CN114784879A - 一种水力发电机组的变速恒频发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力发电机组的变速恒频发电系统及控制方法，发电单元包括水轮机以及由水轮机驱动的发电机；发电机的输出端通过单元开关连接电网；辅助转换装置包括整流器和逆变器，整流器的输出端与逆变器的输入端电性连接，逆变器的输出端与电网电性连接；单元控制模块包括流量传感器、流量控制器和导叶控制器；流量控制器安装在进水通道向水轮机供水位置处，导叶控制器用于控制水轮机的导叶开度；总控制装置包括中央控制器、与中央控制器进行数据交换的数据存储器，中央控制器用于电性连接并控制辅助转换装置、单元控制模块、单元开关和辅助开关；解决了水轮机组发电机输出的电流难以做到与电网中的电流频率和相位同步。

Description

一种水力发电机组的变速恒频发电系统及控制方法

技术领域

本发明属于水力发电机技术领域，尤其涉及一种水力发电机组的变速恒频发电系统及控制方法。

技术背景

水力发电时一种重要的清洁能源获取方式，随着我国的工业化越来越多的水电组开始在开始在大小河流上作业。水力发电过程中水流将穿过水轮机从而带动水轮机的转子进行转动，再利用水轮机的转子带动发电机进行发电。但是水电机组在实际使用时却需要解决很多问题，首先是小型水电机组所采用的水库由于受到不同季节降雨量的影响难以保持水头稳定，同时不同季节水电机组所需要向外部输出的功率也不同，因此就需要实时的调整水电机组的运行参数。其次是我国采用三相电进行电力的远程输送，水轮机组由于存在各种因素容易影响其转速的稳定性，从而导致发电机输出的电流难以做到与电网中的电流频率和相位同步，这就造成了电能的大量浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种水力发电机组的变速恒频发电系统及控制方法，以解决采用三相电进行电力的远程输送，水轮机组由于存在各种因素容易影响其转速的稳定性，从而导致发电机输出的电流难以做到与电网中的电流频率和相位同步，这就造成了电能的大量浪费等技术问题。

本发明技术方案：

一种水力发电机组的变速恒频发电系统，所述系统包括：

发电单元，发电单元包括水轮机以及由水轮机驱动的发电机；发电机的输出端通过单元开关连接电网，变频器通过发电机输出端电流变化调整发电机控制绕组电流频率；

辅助转换装置，辅助转换装置包括整流器和逆变器，整流器的输出端与逆变器的输入端电性连接，逆变器的输出端与电网电性连接，发电机的输出端通过辅助开关与整流器电性连接；

单元控制模块，单元控制模块包括流量传感器、流量控制器和导叶控制器；流量传感器安装在水轮机的尾水管上，水轮机的进水端通过进水通道供水，流量控制器安装在进水通道向水轮机供水位置处，导叶控制器用于控制水轮机的导叶开度；

总控制装置，总控制装置包括中央控制器、与中央控制器进行数据交换的数据存储器，中央控制器用于电性连接并控制辅助转换装置、单元控制模块、单元开关和辅助开关。

发电机为无刷双馈发电机，变频器为密闭式IP65型变频器。

中央控制器为PLC控制器或者工控机，流量控制器为采用液压驱动控制开闭的闸板阀。

数据存储器通过键盘或人机交互设备录入数据，水库中安装有能够监测水库状态并将检测数据通过数据线传送至数据存储器的水库监控模块。

所述控制方法包括：

S1、初始化任务；首先由操作人员将各个水轮机所对应的单元开关关闭，同时打开相应的辅助开关，随后将水轮机作业所需的数据存入数据存储器内，并向中央控制器内发送待执行计划；

S2、应用参数设置；当中央控制器接收到待执行计划后，中央控制器开始调取数据存储器中存储的任务数据，随后根据数据中水库的水头高度、发电系统所需输出的总功率以及指定需要开启的水轮机来设定每个水轮机的运行参数，此时每个需要工作的水轮机所对应的导叶控制器将根据中央控制器提供的数据来调整相应水轮机的导叶开度，随后中央控制器打开需要作业的水轮机所对应的流量控制器，从而使水流开始流过需要作业的水轮机内；

S3、通过调整参数实现初期并网；

S4、同步并网：操作人员通过安装在相应发电机功率绕组和电网之间的同步表来判断发电机产生电流与电网中电流之间的频率和相位是否同步，当同步时，操作人员首先打开相应的单元开关，然后关闭相应的辅助开关，此时该发电单元便处于同步并网状态。

S3所述通过调整参数实现初期并网的方法为：当相应水轮机开始工作后，中央控制器将每个水轮机所对应的转速传感器和流量传感器传输的数据作为变量，利用PID算法对相应的导叶控制器进行负反馈控制，从而利用导叶控制器调整相应水轮机的导叶开度来使该水轮机输出的转速维持在额定转速，随后变频器根据发电机输出的电流频率来改变发电机内控制绕组的频率从而使发电机的输出电流频率稳定在设定频率，在发电机调整的过程中发电机的输出电流将由辅助转换装置内部的整流器和逆变器经过整流和逆变后并入电网，实现初期并网。

在同步并网状态下，该水轮机依然通过导叶控制器实时调整水轮机的转速，并通过变频器实时调整发电机的输出频率，来维持同步并网状态。

所述控制方法还包括：

S5、当具有发电单元处于同步并网状态时，如果系统内的组成部件需要停机维护或者需要更改不同发电单元的运行参数时，需要先关闭涉及到的发电单元，此时操作人员应当将所涉及的各个水轮机对应的单元开关关闭，同时打开相应的辅助开关，此时相应的发电单元脱离同步并网状态转为通过辅助转换装置来并网，随后中央控制器根据操作指令关闭相应的流量控制器从而使相应水轮机完全关闭，随后操作人员将变更后的任务以待执行计划的形式送入中央控制器内，重新执行S2步骤至S4步骤即可。

本发明有益效果：

本发明所提供的发电系统将不同水轮机编组成为并联控制的各个发电单元，因此能够单独的通过更改不同发电单元的工作状态来实现对系统整体工作状态的稳步调整同时也方便了维护作业，同时每个发电单元均能够有效的通过单元控制模块和变频器来实现发电单元变速恒频发电，并且发电单元在不能稳定维持同步并网状态下也能够通过辅助转换装置来向电网中输送电能，因此能够有效的提高发电效率，降低由于发电单元与电网输出频率不同步导致的能量损失，具有很高的实用价值。解决了采用三相电进行电力的远程输送，水轮机组由于存在各种因素容易影响其转速的稳定性，从而导致发电机输出的电流难以做到与电网中的电流频率和相位同步，这就造成了电能的大量浪费等技术问题。

附图说明

图1为本发明稀土组成示意图；

图2为本发明系统框图。

图中：1、进水通道；2、流量控制器；3、发电机；4、水轮机；5、流量传感器；6、总控制装置；7、辅助转换装置；8、变频器；9、逆变器；10、整流器；11、单元开关；12、发电单元；13、辅助开关；14、导叶控制器；15、中央控制器；16、单元控制模块；17、转速传感器；18、水库监控模块；19、数据存储器。

具体实施方式

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种水力发电机组的变速恒频发电系统，该变速恒频发电系统包括：

发电单元12，发电单元12由水轮机4以及由水轮机4驱动的发电机3组成，且发电机3为采用变频器8调整控制绕组电流频率的无刷双馈电机，发电机3为无刷双馈发电机，且变频器8为密闭式IP65型变频器，发电机3的输出端通过单元开关11连接电网，且变频器8通过发电机3输出端电流变化调整发电机3控制绕组电流频率；

辅助转换装置7，辅助转换装置7包括整流器10和逆变器9，且整流器10的输出端与逆变器9的输入端电性连接，逆变器9的输出端与电网电性连接，且发电机3的输出端通过辅助开关13与整流器10电性连接；

单元控制模块16，单元控制模块16包括流量传感器5、流量控制器2和导叶控制器14，且流量传感器5安装在水轮机4的尾水管上，流量控制器2为采用液压驱动控制开闭的闸板阀，水轮机4的进度端通过进水通道1供水，且流量控制器2安装在进水通道1向水轮机4供水位置处，导叶控制器14用于控制水轮机4的导叶开度；

总控制装置6，总控制装置6内包括中央控制器15、以及与中央控制器15进行数据交换的数据存储器19，且中央控制器15用于电性连接并控制辅助转换装置7、单元控制模块16、单元开关11和辅助开关13，中央控制器15为PLC控制器或者工控机。

一种水力发电机组变速恒频发电系统的控制方法，包括以下步骤：

S1.初始化：首先由操作人员将各个水轮机4所对应的单元开关11关闭，同时打开相应的辅助开关13，随后将水轮机4作业所需的数据存入数据存储器19内，并向中央控制器15内发送待执行计划，需要存入数据存储器19内供中央控制器15读取的数据包括：水库当前的蓄水状态和水头高度、各个发电单元12的具体组成数据和工作性能、发电系统需要输出的总功率、各发电单元12当前是否处于维护或者需要变换运行参数状态等信息，而待执行计划中主要包含操作人员预先设定好的系统内部各种详细执行参数；

S2.应用参数：当中央控制器15接收到待执行计划后，中央控制器15开始调取数据存储器19中存储的任务数据，随后根据数据中水库的水头高度、发电系统所需输出的总功率以及指定需要开启或调整参数的水轮机4来设定每个水轮机4的运行参数，此时每个需要工作的水轮机4所对应的导叶控制器14将根据中央控制器15提供的数据来调整相应水轮机4的导叶开度，随后中央控制器15打开需要作业的水轮机4所对应的流量控制器2，从而使水流开始流过需要作业的水轮机4内，进而使水轮机4能够带动相应的发电机3进行发电；

S3.参数调整：当相应水轮机4开始工作后，中央控制器15将每个水轮机4所对应的转速传感器17和流量传感器5传输的数据作为变量，利用PID算法对相应的导叶控制器14进行负反馈控制，从而利用导叶控制器14调整相应水轮机4的导叶开度来使该水轮机4输出的转速维持在额定转速附近，随后变频器8根据发电机3输出的电流频率来改变发电机3内控制绕组的频率从而使发电机3的输出电流频率稳定在设定频率附近，在发电机3调整的过程中发电机3的输出电流将由辅助转换装置7内部的整流器10和逆变器9经过整流和逆变后并入电网，实现初期并网，整流器10用于将发电机3输出的频率不稳定的交流电转换为直流电，而逆变器9则将整流器10输出的直流电再次的转换为与电网中交流电频率和相位相同的交流电来实现同步并网；

S4.同步并网：操作人员通过安装在相应发电机3功率绕组和电网之间的同步表来判断发电机3产生电流与电网中电流之间的频率和相位是否同步，当同步表长期显示不处于同步状态时，操作人员可以通过中央控制器15直接调整变频器8的变频参数来辅助完成同步，当同步表显示处于同步状态时，操作人员首先打开相应的单元开关11，然后关闭相应的辅助开关13，此时该发电单元12便处于同步并网状态，在同步并网状态下该水轮机4依然需要通过导叶控制器14实时调整水轮机4的转速，并通过变频器8实时调整发电机3的输出频率，来维持同步并网状态，因此该发电系统中辅助转换装置7在正常使用时只用于发电机3电流频率输出不稳定时作为临时并网措施使用，从而避免由于辅助转换装置7自身能量转换效率问题影响水电机组的整体发电性能；

S5.变更任务：当系统中的发电单元12需要停机维护或者需要更改不同发电单元12的运行参数时，例如水库中进水不足无法继续维持水头需要降低水轮机流量和转速时，需要先关闭涉及到的发电单元12，此时操作人员应当将所涉及的各个水轮机4对应的单元开关11关闭，同时打开相应的辅助开关13，此时相应的发电单元12脱离同步并网状态转为通过辅助转换装置7来并网，随后中央控制器15根据操作指令关闭相应的流量控制器2从而使相应水轮机4完全关闭，随后操作人员将变更后的任务以待执行计划的形式送入中央控制器15内，中央控制器15根据计划针对设计到的发电单元12重新执行S2步骤至S4步骤即可完成任务变更流程。

本发明所提供的发电系统将不同水轮机编组成为并联控制的各个发电单元12，因此能够单独的通过更改不同发电单元12的工作状态来实现对系统整体工作状态的稳步调整同时也方便了维护作业，例如在降水量不同的季节通过调整各个水轮机4的流量和转速以及各个发电单元12是否同时工作来维持水库蓄水量或者根据不同时间段的用电需求来调整各个发电单元12的实时工作状态，同时每个发电单元均能够有效的通过单元控制模块16和变频器8来实现发电单元12变速恒频发电，并且发电单元12在不能稳定维持同步并网状态下也能够通过辅助转换装置7来向电网中输送电能，因此能够有效的提高发电效率，降低由于发电单元与电网输出频率不同步导致的能量损失。

Claims (8)

1.一种水力发电机组的变速恒频发电系统，其特征在于：所述系统包括：

发电单元（12），发电单元（12）包括水轮机（4）以及由水轮机（4）驱动的发电机（3）；发电机（3）的输出端通过单元开关（11）连接电网，变频器（8）通过发电机（3）输出端电流变化调整发电机（3）控制绕组电流频率；

辅助转换装置（7），辅助转换装置（7）包括整流器（10）和逆变器（9），整流器（10）的输出端与逆变器（9）的输入端电性连接，逆变器（9）的输出端与电网电性连接，发电机（4）的输出端通过辅助开关（13）与整流器（10）电性连接；

单元控制模块（16），单元控制模块（16）包括流量传感器（5）、流量控制器（2）和导叶控制器（14）；流量传感器（5）安装在水轮机（4）的尾水管上，水轮机（4）的进水端通过进水通道（1）供水，流量控制器（2）安装在进水通道（1）向水轮机（4）供水位置处，导叶控制器（14）用于控制水轮机（4）的导叶开度；

总控制装置（6），总控制装置（6）包括中央控制器（15）、与中央控制器（15）进行数据交换的数据存储器（19），中央控制器（15）用于电性连接并控制辅助转换装置（7）、单元控制模块（16）、单元开关（11）和辅助开关（13）。

2.根据权利要求1所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统，其特征在于：发电机（3）为无刷双馈发电机，变频器（8）为密闭式IP65型变频器。

3.根据权利要求1所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统，其特征在于：中央控制器（15）为PLC控制器或者工控机，流量控制器（2）为采用液压驱动控制开闭的闸板阀。

4.根据权利要求1所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统，其特征在于：数据存储器（19）通过键盘或人机交互设备录入数据，水库中安装有能够监测水库状态并将检测数据通过数据线传送至数据存储器（19）的水库监控模块（18）。

5.如权利要求1所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：

S1、初始化任务；首先由操作人员将各个水轮机（4）所对应的单元开关（11）关闭，同时打开相应的辅助开关（13），随后将水轮机（4）作业所需的数据存入数据存储器（19）内，并向中央控制器（15）内发送待执行计划；

S2、应用参数设置；当中央控制器（15）接收到待执行计划后，中央控制器（15）开始调取数据存储器（19）中存储的任务数据，随后根据数据中水库的水头高度、发电系统所需输出的总功率以及指定需要开启的水轮机（4）来设定每个水轮机（4）的运行参数，此时每个需要工作的水轮机（4）所对应的导叶控制器（14）将根据中央控制器（15）提供的数据来调整相应水轮机（4）的导叶开度，随后中央控制器（15）打开需要作业的水轮机（4）所对应的流量控制器（2），从而使水流开始流过需要作业的水轮机（4）内；

S3、通过调整参数实现初期并网；

S4、同步并网：操作人员通过安装在相应发电机（3）功率绕组和电网之间的同步表来判断发电机（3）产生电流与电网中电流之间的频率和相位是否同步，当同步时，操作人员首先打开相应的单元开关（11），然后关闭相应的辅助开关（13），此时该发电单元（12）便处于同步并网状态。

6.根据权利要求5所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统的控制方法，其特征在于：S3所述通过调整参数实现初期并网的方法为：当相应水轮机（4）开始工作后，中央控制器（15）将每个水轮机（4）所对应的转速传感器（17）和流量传感器（5）传输的数据作为变量，利用PID算法对相应的导叶控制器（14）进行负反馈控制，从而利用导叶控制器（14）调整相应水轮机（4）的导叶开度来使该水轮机（4）输出的转速维持在额定转速，随后变频器（8）根据发电机（3）输出的电流频率来改变发电机（3）内控制绕组的频率从而使发电机（3）的输出电流频率稳定在设定频率，在发电机（3）调整的过程中发电机（3）的输出电流将由辅助转换装置（7）内部的整流器（10）和逆变器（9）经过整流和逆变后并入电网，实现初期并网。

7.根据权利要求5所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统的控制方法，其特征在于：在同步并网状态下，该水轮机（4）依然通过导叶控制器（14）实时调整水轮机（4）的转速，并通过变频器（8）实时调整发电机（3）的输出频率，来维持同步并网状态。

8.根据权利要求5所述的一种水力发电机组的变速恒频发电系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括：

S5、当具有发电单元（12）处于同步并网状态时，如果系统内的组成部件需要停机维护或者需要更改不同发电单元（12）的运行参数时，需要先关闭涉及到的发电单元（12），此时操作人员应当将所涉及的各个水轮机（4）对应的单元开关（11）关闭，同时打开相应的辅助开关（13），此时相应的发电单元（12）脱离同步并网状态转为通过辅助转换装置（7）来并网，随后中央控制器（15）根据操作指令关闭相应的流量控制器（2）从而使相应水轮机（4）完全关闭，随后操作人员将变更后的任务以待执行计划的形式送入中央控制器（15）内，重新执行S2步骤至S4步骤即可。

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