CN116131421A - 将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统及方法，属于水力发电技术领域，方案为：在水轮发电机组制动环下方增设一定数量的发电机，该发电机接收到机组现地控制单元开出的投入令后，摩擦轮自动上升与水轮发电机组制动环接触，制动环通过摩擦力带动发电机的转子旋转，转子旋转产生的电能储存在蓄电池中，供黑启动机组使用，发电机投入同时闭锁机组制动设备动作，依靠摩擦轮与水轮发电机组制动环间的摩擦力，加速机组停机。本发明通过将水轮发电机组停机制动能量回收并转换为机组黑启动电源，降低了厂用电率的，提高能源利用效率。

Description

将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统及方法
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，特别涉及一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统及方法。
背景技术
水轮发电机组与电网解列后，机组进入停机过程。水轮发电机组机组由于转动部件惯性大，短时间内不能停止运转，且机组推力轴承轴瓦的油膜形成与机组转速有关，机组在低速下旋转会导致油膜的破坏继而出现干摩擦，甚至烧毁轴瓦，因此机组不能长时间处于低速运转状态。为解决水轮发电机组停机过程中低速运转时间长的问题，传统的水轮发电机组主要采用机械制动和电气制动两种模式缩短停机时长，两种制动模式除需增加额外的制动专用设备外，还需借助电能、气压或油压以克服水轮发电机组产生的转动惯量，从而加速机组停机。所以机组停机过程中不但会消耗大量的能量，而且还存在制动设备频繁启停导致的电气设备零部件磨损增大、电气制动开关本体漏气、操动机构漏油、操动机构内部二次端子松动和机械制动风闸节点动作不到位、制动器活塞密封漏气、设备使用寿命缩短等问题。
水电站A类黑启动方式是仅利用直流蓄电池存储的电能量、液压系统存储的液压能量，恢复厂用电工作电源的方式，其动力电源多为蓄电池。当水电站厂用电正常时，厂用电400V交流电源作为蓄电池的充电电源；当水电站全厂停电，机组需进行黑启动时，蓄电池逆变为机组供电，此种供电方式需要用厂用电一直为黑启动动力电池充电，一定程度上增加了电站厂用电率。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统及方法，通过将水轮发电机组停机制动能量回收并转换为机组黑启动电源，降低了厂用电率的，提高能源利用效率。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统，包括包括机组现地控制单元、电机现地控制单元、电池管理系统、整流/逆变器控制系统、控制网络、摩擦轮、发电机、开关S1、开关S2、整流器和逆变器，摩擦轮用于与水轮发电机组的制动环相配合，摩擦轮与发电机的转子连接，发电机的定子通过开关S1与整流器电连接，整流器的输出端与逆变器的输入端串联，逆变器的输出端与开关S2的输入端相连，开关S2与输出端与厂用电源的输入端相连；厂用电源包括自用电I段母线和自用电II段母线，自用电I段母线和自用电II段母线之间通过开关S4连接，自用电I段母线与I段进线电源之间设有第一进线开关S5 ，自用电II段母线与II段进线电源之间设有第二进线开关S6；其中，机组自用电I段母线电源由其他机组提供，机组自用电II段母线电源由黑启动机组自身发电提供，黑启动应急电源输出接至黑启动机组400V机组自用电I段；
开关S3的输入端连接在整流器的输出端与逆变器的输入端之间；
机组现地控制单元通过控制网络与电池管理系统、电机现地控制单元、整流/逆变器控制系统连接。
优选地，发电机由活塞缸驱动移动；活塞缸用于控制摩擦轮投入运行或退出运行。
将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：设置水轮发电机组停机时发电机自动投入条件：
步骤二：电机控制系统收到机组现地控制单元开出的投入令后，判断发电机自动投入条件是否满足，若是进入步骤三，若否则进入步骤八；
步骤三：判断发电机是否有故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤四；
步骤四：判断整流器是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤五；
步骤五：判断蓄电池是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤六；
步骤六：机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2分闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否分闸，若是则进入步骤七，若否则进入步骤八；
步骤七：机组现地控制单元开出电机输出至开关S1合闸指令，判断发电机输出至开关S1是否合闸，若是则进入步骤九，若否则进入步骤八；
步骤八：执行水轮发电机组停机常规制动指令；
步骤九：闭锁水轮发电机组制动设备投入，摩擦轮与水轮发电机组制动环接触，进入步骤十；
步骤十：水轮发电机组制动环通过摩擦力带动发电机转子旋转，同时机组现地控制单元向整流器发出工作指令，将发电机旋转产生的电能储存在蓄电池中，进入步骤十一；
步骤十一：判断机组转速是否为0，若是进入步骤十二，若否进入步骤十；
步骤十二：机组现地控制单元向整流器发出终止指令，进入步骤十三；
步骤十三：机组现地控制单元开出电机输出至开关S1分闸指令，进入步骤十四；
步骤十四：机组现地控制单元开出电机退出指令，使摩擦轮与水轮发电机组制动环脱离接触；
步骤十五：当水电站全厂停电，机组需进行黑启动，机组现地控制单元开出发电机输出至开关S1分闸指令，判断电机输出至开关S1是否分闸，若是则进入步骤十六，若否则进入步骤二十二；
步骤十六：判断开关S6是否分闸，若是则进入步骤十七，若否则进入步骤二十二；
步骤十七：判断开关S4是否分闸，若是则进入步骤十八，若否则进入步骤二十二；
步骤十八：机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2合闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否合闸，若是则进入步骤十九，若否则进入步骤二十二；
步骤十九：机组现地控制单元向逆变器发出工作指令，蓄电池释放储存的电能至黑启动机组400V机组自用电；
步骤二十：当水电站厂用电恢复后，机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2分闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否分闸，若是则进入步骤二十一，若否则进入步骤二十二；
步骤二十一：机组现地控制单元向逆变器发出终止指令，待所述逆变器输出电压降为0V后，即可继续对蓄电池进行浮充电；
步骤二十二：流程中止，发出报警信号。
优选地，步骤一中的发电机自动投入条件为：
（一）机组现地控制单元开出机组停机指令；
（二）机组转速小于特定转速；
（三）水轮发电机组出口开关分闸；
（四）水轮发电机组导叶全关。
优选的方案中，所述的
本专利可达到以下有益效果：
1、本发明通过将水轮发电机组停机制动能量回收并转换为机组黑启动电源，降低了厂用电率的，提高能源利用效率。
2、相较于机械制动，本发明电机转轮与制动环摩擦产生的粉尘低于机械制动，对水轮发电机组电气部件污染小；其次，转轮与制动环的摩擦力低于机械制动器与制动环间的摩擦力，降低了制动环因机械疲劳而变形龟裂的风险。
3、本发明制动能量回收装置投退不受机组是否有电气故障的限制。
4、相较于电气制动，本发明需增设设备的资金、布置空间远低于电气制动，且不存在误投入导致机组事故的情况。
5、本发明所提供的水电机组停机制动投入时，通过闭锁机组常规制动设备动作，依靠电机转轮与水轮发电机组制动环间的摩擦力，加速机组停机，可在一定程度上替代常规的机械制动和电气制动，减少常规制动设备动作频次，从而达到了降低设备损耗的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明系统控制图；
图2为本发明提出的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的操作方法流程图;
图3为本发明提出的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的操作方法流程图（A1部分）；
图4为本发明提出的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的操作方法流程图（A2部分）；
图5为本发明提出的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的操作方法流程图（A3-A4部分）；
图6为本发明摩擦轮安装位置图。
图中：制动环1、摩擦轮2、发电机3、活塞缸4；
开关S1：整流器电源开关；
开关S2：400V机组自用电电源开关；
开关S3：蓄电池输出开关；
开关S4：400V机组自用电母线联络开关；
开关S5：第一进线开关；
开关S6：第二进线开关；
“/”表示“和”；
LCU：机组现地控制单元；
TCU：整流/逆变器控制系统；
MCU：电机现地控制单元；
BMS：电池管理系统；
CNET：控制网。
具体实施方式
实施例1：
优选的方案如图1和图6所示，一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统，包括机组现地控制单元、电机现地控制单元、电池管理系统、整流/逆变器控制系统、控制网络、摩擦轮、发电机、开关S1、开关S2、整流器和逆变器，其特征在于：摩擦轮用于与水轮发电机组的制动环相配合，摩擦轮与发电机的转子连接，发电机的定子通过开关S1与整流器电连接，整流器的输出端与逆变器的输入端串联，逆变器的输出端与开关S2的输入端相连，开关S2与输出端与厂用电源的输入端相连；厂用电源包括自用电I段母线和自用电II段母线，自用电I段母线和自用电II段母线之间通过开关S4连接，自用电I段母线与I段进线电源之间设有第一进线开关S5 ，自用电II段母线与II段进线电源之间设有第二进线开关S6；其中，自用电I段母线电源由其他机组提供，自用电II段母线电源由黑启动机组自身发电提供，黑启动应急电源输出接至黑启动机组400V机组自用电I段；
蓄电池包括两个输入端，其中一个输入端接在直流母线上，另外一个输入端通过开关S3并联在整流器的输出端与逆变器的输入端之间；
机组现地控制单元通过控制网络与电池管理系统、电机现地控制单元、整流/逆变器控制系统连接。
进一步地，发电机由活塞缸驱动移动；活塞缸用于控制摩擦轮投入运行或退出运行。
所述的制动环是通过拉紧螺杆固定在水轮发电机组转子磁轭下部的环形制动片，其作用是依靠电机摩擦轮与制动环间的摩擦力带动电机转动。所述的发电机：机组停机过程中，发电机的转子旋转将水轮发电机组停机过程中的机械能转化为电能储存在蓄电池中。活塞缸：活塞缸分为右腔和左腔，通过控制活塞缸的左、右腔充排气，进而推动发电机转子摩擦轮与水轮发电机组制动环接触或脱离。
LCU（机组现地控制单元）：负责对机组实施监视和控制的设备。
MCU（电机现地控制单元），主要实现对电机的控制，可实现电机与LCU的通讯，接收LCU的控制命令。
BMS（电池管理系统），主要作用是实现电池与LCU的通讯，监测电池组的电压、电流、温度等关键参数。
TCU（整流/逆变器控制系统），主要作用是机组停机时，将电机转动产生的电能存储在蓄电池中；机组黑启动时，释放蓄电池中的存储的能量为机组供电。
CNET（控制网络），主要作用是实现机组各种信号的传递。
开关S1的输入端与电机的输出端相连，输出端与整流器的输入端串联，整流器的输出端经直流母线与逆变器的输入端串联；
开关S2的输入端与逆变器的输出端相连，输出端与厂用电源的输入端相连，蓄电池的输入端接在直流母线上；
开关S3的输入端并联在整流器的输出端与逆变器的输入端之间，起到保护蓄电池的作用。所述S1、S2开关设为远程控制，由机组现地控制单元进行远方合、分闸控制，S3开关设为手动控制，常闭。
黑启动机组的自用电为2段400V母线，互为备用。在自用电I段母线与自用电II段母线之间设有联络开关S4，在自用电I段母线与I段进线电源之间设有第一进线开关S5，在自用电II段母线与II段进线电源之间设有第二进线开关S6。
如图2-5所示，一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：设置水轮发电机组停机时发电机自动投入条件：
（一）机组现地控制单元开出机组停机指令；
（二）机组转速小于特定转速；
（三）水轮发电机组出口开关分闸；
（四）水轮发电机组导叶全关。
步骤二：电机控制系统收到机组现地控制单元开出的投入令后，判断发电机自动投入条件是否满足，若是进入步骤三，若否则进入步骤八；
步骤三：判断发电机是否有故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤四；
步骤四：判断整流器是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤五；
步骤五：判断蓄电池是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤六；
步骤六：机组现地控制单元（LCU）开出逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2分闸指令，判断逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2是否分闸，若是则进入步骤七，若否则进入步骤八；
步骤七：机组现地控制单元（LCU）开出电机输出至整流器电源开关S1合闸指令，判断发电机输出至整流器电源开关S1是否合闸，若是则进入步骤九，若否则进入步骤八；
步骤八：执行水轮发电机组停机常规制动指令；
步骤九：闭锁水轮发电机组制动设备投入，电机下方活塞缸左腔充气，右腔排气，电机靠活塞缸左腔气压向右水平运动，直至摩擦轮与水轮发电机组制动环接触，进入步骤十；
步骤十：水轮发电机组制动环通过摩擦力带动发电机转子旋转，同时机组现地控制单元（LCU）向整流器发出工作指令，将发电机旋转产生的电能储存在蓄电池中，进入步骤十一；
步骤十一：判断机组转速是否为0，若是进入步骤十二，若否进入步骤十；
步骤十二：机组现地控制单元（LCU）向整流器发出终止指令，进入步骤十三；
步骤十三：机组现地控制单元（LCU）开出电机输出至整流器电源开关S1分闸指令，进入步骤十四；
步骤十四：机组现地控制单元（LCU）开出电机退出指令，发电机下方活塞缸左腔排气，右腔充气，电机在活塞缸右腔气压作用下向左水平运动，使摩擦轮与水轮发电机组制动环脱离接触；
步骤十五：当水电站全厂停电，机组需进行黑启动，机组现地控制单元（LCU）开出发电机输出至整流器电源开关S1分闸指令，判断电机输出至整流器电源开关S1是否分闸，若是则进入步骤十六，若否则进入步骤二十二；
步骤十六：判断400V机组自用电母线进线电源开关S6是否分闸，若是则进入步骤十七，若否则进入步骤二十二；
步骤十七：判断400V机组自用电母线联络开关S4是否分闸，若是则进入步骤十八，若否则进入步骤二十二；
步骤十八：机组现地控制单元（LCU）开出逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2合闸指令，判断逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2是否合闸，若是则进入步骤十九，若否则进入步骤二十二；
步骤十九：机组现地控制单元（LCU）向逆变器发出工作指令，蓄电池释放储存的电能至黑启动机组400V机组自用电；
步骤二十：当水电站厂用电恢复后，机组现地控制单元（LCU）开出逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2分闸指令，判断逆变器输出至400V机组自用电电源开关S2是否分闸，若是则进入步骤二十一，若否则进入步骤二十二；
步骤二十一：机组现地控制单元(LCU )向逆变器发出终止指令，待所述逆变器输出电压降为0V后，即可继续对蓄电池进行浮充电；
步骤二十二：流程中止，发出报警信号。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统，包括机组现地控制单元、电机现地控制单元、电池管理系统、整流/逆变器控制系统、控制网络、摩擦轮、发电机、开关S1、开关S2、整流器和逆变器，其特征在于：摩擦轮用于与水轮发电机组的制动环相配合，摩擦轮与发电机的转子连接，发电机的定子通过开关S1与整流器电连接，整流器的输出端与逆变器的输入端串联，逆变器的输出端与开关S2的输入端相连，开关S2与输出端与厂用电源的输入端相连；厂用电源包括自用电I段母线和自用电II段母线，自用电I段母线和自用电II段母线之间通过开关S4连接，自用电I段母线与I段进线电源之间设有第一进线开关S5，自用电II段母线与II段进线电源之间设有第二进线开关S6；其中，自用电I段母线电源由其他机组提供，自用电II段母线电源由黑启动机组自身发电提供，黑启动应急电源输出接至黑启动机组400V机组自用电I段；
开关S3的输入端连接在整流器的输出端与逆变器的输入端之间；
机组现地控制单元通过控制网络与电池管理系统、电机现地控制单元、整流/逆变器控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统，其特征在于：发电机由活塞缸驱动移动；活塞缸用于控制摩擦轮投入运行或退出运行。
3.根据权利要求2所述的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的运行方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设置水轮发电机组停机时发电机自动投入条件：
步骤二：电机控制系统收到机组现地控制单元开出的投入令后，判断发电机自动投入条件是否满足，若是进入步骤三，若否则进入步骤八；
步骤三：判断发电机是否有故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤四；
步骤四：判断整流器是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤五；
步骤五：判断蓄电池是否存在故障，若是则进入步骤八，若否则进入步骤六；
步骤六：机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2分闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否分闸，若是则进入步骤七，若否则进入步骤八；
步骤七：机组现地控制单元开出电机输出至开关S1合闸指令，判断发电机输出至开关S1是否合闸，若是则进入步骤九，若否则进入步骤八；
步骤八：执行水轮发电机组停机常规制动指令；
步骤九：闭锁水轮发电机组制动设备投入，摩擦轮与水轮发电机组制动环接触，进入步骤十；
步骤十：水轮发电机组制动环通过摩擦力带动发电机转子旋转，同时机组现地控制单元向整流器发出工作指令，将发电机旋转产生的电能储存在蓄电池中，进入步骤十一；
步骤十一：判断机组转速是否为0，若是进入步骤十二，若否进入步骤十；
步骤十二：机组现地控制单元向整流器发出终止指令，进入步骤十三；
步骤十三：机组现地控制单元开出电机输出至开关S1分闸指令，进入步骤十四；
步骤十四：机组现地控制单元开出电机退出指令，使摩擦轮与水轮发电机组制动环脱离接触；
步骤十五：当水电站全厂停电，机组需进行黑启动，机组现地控制单元开出发电机输出至开关S1分闸指令，判断电机输出至开关S1是否分闸，若是则进入步骤十六，若否则进入步骤二十二；
步骤十六：判断开关S6是否分闸，若是则进入步骤十七，若否则进入步骤二十二；
步骤十七：判断开关S4是否分闸，若是则进入步骤十八，若否则进入步骤二十二；
步骤十八：机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2合闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否合闸，若是则进入步骤十九，若否则进入步骤二十二；
步骤十九：机组现地控制单元向逆变器发出工作指令，蓄电池释放储存的电能至黑启动机组400V机组自用电；
步骤二十：当水电站厂用电恢复后，机组现地控制单元开出逆变器输出至开关S2分闸指令，判断逆变器输出至开关S2是否分闸，若是则进入步骤二十一，若否则进入步骤二十二；
步骤二十一：机组现地控制单元向逆变器发出终止指令，待所述逆变器输出电压降为0V后，即可继续对蓄电池进行浮充电；
步骤二十二：流程中止，发出报警信号。
4.根据权利要求3所述的将水轮发电机组制动能量转化为黑启动电源的系统的运行方法，其特征在于：步骤一中的发电机自动投入条件为：
（一）机组现地控制单元开出机组停机指令；
（二）机组转速小于特定转速；
（三）水轮发电机组出口开关分闸；
（四）水轮发电机组导叶全关。
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