CN110380452A - 热声发电机组的并网系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种热声发电机组的并网系统及方法，并网系统包括：锁相装置、信号放大器、热声发电机组和接入开关，锁相装置的一个输入端与电网相连，锁相装置的输出端与信号放大器的输入端连接，信号放大器的输出端与热声发电机组的输入端连接，热声发电机组的输出端接入电网，且热声发电机组的输出端与电网之间设有接入开关，锁相装置的另一个输入端接入到热声发电机组的输出端与接入开关之间。本发明通过锁相装置和信号放大器来控制热声发电机组的输出，使之与电网电压幅值、相位以及频率相匹配，从而使热声发电机组的输出电力直接并入公用电网，避免了逆变的过程，减少了电能的损失，解决了并网困难的问题，促进了热声发电技术的发展。

Description

热声发电机组的并网系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及热声发电技术领域，尤其涉及热声发电机组的并网系统及方法。

背景技术

热声发动机是指通过热声效应由热产生机械动力的装置，其中热声效应是由热在弹性介质(常为高压惰性气体)中引起声学自激振荡的物理现象。热声发动机将低品位热能转换为声压力波形式机械能，然后由直线振荡电机(作为声电转换装置)发电转换为电能，就组成了热声发电机。在压缩机发电机之间顺次串联多组热声发动机，便构成了热声发电机组。热声发电机组可以实现对不同品味热能的梯级利用，获得更高的热电转换效率，最大限度提高系统工作效率。热声发电技术是一种新型的发电技术，可以利用废热、太阳能、工业余热等进行发电，因此具有广泛的应用前景。

理想情况下，热声发电机组投入并网运行时需满足：1)热声发电机组电压的有效值与电网电压的有效值相等；2)热声发电机组的输出电压与电网电压的频率一致且相位相同；3)热声发电机组的相序与电网的一致。

但是，1)和2)所描述的电压条件、频率条件和相位条件在热声发电机组实际并网过程中却是较难实现的。目前，由热声发动机以及自由活塞斯特林发动机所组成的热声发电机组，其所提供的电压频率和相位是无法进行主动控制调节的。电压的频率和相位是热量在弹性介质(常为高压惰性气体)中引起声学自激振荡的结果，因此是不能人为进行调控的，因此需要经过逆变的过程。而逆变过程则会导致电能的损失，增加了发电的成本，制约了热声发电技术的进一步发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种热声发电机组的并网系统和方法，用以解决现有技术中需要经过逆变致使电能损失的缺陷，实现热声发电机组无需逆变便可并网。

本发明实施例提供一种热声发电机组的并网系统，包括：锁相装置、信号放大器、热声发电机组和接入开关，所述锁相装置的一个输入端与电网相连，所述锁相装置的输出端与所述信号放大器的输入端连接，所述信号放大器的输出端与所述热声发电机组的输入端连接，所述热声发电机组的输出端接入所述电网，且所述热声发电机组的输出端与所述电网之间设有所述接入开关，所述锁相装置的另一个输入端接入到所述热声发电机组的输出端与所述接入开关之间，以使所述锁相装置获得所述热声发电机组的输出信号。

本发明实施例提供的利用上述并网系统并网的方法，包括：

在所述热声发电机组接入所述电网前，所述锁相装置比较所述电网的电压与所述热声发电机组的输出电压，并调节自身的输出电压，以使所述热声发电机组的输出电压，直至与所述电网的电压达到同相位、同频率和同电压；

闭合所述接入开关，以使所述热声发电机组接入所述电网；

在所述热声发电机组接入所述电网后，所述信号放大器提高信号放大倍数，以使所述热声发电机组至额定输出功率。

本发明实施例提供的热声发电机组的并网系统和方法，通过锁相装置和信号放大器来控制热声发电机组的输出电压幅值、相位和频率，使之与电网电压幅值、相位以及频率相匹配，从而使热声发电机组的输出电力直接并入公用电网，避免了逆变的发生，减少了电能的损失，解决了并网困难的问题，降低了热声发电的成本，促进了热声发电技术的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明热声发电机组并网系统的结构示意图；

图2为本发明热声发电机组并网系统实施例第一种结构示意图；

图3为本发明热声发电机组并网系统实施例第二种结构示意图；

图4为本发明热声发电机组并网系统实施例第三种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例1

本实施例提供一种热声发电机组的并网系统，其结构示意图如图1所示，该并网系统包括：锁相装置10、信号放大器9、热声发电机组A和接入开关11，锁相装置10的一个输入端与电网B相连，锁相装置10的输出端与信号放大器9的输入端连接，信号放大器9的输出端与热声发电机组A的输入端连接，热声发电机组A的输出端接入电网B，且热声发电机组A的输出端与电网B之间设有接入开关11，锁相装置10的另一个输入端接入到热声发电机组A的输出端与接入开关11之间，以使锁相装置10获得热声发电机组A的输出信号。

其工作过程如下：锁相装置10从电网B获得输入信号，从输出端输出信号给信号放大器9，信号放大器9输出电压驱动热声发电机组A工作，热声发电机组A再输出电压入网。在入网之前，锁相装置10不断比较电网B电压信号与热声发电机组A输出端的电压信号，在热声发电机组A输出电压未达到电网B电压之前，接入开关11处于断开状态，锁相装置10同时调整自己的输出电压，使热声发电机组A输出电压信号与电网B电压信号达到同相位、同频率、同电压；达到上述条件后，合上接入开关11开始并网；入网后信号放大器9提高信号放大倍数，则热声发电机组A的驱动电压提高，相应地，其输出电压也提高了，因此就会有电功输入电网B，在入网后提高信号放大器9输出信号的同时，锁相装置10不断比较电网B电压信号与热声发电机组A输出端的电压信号，使二者满足同相位、同频率，当热声发电机组A达到额定输出功率的稳定状态时，保持信号放大器9的信号放大倍数和热声发电机组A的输出电压不变，同时锁定锁相装置10的输入输出信号的相位和频率。热声发电机组A断网时，逐渐减少信号放大器9的放大倍数直至热声发电机组A输出电压与电网B电压相等，热声发电机组A不再输出电功，同时锁相装置10不断比较电网B电压信号与热声发电机组A输出端的电压信号，使二者满足同相位、同频率，此时断开接入开关11。

在热声发电机组A向电网B并网的整个过程中，有效地避免了电功反流，即避免了电网B反过来从热声发电机组A输出端向热声发电机组A输入电功。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供一种具体的热声发电机组的并网系统，其具体结构如图2所示，热声发电机组A包括顺次串联于压缩机活塞1与发电机活塞6之间的多组热声发动机，且各组热声发动机之间通过排出器5耦合，热声发动机包括顺次连接的主水冷器2、回热器3和加热器4，主水冷器2与压缩机活塞1连接，热声发电机组A还包括与发电机活塞6相连的永磁体7和线圈8。

压缩机活塞1在外界电压的驱动下反复运动并压缩机组内部的气体，使其产生振荡的声波，声波经由回热器3和加热器4后将外界的热能转化为声功，使得输入热声发动机的机械能成倍放大并输入到下一级发动机中，排出器5可以使得不同热声发动机组之间同时实现行波声场并相互匹配，经由多级热声发动机放大的声功，推动发电机活塞6作往复运动，发电机活塞6带动线圈8与永磁体7相互运动，将放大的机械能转换为电能并输出。当锁相装置10接收的电网B信号与热声发电机组A的输出电压信号同频率、同相位、同幅值时，闭合接入开关11开始并网；入网后信号放大器9提高信号放大倍数，热声发电机组A的驱动电压提高，相应地其输出电压也将升高，因此就会有电功输入电网，在入网后提高信号放大器9信号放大倍数的同时，锁相装置10不断比较电网B电压信号与热声发电机组A输出电压信号，使二者满足同相位、同频率；当热声发电机组A达到额定输出功率的稳定状态时，保持信号放大器9的信号放大倍数和热声发电机组A的输出电压不变，同时锁定锁相装置10的输入输出信号的相位和频率。热声发电机组A断网时，逐渐减少信号放大器9的放大倍数直至热声发电机组A输出电压与电网B电压相等，热声发电机组A不再输出电功，同时锁相装置10不断比较电网B电压信号与热声发电机组A输出端的电压信号，使二者满足同相位、同频率，此时断开接入开关11。整个过程有效地避免了电功反流。

实施例3

基于实施例1，本实施例提供又一种热声发电机组的并网系统，其结构示意图如图3所示，热声发电机组A包括顺次串联于压缩机活塞1与发电机活塞6之间的多组热声发动机，且各组热声发动机之间通过质量活塞14和谐振弹簧13构成的谐振子组件耦合，热声发动机包括顺次连接的主水冷器2、回热器3、加热器4和次水冷器12，主水冷器2与压缩机活塞1连接，次水冷器12连接于加热器4和谐振弹簧13之间，热声发电机组A还包括与发电机活塞6相连的永磁体7和线圈8。

其中谐振子组件可以使得不同热声发动机组之间同时实现行波声场并相互匹配，经由多级热声发动机放大的声功，推动发电机活塞6作往复运动，发电机活塞6带动线圈8与永磁体7相互运动，将放大的机械能转换为电能并输出。其余与实施例2相同，最终实现热声发电机组A的成功并网而无电功反流。

实施例4

本实施例提供又一种热声发电机组的并网系统，其结构示意图如图4所示，热声发电机组A包括顺次串联于压缩机活塞1与发电机活塞6之间的多组热声发动机，且各组热声发动机之间通过质量活塞14和谐振弹簧13构成的谐振子组件耦合，热声发动机包括顺次连接的主水冷器2、回热器3、加热器4和次水冷器12，主水冷器2与压缩机活塞1连接，次水冷器12连接于加热器4和谐振弹簧13之间，热声发电机组A还包括与发电机活塞6相连的永磁体7和线圈8。该并网系统还包括变压器15，设在热声发电机组A输出端与锁相装置10输入信号端之间。

与实施例3不同的是，热声发电机组A输出的电能要先经过变压器15变压再进入锁相装置10，锁相装置10不仅从源头控制着压缩机活塞1的运动，同时还控制着变压器15线圈匝数。当热声发电机组A所发出的电能在频率和相位上与电网B中的电能一致而电压幅值不一致时，锁相装置10可以仅控制变压器15线圈匝数的变化而不需要改变压缩机活塞1的运动便可满足调节的功能，降低了调节的困难程度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热声发电机组的并网系统，其特征在于，包括：锁相装置、信号放大器、热声发电机组和接入开关，所述锁相装置的一个输入端与电网相连，所述锁相装置的输出端与所述信号放大器的输入端连接，所述信号放大器的输出端与所述热声发电机组的输入端连接，所述热声发电机组的输出端接入所述电网，且所述热声发电机组的输出端与所述电网之间设有所述接入开关，所述锁相装置的另一个输入端接入到所述热声发电机组的输出端与所述接入开关之间，以使所述锁相装置获得所述热声发电机组的输出信号。

2.根据权利要求1所述的并网系统，其特征在于，所述信号放大器的输出端与所述热声发电机组的压缩机活塞相连。

3.根据权利要求1所述的并网系统，其特征在于，所述热声发电机组的各热声发动机之间通过排出器耦合，所述排出器使每组所述热声发动机内同时形成行波声场。

4.根据权利要求1所述的并网系统，其特征在于，所述热声发电机组的各热声发动机之间通过谐振子组件耦合，所述谐振子组件使每组所述热声发动机内同时形成行波声场。

5.根据权利要求4所述的并网系统，其特征在于，所述谐振子组件包括质量活塞和谐振弹簧。

6.根据权利要求1-5任一项所述的并网系统，其特征在于，所述热声发电机组的输出端与所述锁相装置的输入端之间连接有变压器，所述锁相装置控制所述变压器的线圈匝数。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的并网系统并网的方法，其特征在于，包括：

在所述热声发电机组接入所述电网前，所述锁相装置比较所述电网的电压与所述热声发电机组的输出电压，并调节自身的输出电压，以使所述热声发电机组的输出电压，直至与所述电网的电压达到同相位、同频率和同电压；

闭合所述接入开关，以使所述热声发电机组接入所述电网；

在所述热声发电机组接入所述电网后，所述信号放大器提高信号放大倍数，以使所述热声发电机组至额定输出功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述信号放大器提高信号放大倍数的同时，所述锁相装置不断比较所述电网的电压和所述热声发电机组的输出电压，以使所述电网的电压和所述热声发电机组的输出电压保持同相位和同频率。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述热声发电机组达到额定输出功率后，保持所述信号放大器的信号放大倍数不变，以使所述热声发电机组的输出电压不变，且锁定所述锁相装置的输入输出端的相位和频率，以使所述电网的电压和所述热声发电机组的输出电压保持同相位和同频率。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

结束并网时，降低所述信号放大器的信号放大倍数，同时所述锁相装置不断比较所述电网的电压和所述热声发电机组的输出电压，以使所述热声发电机组的输出电压与所述电网的电压相等，断开所述接入开关。