CN107276111A - 新型水利发电配置系统 - Google Patents

Abstract

新型水利发电配置系统(简称系统)，该系统由水轮机、永磁发电机、逆变器组成，省去了现有水利发电配套系统中的调水稳速装置、升速器、励磁控制屏、并网柜等部件。本发明打破了现有水利发电系统必须以同步速运转的模式，系统转速可以根据水流量的大小自动改变，可以充分吸收水流的能量，可以吸纳盛水期的超大水流量，拓宽水电站的发电区间，提高了发电效率和发电量，简化了结构，节省了运行维修费用，显著提高了发电效率，可以综合提高发电量，提高水电站的效益，实现水电站的数字化管理。

Description

新型水利发电配置系统

所属技术领域

本发明涉及水电站发电配置系统或河流发电配置系统。

背景技术

在现有的水利发电配置中，普遍采用附图2所示的配置模式，即水轮机在水流的推动下旋转，将水能变为机械能，通过升速机提高转速后推动电励磁发电机(简称发电机)旋转发电，再通过并网柜并入电网。

我们知道，世界上有两种电网制式即50HZ制式或60HZ制式，如果水利发电系统(简称系统)并入50HZ电网制式，系统转速必须在3000转、1500转、1000转、750转、600转、500转等转速下运行，发电机才能发出符合电网要求的50HZ电能，如果水利发电并入60HZ的电网，系统转速必须在3600转、1800转、1200转、900转、720转、600转等转速下运行，发电机才能发出符合电网要求的60HZ电能。符合发出50HZ或60HZ电能的转速统称为同步速。由于水轮机常常转速较低，而电励磁发电机很难做到低转速运行，因而在传统的水利发电系统中，在水轮机与发电机之间增加了一个升速机，升速机把水轮机的低转速变为发电机需要的同步高转速，以发出符合电网要求的电能，再通过并网柜并入电网。这种传统水利发电配置系统存在以下缺点：

一是由于发电机直接通过并网柜并入电网，并网后系统转速必须保持以同步速恒定运行，在旺水期水流流速快、水流对水轮机叶轮的冲击力大，但水轮机发电系统仍保持同步速运行，发电机不能通过提高转速来提高发电容量，为防止发电机超载，要适当关小进水阀门。当夏季的盛水期，水量大，本来可以多发电，但由于维持系统转速恒定，发电容量被限制，为避免发电 机超载只能把多余的水白白放掉，浪费了很大的水利资源。而在贫水期，水流速度变慢，水流对水轮叶的冲击力变的很弱，要加大水门的开启度，以增加进水量，试图提高水轮机的转速。但当水流慢到一定程度时，水流的流速与水轮叶的线速度相差很少时，水流对水轮叶的冲击力变的很小，水轮叶无法充分吸收水的能量，水流没有做功或很少做功就流走，水能的利用率变的很低。在极限状态下，当水流的流速低于水轮机的线速度时，发电机变成了电动机，发电机要吸收电网能量来带动水轮机旋转，这时不但水利发电系统不发电，还要从电网吸收一部分能量来维持系统的同步速要求，发电机变成了电动机模式。这种现象称为倒送电，这时要尽快将水利发电系统从电网解列，以免消耗更多的电网能量。

二是这种水利发电增加了升速机后，由于升速机的损耗降低了系统效率，且升速机属于易损部件，增加了故障点、增加了维修工作量，影响了发电有效时间，降低了发电系统效率和水能利用率。

三是传统的水轮发电系统配置的是电励磁发电机，电励磁发电机很难做到在低转速下运行，需要在系统中配置升速装置，且电励磁发电机本身效率低、还需要励磁控制屏提供励磁电源建立磁场，增加了系统复杂性。

四是这种发电系统为了保持系统在同步速下运行，增加了调水稳速装置，增加了基础造价，增加了系统复杂性。

综上所述，现有的水利发电系统转速必须在同步速下恒定运行，水能利用率低，配置复杂、效率低，可靠性低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供新型水利发电配置系统(简称系统)，该系统摆脱了同步速的束缚，可以根据水流量的大小自动改变水轮机的转速，水轮机可以吸纳较大的水流流量，可以充分吸收水流的能量，使系统始终处于最佳的工作状态，提高了水能利用率，系统损耗低，提高了系统稳定性，提高了发电效率。

本发明的技术解决方案是：提供一种新型水利发电配置系统，系统配置由水轮机、永磁发电机、逆变器组成，省去了传统水利发电配置系统的调水稳速装置、升速机、励磁屏、并网柜。

本发明的原理是：在这个新型水利发电配置系统中，水轮机直接带动永磁发电机发电，发出的电能接入逆变器，经过逆变器将发电机发出的不稳定电压、非50HZ或60HZ的电能，变为满足并网要求的稳定电压、50HZ或60HZ的电能，再经过逆变器所配备的并网装置并入电网。

在这个新型水利发电配置系统中，逆变器将永磁发电机发出的交流电变为直流电，再经过斩波将直流电变为符合并网需要的交流电，如频率为50HZ或60HZ，电压为400V、690V等，如并入高电压电网，可经过后续的升压变压器并入高压电网。在这个系统中，当水流小时，水轮机转速慢、永磁发电机发出的电压低，频率低、能量小，逆变器经过整流逆变变为恒定电压恒定频率的电能，当然这时逆变器输出的能量是小的。当水流强时，水轮机转速变快、永磁发电机发出的电压变高，频率变高、能量变大，逆变器经过整流逆变变为恒定电压恒定频率的电能，这时逆变器输出的能量也变大。当夏季盛水期，水量大，水流可以全部流过水轮机，使水轮机转速升高，带动永磁发电机转速升高，发电机转速升高后发电机电压升高，在发电机输出电流不变的情况下可以多发电而不过载，可以将盛水期的水能全部用上，用来多发电。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一是打破了现有水利发电系统配置模式，水轮机的转速是开放的，不需要保持电网需要的同步速，不再需要调水稳速装置，水利轮机的转速完全取决于水流对水轮机的冲力，在水量较小时水轮机的转速降低，使水轮机充分吸收水流的能量，提高了贫水期时的发电量；当水源足时，水流对水轮机的冲击力变大，水轮机的转速提高，带动永磁发电机转速提高，使发电机多发电。在盛水期，水轮机速度变得很高，发电机的转速变得很高，发电机的发 电能力变大，可以实现将所有的水全部用来发电，不至于多余的水白白流掉，充分利用水资源，实现水多多发电，水少也能发出应有的电量，使水轮机根据水资源的大小始终处于最佳工作状态。

二是新型水轮机发电系统采用了高效永磁发电机，永磁发电机在转子中安有稀土永磁材料，给发电机产生励磁磁场，省去了励磁绕组和励磁控制屏，使系统结构简单，性能提高。永磁发电机本身效率高，同样的水流可以多发电。永磁发电机能量密度大，在相同功率、相同转速下，发电机机体积小、重量轻，可以减少工程造价。永磁发电机转子为永久磁钢，转子不发热，不需要内通风冷却发电机转子，只需要对外部的定子冷却即可，可以采用水冷或外壳强制风冷，因此发电机可以制成很高的防护等级，特别适合水电站潮湿的环境，提高发电机的使用寿命，这是电励磁发电机无法实现的。永磁发电机可以较容易的制成多极结构，可以在较低的转速下发出较高频率的电能，以适应逆变器整流逆变的需要。永磁发电机特别适合变速工作转态，可以在超低速和超高速下运行，这是现电励磁发电机所难以实现的。

三是新系统省去了升速机、也就避免了升速机带来的损耗和维修费用，使系统更安静、效率更高、可靠性更高。

四是系统中的逆变器具有自动并网作用，不再需要另配并网柜，逆变器可以根据电网的电压变化自动调整输出电压的高低，将系统发出的电能及时并入电网输电。逆变器可以根据电网电压的变化自动调整输出电压和功率因数，使水利发电机系统与电网有机结合。逆变器具有全方位的电源保护方案和完善的自我检测和保护功能，在本身系统故障或电网故障时将自动从电网解列，保证系统安全。逆变器可方便实现上位机监控，实现远程数据采集和监视，实现水电站的无人值守和数字化运营管理。

附图说明

图1为本发明的新型水利发电配置系统构成示意图。

图2为现有水利发电配置系统构成示意图。

具体实施方式

本发明所述新型水利发电配置系统，如图1所示，系统有水轮机、永磁发电机、逆变器组成。水流推动水轮机旋转，将水的动能变为水轮机旋转的机械能，驱动永磁发电机旋转而发出电能，永磁发电机发出的电能接入逆变器，当水量达到一定程度时，永磁发电机达到逆变器的工作电压，逆变器整流逆变，并与电网电压比较，自动调节输出电压和频率及相位角，使其输出符合电网要求的电能，经过逆变器内部的并网装置并入电网。当水流大时，水轮机转速快，发电机输出的电能多，并入电网的电能量大；当水流小时，水轮机转速慢，发电机输出的电能小，并入电网的电能量小。

Claims (2)

1.新型水利发电配置系统，其特征在于：该系统由水轮机、永磁发电机、逆变器组成，水轮机在水流驱动下旋转带动永磁发电机发出电能，发电机发出的电能接入逆变器，经过逆变器整流逆变并如电网。

2.根据权利要求1所述的新型水利发电配置系统，其特征在于：系统中的发电机为永磁发电机。