CN107462433A - 水轮发电模拟试验控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水轮发电模拟试验控制系统，包括洋流模拟水系统、水轮动力装置、低速增速装置、永磁发电机系统、信号采集单元、主控单元、监控系统和负载单元，洋流模拟水系统为一循环水系统，依次包括高位水箱、增压泵、涡轮流量计、调节阀、45度坡度流道、水平流道、水力发电机实验段、低位水箱以及循环水泵，通过自动调节阀门开度，模拟洋流流速变化，实现叶轮动力装置速度的调节，经过低速增速装置，驱动永磁发电机发电供给负载箱。适用于小型水轮发电试验系统研究，通过调节系统参数，实现对测试设备性能分析，根据测试结果对系统设备设计进一步优化提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种水轮发电系统控制技术，特别涉及一种水轮发电模拟试验控制系统。
背景技术
随着工业革命的兴起，世界逐渐进入到机械化时代，能源也由原来的物理能源占主导地位转而由化学能源占主导地位。然而近年来，曾支撑20世纪人类文明高速发展的化石能源出现了前所未有的危机，以煤、石油以及其他有机物作为燃料，在燃烧过程中，释放的有害物质进入到空气中，造成环境污染。另外为了获取更多的燃料，以产生更多的能量，人们过度的开采，因此，加重了环境污染，以及产生温室效应，而危及人类未来发展。随着社会的进步及人们环保意识的提升，人们将目光转向再生能源，如风力、水力及潮汐能等，以减少化石能源的应用。由于水资源利用的清洁性、高效性及廉价性等因素，目前水力发电的技术也取得了一定的发展，水力发电的发展离不开水轮机的作用，因此制造高效易操作的水轮机发电系统必将成为未来发展的一大走向。
但实际水力发电在进行设计控制时，无法对各个性能进行有效的测试，并且这方面的测试条件也很匮乏，因此要提高水轮机发电效率，测试实验是前提。
发明内容
本发明是针对水力发电设计性能测试的问题，提出了一种水轮发电模拟试验控制系统，有助于提高水力发电设计水平。
本发明的技术方案为：一种水轮发电模拟试验控制系统，包括洋流模拟水系统、水轮动力装置、低速增速装置、永磁发电机系统、信号采集单元、主控单元、监控系统和负载单元；
洋流模拟水系统为一循环水系统，依次包括高位水箱、增压泵、涡轮流量计、第一调节阀、45度坡度流道、水平流道、水力发电机实验段、低位水箱以及循环水泵，由循环水泵将低位水箱的水抽入屋顶高位水箱，经过高位水箱出口处增压泵进行增压，高位水箱的出口水通过涡轮流量计及第一调节阀后，再沿着45度的坡度流道流下后，高速的水流沿着水平流道流动，形成稳定的速度均匀的高速水流，流进水力发电机实验段；
在水力发电机实验段安装水轮动力装置，水轮动力装置通过低速增速装置与永磁发电机连接，永磁发电机输出给负载单元供电；
信号采集单元采集涡轮流量计检测的水系统流量和永磁发电机的电压、电流、功率和转速信号，信号采集单元输出信号到主控单元，主控单元输出控制信号到第一调节阀门控制其开度大小，主控单元将数据送监控系统显示和记录。
所述水轮发电模拟试验控制系统，还包括低位水箱输出端的第二调节阀和水力发电机实验段入口的第三调节阀。
本发明的有益效果在于：本发明水轮发电模拟试验控制系统，适用于小型水轮发电试验系统研究，通过调节系统参数，实现对测试设备性能分析，根据测试结果对系统设备设计进一步优化提升。
附图说明
图1为本发明水轮发电模拟试验控制系统结构示意图。
具体实施方式
水轮机发电试验系统采用小型水轮机结构，供水系统由屋顶的高位水箱、增压泵、低位水箱、45度坡度流道、水平流道以及循环水泵等组成。由循环水泵将低位水箱的水提高压力后送入屋顶高位水箱；为满足水力发电系统实验段内的水速达到实验的要求（目前河流、洋流流速大约为1~3米/秒，文中模拟其流动工况），在高位水箱出口安装一增压泵，且在高位水箱的出口安装调节阀和涡轮流量计，以方便改变流量的大小和实时对其进行测量。实验过程中，首先高位水箱的水沿着45度的坡度流道流下，重力势能转化为动能，高速的水流沿着水平流道流动，形成稳定的速度均匀的高速水流后，流进实验段。实验段内安装小型水轮机结构叶轮，由叶轮通过机械传动机构与小型永磁发电机连接，从而实现能量转换，产生电能。
如图1所示水轮发电模拟试验控制系统结构示意图，系统包括：洋流模拟水系统U1、小型水轮动力装置U2、低速增速装置U3、永磁发电机系统U4、信号采集单元U5、主控单元U6、监控系统U7和负载单元U8。
洋流模拟水系统U1为一循环水系统，依次包括高位水箱、增压泵、涡轮流量计、调节阀1、45度坡度流道、水平流道、调节阀3、水力发电机实验段、低位水箱、调节阀2以及循环水泵。由循环水泵将低位水箱的水提高压力后送入屋顶高位水箱；为满足水力发电系统实验段内的水速达到实验的要求（目前河流、洋流流速大约为1~3米/秒，文中模拟其流动工况），在高位水箱出口安装一增压泵，且在高位水箱的出口安装调节阀1和涡轮流量计，以方便改变流量的大小和实时对其进行测量。实验过程中，首先高位水箱的水沿着45度的坡度流道流下，重力势能转化为动能，高速的水流沿着水平流道流动，形成稳定的速度均匀的高速水流后，流进水力发电机实验段。
在水力发电机实验段安装小型水轮动力装置U2，小型水轮动力装置U2通过低速增速装置U3与永磁发电机U4连接，为满足发电机的额定转速需用到增速装置（如大直径带轮通过传动皮带带动小带轮或封闭式齿轮增速箱传动），将叶轮的转动机械能通过一系列外啮合齿轮增速，实现速度满足发电机与发电机轮轴相连。
永磁发电机U4与低速增速装置连接，永磁发电机U4体积小、重量轻、比功率大，适合中、低速发电性能。通过永磁发电机将机械能转变为电能，该系统结构设计得更加紧凑合理，具有更高可靠性和更长的使用寿命，也避免了直驱式驱动方案和高速齿轮箱驱动方案的诸多缺陷。
永磁发电机U4输出给负载单元U8供电，负载单元U8主要用于发电机能量闭环。作为负载能量存储可以考虑采用整流-逆变加蓄电池储能的方式。同时，将负载实时（如电压、电流、功率等）数据通过信号采集单元U5转换送主控单元U6，主控单元U6将数据送监控系统显示和记录。
信号采集单元U5主要用于水系统流量、发电系统电压、电流、功率和转速等信号采集，电压信号从负载母线采集，电流信号通过电流互感器接采集。通过变送器电压、电流、功率、转速和流量等信号（4～20mA的模拟量信号），传输到主控单元U6，同时，采集水箱液位信号（开关量），控制水箱液位。输出调整阀门开度信号（4～20mA的模拟量信号）。
主控单元U6硬件由可编程逻辑控制器及其通讯网络系统组成。该主控单元U6通过信号输入部分读取发电机组基本能力的数据，通过数据采集与控制部分获取运行状态，根据设备工艺情况，评估用电设备的转速、电压、电流、功率值等参数优为有效控制发电机在一定转速稳定下运行，通过信号采集单元采集相关信号，采用调节阀门1、2、3开度的大小，实现对水流流速的调节，从而实现水轮机转速的调节，最终实现在不同环境条件下运行状态分析。
监控部分U7即人机界面（HMI）,由工业控制计算机和相关监控软件程序构成，实现与控制主机之间的人机对话。监控软件采用通用监控软件（如西门子WinCC）,通过工业以太网与主控单元（可编程逻辑控制器）部分U6连接。实现实时显示控制情况、主要频率参数等，同时，实现水箱液位控制、调节阀门的开度等功能。
Claims (2)
1.一种水轮发电模拟试验控制系统，其特征在于，包括洋流模拟水系统、水轮动力装置、低速增速装置、永磁发电机系统、信号采集单元、主控单元、监控系统和负载单元；
洋流模拟水系统为一循环水系统，依次包括高位水箱、增压泵、涡轮流量计、第一调节阀、45度坡度流道、水平流道、水力发电机实验段、低位水箱以及循环水泵，由循环水泵将低位水箱的水抽入屋顶高位水箱，经过高位水箱出口处增压泵进行增压，高位水箱的出口水通过涡轮流量计及第一调节阀后，再沿着45度的坡度流道流下后，高速的水流沿着水平流道流动，形成稳定的速度均匀的高速水流，流进水力发电机实验段；
在水力发电机实验段安装水轮动力装置，水轮动力装置通过低速增速装置与永磁发电机连接，永磁发电机输出给负载单元供电；
信号采集单元采集涡轮流量计检测的水系统流量和永磁发电机的电压、电流、功率和转速信号，信号采集单元输出信号到主控单元，主控单元输出控制信号到第一调节阀门控制其开度大小，主控单元将数据送监控系统显示和记录。
2.根据权利要求1所述水轮发电模拟试验控制系统，其特征在于，还包括低位水箱输出端的第二调节阀和水力发电机实验段入口的第三调节阀。
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