新型水利發電配置系統的製作方法

2023-07-03 04:37:11

所屬技術領域

本發明涉及水電站發電配置系統或河流發電配置系統。

背景技術：

在現有的水利發電配置中，普遍採用附圖2所示的配置模式，即水輪機在水流的推動下旋轉，將水能變為機械能，通過升速機提高轉速後推動電勵磁發電機(簡稱發電機)旋轉發電，再通過併網櫃併入電網。

我們知道，世界上有兩種電網制式即50hz制式或60hz制式，如果水利發電系統(簡稱系統)併入50hz電網制式，系統轉速必須在3000轉、1500轉、1000轉、750轉、600轉、500轉等轉速下運行，發電機才能發出符合電網要求的50hz電能，如果水利發電併入60hz的電網，系統轉速必須在3600轉、1800轉、1200轉、900轉、720轉、600轉等轉速下運行，發電機才能發出符合電網要求的60hz電能。符合發出50hz或60hz電能的轉速統稱為同步速。由於水輪機常常轉速較低，而電勵磁發電機很難做到低轉速運行，因而在傳統的水利發電系統中，在水輪機與發電機之間增加了一個升速機，升速機把水輪機的低轉速變為發電機需要的同步高轉速，以發出符合電網要求的電能，再通過併網櫃併入電網。這種傳統水利發電配置系統存在以下缺點：

一是由於發電機直接通過併網櫃併入電網，併網後系統轉速必須保持以同步速恆定運行，在旺水期水流流速快、水流對水輪機葉輪的衝擊力大，但水輪機發電系統仍保持同步速運行，發電機不能通過提高轉速來提高發電容量，為防止發電機超載，要適當關小進水閥門。當夏季的盛水期，水量大，本來可以多發電，但由於維持系統轉速恆定，發電容量被限制，為避免發電機超載只能把多餘的水白白放掉，浪費了很大的水利資源。而在貧水期，水流速度變慢，水流對水輪葉的衝擊力變的很弱，要加大水門的開啟度，以增加進水量，試圖提高水輪機的轉速。但當水流慢到一定程度時，水流的流速與水輪葉的線速度相差很少時，水流對水輪葉的衝擊力變的很小，水輪葉無法充分吸收水的能量，水流沒有做功或很少做功就流走，水能的利用率變的很低。在極限狀態下，當水流的流速低於水輪機的線速度時，發電機變成了電動機，發電機要吸收電網能量來帶動水輪機旋轉，這時不但水利發電系統不發電，還要從電網吸收一部分能量來維持系統的同步速要求，發電機變成了電動機模式。這種現象稱為倒送電，這時要儘快將水利發電系統從電網解列，以免消耗更多的電網能量。

二是這種水利發電增加了升速機後，由於升速機的損耗降低了系統效率，且升速機屬於易損部件，增加了故障點、增加了維修工作量，影響了發電有效時間，降低了發電系統效率和水能利用率。

三是傳統的水輪發電系統配置的是電勵磁發電機，電勵磁發電機很難做到在低轉速下運行，需要在系統中配置升速裝置，且電勵磁發電機本身效率低、還需要勵磁控制屏提供勵磁電源建立磁場，增加了系統複雜性。

四是這種發電系統為了保持系統在同步速下運行，增加了調水穩速裝置，增加了基礎造價，增加了系統複雜性。

綜上所述，現有的水利發電系統轉速必須在同步速下恆定運行，水能利用率低，配置複雜、效率低，可靠性低。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供新型水利發電配置系統(簡稱系統)，該系統擺脫了同步速的束縛，可以根據水流量的大小自動改變水輪機的轉速，水輪機可以吸納較大的水流流量，可以充分吸收水流的能量，使系統始終處於最佳的工作狀態，提高了水能利用率，系統損耗低，提高了系統穩定性，提高了發電效率。

本發明的技術解決方案是：提供一種新型水利發電配置系統，系統配置由水輪機、永磁發電機、逆變器組成，省去了傳統水利發電配置系統的調水穩速裝置、升速機、勵磁屏、併網櫃。

本發明的原理是：在這個新型水利發電配置系統中，水輪機直接帶動永磁發電機發電，發出的電能接入逆變器，經過逆變器將發電機發出的不穩定電壓、非50hz或60hz的電能，變為滿足併網要求的穩定電壓、50hz或60hz的電能，再經過逆變器所配備的併網裝置併入電網。

在這個新型水利發電配置系統中，逆變器將永磁發電機發出的交流電變為直流電，再經過斬波將直流電變為符合併網需要的交流電，如頻率為50hz或60hz，電壓為400v、690v等，如併入高電壓電網，可經過後續的升壓變壓器併入高壓電網。在這個系統中，當水流小時，水輪機轉速慢、永磁發電機發出的電壓低，頻率低、能量小，逆變器經過整流逆變變為恆定電壓恆定頻率的電能，當然這時逆變器輸出的能量是小的。當水流強時，水輪機轉速變快、永磁發電機發出的電壓變高，頻率變高、能量變大，逆變器經過整流逆變變為恆定電壓恆定頻率的電能，這時逆變器輸出的能量也變大。當夏季盛水期，水量大，水流可以全部流過水輪機，使水輪機轉速升高，帶動永磁發電機轉速升高，發電機轉速升高後發電機電壓升高，在發電機輸出電流不變的情況下可以多發電而不過載，可以將盛水期的水能全部用上，用來多發電。

本發明與現有技術相比的優點在於：

一是打破了現有水利發電系統配置模式，水輪機的轉速是開放的，不需要保持電網需要的同步速，不再需要調水穩速裝置，水利輪機的轉速完全取決於水流對水輪機的衝力，在水量較小時水輪機的轉速降低，使水輪機充分吸收水流的能量，提高了貧水期時的發電量；當水源足時，水流對水輪機的衝擊力變大，水輪機的轉速提高，帶動永磁發電機轉速提高，使發電機多發電。在盛水期，水輪機速度變得很高，發電機的轉速變得很高，發電機的發電能力變大，可以實現將所有的水全部用來發電，不至於多餘的水白白流掉，充分利用水資源，實現水多多發電，水少也能發出應有的電量，使水輪機根據水資源的大小始終處於最佳工作狀態。

二是新型水輪機發電系統採用了高效永磁發電機，永磁發電機在轉子中安有稀土永磁材料，給發電機產生勵磁磁場，省去了勵磁繞組和勵磁控制屏，使系統結構簡單，性能提高。永磁發電機本身效率高，同樣的水流可以多發電。永磁發電機能量密度大，在相同功率、相同轉速下，發電機機體積小、重量輕，可以減少工程造價。永磁發電機轉子為永久磁鋼，轉子不發熱，不需要內通風冷卻發電機轉子，只需要對外部的定子冷卻即可，可以採用水冷或外殼強制風冷，因此發電機可以製成很高的防護等級，特別適合水電站潮溼的環境，提高發電機的使用壽命，這是電勵磁發電機無法實現的。永磁發電機可以較容易的製成多極結構，可以在較低的轉速下發出較高頻率的電能，以適應逆變器整流逆變的需要。永磁發電機特別適合變速工作轉態，可以在超低速和超高速下運行，這是現電勵磁發電機所難以實現的。

三是新系統省去了升速機、也就避免了升速機帶來的損耗和維修費用，使系統更安靜、效率更高、可靠性更高。

四是系統中的逆變器具有自動併網作用，不再需要另配併網櫃，逆變器可以根據電網的電壓變化自動調整輸出電壓的高低，將系統發出的電能及時併入電網輸電。逆變器可以根據電網電壓的變化自動調整輸出電壓和功率因數，使水利發電機系統與電網有機結合。逆變器具有全方位的電源保護方案和完善的自我檢測和保護功能，在本身系統故障或電網故障時將自動從電網解列，保證系統安全。逆變器可方便實現上位機監控，實現遠程數據採集和監視，實現水電站的無人值守和數位化運營管理。

附圖說明

圖1為本發明的新型水利發電配置系統構成示意圖。

圖2為現有水利發電配置系統構成示意圖。

具體實施方式

本發明所述新型水利發電配置系統，如圖1所示，系統有水輪機、永磁發電機、逆變器組成。水流推動水輪機旋轉，將水的動能變為水輪機旋轉的機械能，驅動永磁發電機旋轉而發出電能，永磁發電機發出的電能接入逆變器，當水量達到一定程度時，永磁發電機達到逆變器的工作電壓，逆變器整流逆變，並與電網電壓比較，自動調節輸出電壓和頻率及相位角，使其輸出符合電網要求的電能，經過逆變器內部的併網裝置併入電網。當水流大時，水輪機轉速快，發電機輸出的電能多，併入電網的電能量大；當水流小時，水輪機轉速慢，發電機輸出的電能小，併入電網的電能量小。