CN208690946U - 一种同步发电机组的扩容系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种同步发电机组的扩容系统。本实用新型保留原同步发电机的定子铁芯，通过减少定子绕组的极数以提高其同步转速，进而提高发电机的容量，原同步发电机转子替换为与减少极数后的定子绕组极数相同的绕线式双馈异步发电机转子，或者将原同步发电机定转子替换为极数少于原同步发电机极数的双馈异步发电机定转子，构成双馈异步发电机的定转子。通过可重构变流装置内的开关投切及可重构变流装置工作模式的调整，新构成的双馈异步发电机定转子与新增双馈异步发电机定转子以联合或独立的方式运行。本实用新型改造成本较低，可提高发电厂的发电量，提高原动机及整个发电机组的运行效率及设备利用率，改善发电机组的运行工况并提高其稳定性。

Description

一种同步发电机组的扩容系统

技术领域

本实用新型涉及交直流发电系统的扩容，尤其涉及一种同步发电机组的扩容系统。

背景技术

同步发电机组以其容量大、可调节有功功率及无功功率等优点在水力发电、风力发电、热力发电等能源开发中得到了广泛的应用。由于受电网频率、发电工作物质的不稳定性及电网调度等条件的约束，使得驱动这些同步发电机的原动机不能始终处于最优的工作转速，进而导致发电机组的工况恶化，振动加剧，效率降低，影响了发电机组的安全运行。在水力发电、风力发电、潮汐发电及波浪发电等清洁能源的开发中，广泛地使用了双馈异步发电机实现变速恒频发电以提高原动机能源转化效率。

根据电机设计理论，发电机的容量与其体积、转速成正比。直接并网的同步电机为了匹配原动机的优化运行，其运行转速不变且相对较低，进而导致其体积相对较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于结合上述技术的特点，提供一种同步发电机组的扩容系统，通过减少同步发电机定子绕组的极数，提高发电机的同步转速来提高发电机的容量，提高原动机及整个发电机组的运行效率和设备利用率，改善原动机的运行工况，提高发电机组运行的稳定性。

本实用新型通过下述技术方案实现。

一种同步发电机组的扩容系统，其包括若干同步发电机、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子、双馈异步发电机定转子、可重构变流装置、转速调节控制系统、光伏发电装置、直流发电装置、直流储能装置、交流发电装置、原动机及其传动机构；所述同步发电机的定子绕组、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子、双馈异步发电机定转子、光伏发电装置、直流发电装置、直流储能装置、交流发电装置均与可重构变流装置相连，用于将电功率送到电网或直流储能装置。

进一步地，所述光伏发电装置由太阳能光伏板、DC/DC换流模块组成，用于将太阳能光伏板发出的直流电经DC/DC换流模块连接可重构变流装置内的直流母线，并送到可重构变流装置。

进一步地，所述直流发电装置用于将直流发电设备发出的直流电经DC/DC换流模块连接可重构变流装置内的直流母线，并送到可重构变流装置；所述直流储能装置由电池、充放电电路组成，充放电电路经直流母线连接可重构变流装置，用于实现直流母线与电池之间的能量交换。

进一步地，所述交流发电装置由交流发电设备及其整流、DC/DC 换流电路组成，整流、DC/DC换流电路经直流母线连接可重构变流装置，用于将交流发电装置发出的电功率送到可重构变流装置。

进一步地，所述可重构变流装置包括功率型电力电子器件、多路切换模块及交流母线、直流母线；

所述可重构变流装置内的功率型电力电子器件由二极管、晶闸管、 MOSFET、IGCT及IGBT这些全控、半控及不可控的电压型、电流型电力电子器件及其驱动控制系统组成，用于实现交流、直流母线间的AC/DC 整流、DC/AC逆变，直流母线之间的DC/DC变换、以及续流、开关、隔离等功能，所述驱动控制系统可根据所连接应用对象的亚同步、超同步及同步运行状态动态调整电力电子器件的控制，用于实现与所连接对象之间的整流、逆变等变流、变压及变频功能，并根据所连对象的运行状态动态调整可重构变流装置的系统结构，实现能量的高效转换与传递；

所述可重构变流装置内的多路切换开关模块用于将电力电子器件的功率端口切换到各交流母线的各相及各直流母线。

进一步地，所述转速调节控制系统用于根据原动机及各发电设备的状态调整发电机的转速；所述原动机及其传动机构用于将动力传递到发电机。

进一步地，同步发电机定子绕组的极数少于原同步发电机的极数，且替换的绕线式异步发电机转子的极数与调整后的同步发电机定子极数相同，新增的异步发电机定转子极数相同，两套定转子在轴向或径向同轴布置，调整后的两个转子能通过开关以独立或联合的方式运行，独立运行时作为两台双馈异步发电机，在可重构变流装置的控制下由原动机驱动发电；联合运行时，两套转子绕组级连，同步发电机定子绕组能过可重构变流装置连接交流电网，新增双馈异步发电机定子绕组连接可重构变流装置，在可重构变流装置内变流模块的控制下实现无刷双馈异步发电。

进一步地，每台发电机组配置一个直流励磁模块，通过可重构变流装置分时连接替换后的异步发电机转子、新增双馈异步发电机定子及转子，为各绕组提供直流励磁，使调整后的双馈异步发电机、新增双馈异步发电机分别运行于同步发电状态或整体的异步发电状态。

进一步地，还包括测量控制系统，包括电压、电流、频率、功率、温度、压力、速度、转速和角度传感器，信号调理电路、数字信号处理电路以及功率器件驱动电路和通讯电路，用于检测各设备的运行状态、参数，进而调整可重构变流装置内各变流模块的连接及运行模式，使整个系统安全稳定运行。

上述同步发电机组的扩容方法:同步发电机定子绕组的极数少于原来的极数，且替换的绕线式异步发电机转子的极数与调整后的同步发电机定子极数相同，新增的异步发电机定转子极数相同，两套定转子轴向或径向同轴布置，调整后的两个转子可以通过开关以独立或联合的方式运行，独立运行时作为两台双馈异步发电机，在可重构变流装置的控制下由原动机驱动发电。联合运行时，两套转子绕组级连，同步发电机定子绕组能过可重构变流装置连接交流电网，新增双馈异步发电机定子绕组连接可重构变流装置，在可重构变流装置内变流模块的控制下实现无刷双馈异步发电。

本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本实用新型简单，易于实现。

本实用新型保留原同步发电机的可用部件，其他新增能源通过发电机组或可重构变流模块送入电网，对原系统的改动较小，扩容成本较低。同时，各种能量源可以独立或联合运行，当部分停止工作时，不影响其他模块的运行，减少维护成本和时间。

如上所述，本系统技术手段简便易行，结合同步发电机与双馈异步发电机的特性，提高原动机及整个发电机组的运行效率，改善原动机运行工况，提高发电机组的容量，提高发电机组运行的稳定性，多种能源共用发电及输变电设备，提高设备利用率，降低成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构方框图及控制示意图。

图2为本实用新型实施例2的结构方框图及控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。需指出的是，本实用新型是对系统的硬件结构提出的改进的技术方案，以下实例过程中若有涉及需要软件实现的，均是本领域技术人员可以根据现有技术编程实现的。

实施例1

如图1所示。一种同步发电机组的扩容系统，保留原同步发电机的定子铁芯，通过减少定子绕组极数以提高其同步转速，进而提高发电机容量，原同步发电机转子替换为与减少极数后的定子绕组极数相同的绕线式双馈异步发电机转子，或者将原同步发电机定转子替换为极数少于原同步发电机极数的双馈异步发电机定转子，构成双馈异步发电机的定转子。系统包括若干同步发电机(G1...Gn)、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子(R12...Rn2)、双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、可重构变流装置、转速调节控制系统、交流母线(AC0,AC1)、直流母线(DC0...DCn)、光伏发电装置 (DCV1)、直流发电装置(DCV2)、直流储能装置(DCV3)、交流发电装置 (ACV1)、辅助系统、测量控制系统、原动机及其传动机构。

可重构变流装置由若干整流模块(RE0...REn)、变频模块 (VF1,VF2)、交流母线(AC0,AC1)、直流母线(DC0...DCn)、切换开关 (SWA,SWB,SW11...SW14,SWn1...SWn4)。

通过开关投切及可重构变流装置的控制，新构成的双馈异步发电机定转子(S12,R12...Sn2,Rn2)与新增双馈异步发电机定转子 (S11,R11...Sn1,Rn1)以联合或独立的方式运行。两者独立运行时 (SW15...SWn5)打开，新构成的双馈异步发电机定转子 (S12,R12...Sn2,Rn2)、滑环C12、电刷B12组成一台双馈异步发电机，新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、滑环 (C11...Cn1)、电刷(B11...Bn1)组成一台双馈异步发电机，励磁电源 VF1、VF2、RE1...REn为独立运行的双馈异步发电机进行交流或直流励磁。两者联合运行时(SW15...SWn5)闭合，新构成的双馈异步发电机定子(S12...Sn2)连接电网，新构成的双馈异步发电机转子(R12... Rn2)与新增双馈异步发电机转子(R11...Rn1)通过开关(SW15... SWn5)相连接，联合运行的电机极数为两者之和或差，新增双馈异步发电机定子(S11...Sn1)与励磁电源VF1、VF2、RE1...REn相连，实现交流或直流励磁，此时滑环(C11...Cn1)、电刷(B11...Bn1)分离，新构成的双馈异步发电机定转子(S12,R12...Sn2,Rn2)与新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)组成双定转子无刷双馈异步发电机组。当新构成的双馈异步发电机定转子(S12,R12...Sn2,Rn2)运行于亚同步状态时，输入到双馈发电机转子的功率可由新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1提供，新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1发出的电功率通过开关投切，经可重构变流装置及新构成的双馈异步发电机 (S12,R12...Sn2,Rn2)送入电网；当新构成的双馈发电机 (S12,R12...Sn2,Rn2)处于超同步状态时，转子输出的电功率可经新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、可重构变流装置送入电网或直流储能装置DCV3，光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1发出的电功率通过可重构变流装置送入电网。当新构成的双馈异步发电机定转子 (S12,R12...Sn2,Rn2)运行于同步状态时，输入到双馈发电机转子的直流励磁功率可由光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1提供或者将交流电网AC0的电能经整流装置(RE1...REn)整流后供到双馈异步发电机组转子绕组 (R11...Rn1)，新增双馈异步发电机定转子(S11,R11...Sn1,Rn1)、光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1发出的电功率通过开关投切，经可重构变流装置及新构成的双馈异步发电机(S12,R12...Sn2,Rn2)送入电网。

同步发电机的定子绕组(S12...Sn2)、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子(R12...Rn2)、双馈异步发电机定转子 (S11,R11...Sn1,Rn1)、光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1均与可重构变流装置相连，用于将电功率送到电网或直流储能装置DCV3。光伏发电装置DCV1、直流发电装置DCV2、直流储能装置DCV3、交流发电装置ACV1发出的电功率经DC/DC换流后通过直流母线DC0送到可重构变流装置，由可重构变流装置经DC/AC换流后送到电网AC0或经交流母线AC1送到发电机定转子。

可重构变流装置包括功率型二极管、晶闸管、MOSFET、IGCT及 IGBT这些全控、半控及不可控的电压型、电流型电力电子器件及其驱动控制系统、直流母线(DC1...DCn)、交流母线(AC1,AC1)、切换开关(SWA,SWB,SW11,SW12,SW13,SW14...SWn1,SWn2,SWn3,SWn4)组成，电力电子器件驱动控制系统可根据所连接应用对象的亚同步、超同步及同步运行状态动态调整电力电子器件的控制，用于实现与所连接对象之间的整流、逆变等变流、变压及变频功能，并根据所连对象的运行状态动态调整整个系统的结构，实现能量的高效转换与传递。

转速调节控制系统用于根据原动机及各发电设备的状态调整发电机的转速。原动机及其传动机构用于将动力传递到发电机。测量控制系统包括电压、电流、频率、功率、温度、压力、速度、转速和角度传感器，信号调理电路、数字信号处理电路以及功率器件驱动电路和通讯电路，用于检测各设备的运行状态、参数，进而调整可重构变流装置内各变流模块的连接及运行模式，使整个系统安全稳定运行。辅助系统包括油气水电等为系统安全可靠工作提供必要的通风、散热、润滑、除冰工作环境。

本实施例中，其他以直流或交流形式的发出的电能经过DC/DC 或AC/DC转换后，送到可重构变流装置的直流母线，再经VF1或VF2 逆变送到电网或发电机定转子为双馈异步发电机提供转差功率。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：每台同步发电机组只有一套双馈异步发电机定转子，以降低发电系统复杂性。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于包括若干同步发电机、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子、双馈异步发电机定转子、可重构变流装置、转速调节控制系统、光伏发电装置、直流发电装置、直流储能装置、交流发电装置、原动机及其传动机构；所述同步发电机的定子绕组、用于替换同步发电机转子的绕线式双馈异步发电机转子、双馈异步发电机定转子、光伏发电装置、直流发电装置、直流储能装置、交流发电装置均与可重构变流装置相连，用于将电功率送到电网或直流储能装置。

2.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于所述光伏发电装置由太阳能光伏板、DC/DC换流模块组成，用于将太阳能光伏板发出的直流电经DC/DC换流模块连接可重构变流装置内的直流母线，并送到可重构变流装置。

3.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于所述直流发电装置用于将直流发电设备发出的直流电经DC/DC换流模块连接可重构变流装置内的直流母线，并送到可重构变流装置；所述直流储能装置由电池、充放电电路组成，充放电电路经直流母线连接可重构变流装置，用于实现直流母线与电池之间的能量交换。

4.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于所述交流发电装置由交流发电设备及其整流、DC/DC换流电路组成，整流、DC/DC换流电路经直流母线连接可重构变流装置，用于将交流发电装置发出的电功率送到可重构变流装置。

5.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于所述可重构变流装置包括功率型电力电子器件、多路切换模块及交流母线、直流母线；

所述可重构变流装置内的功率型电力电子器件由二极管、晶闸管、MOSFET、IGCT及IGBT这些全控、半控及不可控的电压型、电流型电力电子器件及其驱动控制系统组成，用于实现交流、直流母线间的AC/DC整流、DC/AC逆变，直流母线之间的DC/DC变换、以及续流、开关、隔离等功能，所述驱动控制系统可根据所连接应用对象的亚同步、超同步及同步运行状态动态调整电力电子器件的控制，用于实现与所连接对象之间的整流、逆变等变流、变压及变频功能，并根据所连对象的运行状态动态调整可重构变流装置的系统结构，实现能量的高效转换与传递；

所述可重构变流装置内的多路切换开关模块用于将电力电子器件的功率端口切换到各交流母线的各相及各直流母线。

6.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于所述转速调节控制系统用于根据原动机及各发电设备的状态调整发电机的转速；所述原动机及其传动机构用于将动力传递到发电机。

7.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于:同步发电机定子绕组的极数少于原同步发电机的极数，且替换的绕线式异步发电机转子的极数与调整后的同步发电机定子极数相同，新增的异步发电机定转子极数相同，两套定转子在轴向或径向同轴布置，调整后的两个转子能通过开关以独立或联合的方式运行，独立运行时作为两台双馈异步发电机，在可重构变流装置的控制下由原动机驱动发电；联合运行时，两套转子绕组级连，同步发电机定子绕组能过可重构变流装置连接交流电网，新增双馈异步发电机定子绕组连接可重构变流装置，在可重构变流装置内变流模块的控制下实现无刷双馈异步发电。

8.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于: 每台发电机组配置一个直流励磁模块，通过可重构变流装置分时连接替换后的异步发电机转子、新增双馈异步发电机定子及转子，为各绕组提供直流励磁，使调整后的双馈异步发电机、新增双馈异步发电机分别运行于同步发电状态或整体的异步发电状态。

9.根据权利要求1所述的一种同步发电机组的扩容系统，其特征在于还包括测量控制系统，包括电压、电流、频率、功率、温度、压力、速度、转速和角度传感器，信号调理电路、数字信号处理电路以及功率器件驱动电路和通讯电路，用于检测各设备的运行状态、参数，进而调整可重构变流装置内各变流模块的连接及运行模式，使整个系统安全稳定运行。