，其正极直流母线及负极直流母线对应与整流器的正极直流母线及负极直流母线相连。
其中，所述LC滤波器为二阶低通滤波器，其三相输入端与三相逆变器的三相PWM输出端相连；所述输出变压器为三相隔离变压器，其与LC滤波器共同构成三阶低通正弦滤波器。
本发明还提供了一种异步化发电装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
将由水轮发电机组发出的三相交流电能传输至整流器；
通过所述整流器实现对直流母线的预充电，预充电完成后整流器进入全功率三相全波整流的工作状态；
通过所述整流器对三相交流电源进行整流；
通过三相逆变器对电网侧的电压和电流信号进行检测，并结合数字锁相环技术以及直接电流控制PWM逆变控制技术，生成与电网同步的PWM驱动信号；
利用PWM驱动信号驱动所述三相逆变器的功率开关器件逆变成与电网同频、同相、同幅值的三相PWM电源；
通过LC滤波器将该三相PWM电源滤波后变换成三相正弦波电源；以及
通过输出变压器对三相正弦波电源进行隔离和变压后输出至电网。
上述异步化发电装置及其工作方法通过将水轮发电机组输出的三相交流电源经交流—直流—交流变换成与电网电源同频、同相、同幅值的三相并网电源，从而使水轮发电机组具有与电网“异步”并网发电功能，实现当水流量超出水轮发电机水流量极限时仍可并网发电的目的，克服了现有径流式水轮发电机年发电天数较低的缺点和不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种异步化发电装置的较佳实施方式的方框图。
图2是图1中异步化发电装置的较佳实施方式的电路图。
图3是图1中异步化发电装置的工作方法的较佳实施方式的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明所述的一种异步化发电装置的较佳实施方式连接于水轮发电机组1与电网9之间。具体而言，所述水轮发电机组1的三相电源输出端与异步化发电装置的输入端相连，所述异步化发电装置的输出端与电网9相连。所述水轮发电机组1可为普通的“同步”水轮发电机组，用于将水能转换成三相交流电能，并通过其原励磁系统将输出的三相交流电压稳定在额定的输出电压值。
所述异步化发电装置的较佳实施方式包括发电机侧输入开关2、输入电抗器3、整流器4、三相逆变器5、LC滤波器6、输出变压器7及电网侧输出开关8。
所述发电机侧输入开关2的输入端与水轮发电机组1的三相电源输出端相连，所述发电机侧输入开关2的输出端与输入电抗器3的输入端相连，所述输入电抗器3的输出端与整流器4的输入端相连，所述整流器4的直流母线与三相逆变器5的直流母线相连，所述三相逆变器5的三相PWM输出端与LC滤波器6的输入端相连，所述LC滤波器6的输出端与输出变压器7的输入端相连，所述输出变压器7的输出端与电网侧输出开关8的输入端相连，所述电网侧输出开关8的输出端与电网9相连。
所述发电机侧输入开关2为三极断路器，其三极对应与水轮发电机组1的三相电源输出端相连。所述发电机侧输入开关2包括瞬时失压脱扣装置，其跳闸保护电流可根据额定功率的容量来对应选定。本实施方式中，所述发电机侧输入开关2包括三个开关，所述三个开关的不动端对应与水轮发电机组1的三相电源输出端相连。
所述输入电抗器3为三相共磁路的交流电抗器，其三相输入端对应与三极断路器的三极相连，所述输入电抗器3用于降低由整流器4所产生的谐波电流对水轮发电机组1的影响。具体而言，所述电抗器3包括三个带磁芯电感，所述发电机侧输入开关2的三个开关的动端对应与电抗器3的三个带磁芯电感的一端相连。当然，其他实施方式中，所述输入电抗器3亦可为自耦变压器或多脉波整流变压器或交流单相电抗器，其输入端对应与三极断路器的三极相连。
所述整流器4为可控硅半控三相全波整流器，其三相输入端对应与输入电抗器3的三相输出端相连。所述整流器4用于将由水轮发电机组1输出的三相交流电变换为直流电源。具体而言，所述整流器4包括三个可控硅及三个二极管，其中第一可控硅的阳极与第一二极管的阴极相连，第二可控硅的阳极与第二二极管的阴极相连，第三可控硅的阳极与第三二极管的阴极相连，所述三个可控硅的阴极相连，所述三个二极管的阳极相连，所述第一可控硅与第一二极管之间的节点作为整流器4的第一输入端连接于电抗器3的其中一个带磁芯电感的另一端，所述第二可控硅与第二二极管之间的节点作为整流器4的第二输入端连接于电抗器3的其中一个带磁芯电感的另一端，所述第三可控硅与第三二极管之间的节点作为整流器4的第三输入端连接于电抗器3的其中一个带磁芯电感的另一端，所述三个可控硅的阴极的节点及所述三个二极管的阳极的节点分别作为整流器4的正极直流母线及负极直流母线。当然，其他实施方式中，所述整流器4亦可为由二极管组成的不可控三相全波整流器或者为由功率开关器件组成的PWM可控整流器。
所述三相逆变器5为三相全桥逆变器，其正极直流母线及负极直流母线对应与整流器4的正极直流母线及负极直流母线相连。所述三相逆变器5用于将经过整流后的直流电源逆变为与电网同频、同相及同幅值的三相PWM电源。本实施方式中，所述三相逆变器5包括第一至第六开关管，所述第一开关管、第三开关管及第五开关管的漏极相连以作为三相逆变器5的正极直流母线与整流器4的正极直流母线相连，所述第二开关管、第四开关管及第六开关管的射极相连以作为三相逆变器5的负极直流母线与整流器4的负极直流母线相连，所述第一开关管的射极与第二开关管的漏极相连，所述第三开关管的射极与第四开关管的漏极相连，所述第五开关管的射极与第六开关管的漏极相连，所述第一开关管与第二开关管之间的节点、第三开关管与第四开关管之间的节点、第五开关管与第六开关管之间的节点对应作为所述三相逆变器5的三相 PWM 输出端与LC滤波器6相连。其他实施方式中，所述三相逆变器的电路拓扑结构亦可采用三相全桥逆变器拓扑结构或由单相逆变器构成的组合式三相逆变器拓扑结构或者采用级联的多电平逆变器拓扑结构。
所述LC滤波器6为二阶低通滤波器，其三相输入端与三相逆变器5的三相PWM输出端相连。具体而言，所述LC滤波器6包括第一至第三带磁芯电感及第一至第三电容，所述第一至第三带磁芯电感的第一端分别作为LC滤波器6的三相输入端，所述第一电容连接于第一带磁芯电感的第二端与第二带磁芯电感的第二端之间，所述第二电容连接于第二带磁芯电感的第二端与第三带磁芯电感的第二端之间，所述第三电容连接于第一带磁芯电感的第二端与第三带磁芯电感的第二端之间。所述第一至第三带磁芯电感的第二端分别作为LC滤波器6的三个输出端与输出变压器7的三相输入端相连。当然，其他实施方式中，所述LC滤波器6亦可为三阶LCL滤波器。
所述输出变压器7为三相隔离变压器，其与LC滤波器6共同构成三阶低通正弦滤波器，整个三阶低通正弦滤波器用于滤除三相逆变器5所产生的谐波电压及尖峰电压。所述输出变压器7还用于实现整个异步化发电装置与电网9之间的电气隔离并实现不同电网额定电压的转换。当然，其他实施方式中，对于一些不需与电网电气隔离的特殊应用，可取消输出变压器7。
所述电网侧输出开关8为三极断路器，其三极对应与输出变压器7的三相电源输出端相连。所述电网侧输出开关8包括瞬时失压脱扣装置，其跳闸保护电流可根据额定功率的容量来对应选定。本实施方式中，所述电网侧输出开关8包括三个开关，所述三个开关的动端对应与输出变压器7的三相电源输出端相连，所述三个开关的不动端对应与电网9的三相端相连。
下面将对本发明所述的异步化发电装置的工作原理进行简单的说明：
首先，所述水轮发电机组1将水能转换成三相交流电能并输出三相交流电源，通过水轮发电机组1的原励磁系统将输出的三相交流电压稳定在额定的输出电压值，此时即可闭合异步化发电装置的发电机侧输入开关2。
然后，经过输入电抗器3后由所述整流器4来实现对直流母线的预充电， 预充电完成后所述整流器4将进入全功率三相全波整流的工作状态。此时，即可启动所述三相逆变器5，通过检测电网侧的电压和电流信号，结合数字锁相环技术以及直接电流控制PWM逆变控制技术，生成与电网9同步的PWM驱动信号，以驱动所述三相逆变器5的功率开关器件（即开关管）逆变成与电网9同频、同相、同幅值的三相PWM电源，该三相PWM电源经LC滤波器6滤波后变换成三相正弦波电源，再经输出变压器7隔离和变压后输出至电网侧输出开关8。
随后，闭合所述电网侧输出开关8，实现与电网9并网发电。此时，所述异步化发电装置可根据输出功率的设定值和输出功率因数设定值自动调整并网发电功率和输出功率因数，使并网发电功率最大以及输出功率因数为“1”。
在一定水流量的情况下，随着并网发电功率的增加，所述水轮发电机组1的转速会下降。此时，只要通过加大励磁电流保证水轮发电机组1的输出电压满足发电要求即可，所述水轮发电机组1转速的变化对并网发电功率没有任何影响，从而提升水轮发电机组1的发电量和发电效率。
通过上述技术方案，本发明所述的异步化发电装置具有以下有益的技术效果：
（1）通过异步化发电装置将水轮发电机组1输出的三相交流电源经交流—直流—交流变换成与电网9电源同频、同相、同幅值的三相并网电源，从而使水轮发电机组1具有与电网“异步”并网发电功能，实现当水流量超出水轮发电机水流量极限时仍可并网发电的目的，克服了现有径流式水轮发电机年发电天数较低的缺点和不足。（2）所述水轮发电机组1并网发电时的转速不再受制于电网9的频率，可根据水流量的情况将水轮机的转速调整至最高效率的转速，从而提升水轮发电机组1的发电效率。（3）异步化发电装置的并网输出功率因数为“1”，（并网输出功率因数由 0.8～1.2 任意设定）提升水轮发电机组1的有功功率输出，克服了现有水轮发电机组普遍输出功率因数较低的缺点和不足。（4）异步化发电变装置采用数字锁相环技术及直接电流控制PWM逆变技术，实现无冲击电流的并网合闸控制及精准的输出功率因数控制和输出功率的控制，克服了现有水轮发电机组采用“准同期”并网合闸操作带来的并网合闸冲击电流大操作复杂而且具有一定危险性的缺点。
请参考图3所示，本发明所述的一种异步化发电装置的工作方法的较佳实施方式包括以下步骤：
步骤S1：通过闭合异步化发电装置的发电机侧输入开关2使得由水轮发电机组1所发出的三相交流电能传输至整流器4。
步骤S2：通过所述整流器4实现对直流母线的预充电，预充电完成后整流器4进入全功率三相全波整流的工作状态。
步骤S3：通过所述整流器4对三相交流电源进行整流。
步骤S4：通过三相逆变器5对电网侧的电压和电流信号进行检测，并结合数字锁相环技术以及直接电流控制PWM逆变控制技术，生成与电网9同步的PWM驱动信号。
步骤S5：利用PWM驱动信号驱动所述三相逆变器5的功率开关器件逆变成与电网9同频、同相、同幅值的三相PWM电源。
步骤S6：通过LC滤波器6将该三相PWM电源滤波后变换成三相正弦波电源。
步骤S7：通过输出变压器7对三相正弦波电源进行隔离和变压后输出至电网侧输出开关8，进而输出至电网9。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种异步化发电装置，连接于水轮发电机组与电网之间，其特征在于：所述异步化发电装置包括输入电抗器、整流器、三相逆变器、LC滤波器，所述水轮发电机组的三相电源输出端与输入电抗器的输入端相连，所述输入电抗器的输出端与整流器的输入端相连，所述整流器的直流母线与三相逆变器的直流母线相连，所述三相逆变器的三相PWM输出端与LC滤波器的输入端相连，所述LC滤波器的输出端与电网相连；所述输入电抗器用于降低由整流器所产生的谐波电流对水轮发电机组的影响，所述整流器用于将由水轮发电机组输出的三相交流电变换为直流电源，所述三相逆变器用于将经过整流后的直流电源逆变为与电网同频、同相及同幅值的三相PWM电源，所述LC滤波器用于将三相PWM电源变换为正弦波电源以及滤除所述三相逆变器所产生的谐波电压及尖峰电压。
2.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：还包括发电机侧输入开关，所述发电机侧输入开关连接于水轮发电机组与输入电抗器之间。
3.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：还包括电网侧输出开关，所述电网侧输出开关连接于输出变压器与电网之间。
4.如权利要求2所述的异步化发电装置，其特征在于：所述发电机侧输入开关为三极断路器，其三极对应与水轮发电机组的三相电源输出端相连。
5.如权利要求4所述的异步化发电装置，其特征在于：所述输入电抗器为三相共磁路的交流电抗器或自耦变压器或多脉波整流变压器或交流单相电抗器，其三个输入端对应与三极断路器的三极相连。
6.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：所述整流器为由可控硅组成的半控三相全波整流器或者为由二极管组成的不可控三相全波整流器或者为由功率开关器件组成的PWM可控整流器，其三相输入端对应与输入电抗器的三相输出端相连。
7.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：所述三相逆变器为三相全桥逆变器，其正极直流母线及负极直流母线对应与整流器的正极直流母线及负极直流母线相连；所述三相逆变器的电路拓扑结构采用三相全桥逆变器拓扑结构或由单相逆变器构成的组合式三相逆变器拓扑结构或者采用级联的多电平逆变器拓扑结构。
8.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：所述LC滤波器为二阶低通滤波器或三阶LCL滤波器，其三相输入端与三相逆变器的三相PWM输出端相连；所述输出变压器为三相隔离变压器，其与LC滤波器共同构成三阶低通正弦滤波器。
9.如权利要求1所述的异步化发电装置，其特征在于：还包括输出变压器，所述输出变压器连接于LC滤波器的输出端与电网之间，所述LC滤波器的输出端与输出变压器的输入端相连，所述输出变压器的输出端与电网相连。
10.一种如权利要求1-9所述的异步化发电装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤： 将由水轮发电机组发出的三相交流电能传输至整流器； 通过所述整流器实现对直流母线的预充电，预充电完成后整流器进入全功率三相全波整流的工作状态； 通过所述整流器对三相交流电源进行整流； 通过三相逆变器对电网侧的电压和电流信号进行检测，并结合数字锁相环技术以及直接电流控制PWM逆变控制技术，生成与电网同步的PWM驱动信号；利用PWM驱动信号驱动所述三相逆变器的功率开关器件逆变成与电网同频、同相、同幅值的三相PWM电源； 通过LC滤波器将该三相PWM电源滤波后变换成三相正弦波电源；以及 通过输出变压器对三相正弦波电源进行隔离和变压后输出至电网。
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