所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水電站發(fā)電配置系統(tǒng)或河流發(fā)電配置系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有的水利發(fā)電配置中，普遍采用附圖2所示的配置模式，即水輪機(jī)在水流的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，將水能變?yōu)闄C(jī)械能，通過(guò)升速機(jī)提高轉(zhuǎn)速后推動(dòng)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī))旋轉(zhuǎn)發(fā)電，再通過(guò)并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)。

我們知道，世界上有兩種電網(wǎng)制式即50hz制式或60hz制式，如果水利發(fā)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng))并入50hz電網(wǎng)制式，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速必須在3000轉(zhuǎn)、1500轉(zhuǎn)、1000轉(zhuǎn)、750轉(zhuǎn)、600轉(zhuǎn)、500轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)才能發(fā)出符合電網(wǎng)要求的50hz電能，如果水利發(fā)電并入60hz的電網(wǎng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速必須在3600轉(zhuǎn)、1800轉(zhuǎn)、1200轉(zhuǎn)、900轉(zhuǎn)、720轉(zhuǎn)、600轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，發(fā)電機(jī)才能發(fā)出符合電網(wǎng)要求的60hz電能。符合發(fā)出50hz或60hz電能的轉(zhuǎn)速統(tǒng)稱為同步速。由于水輪機(jī)常常轉(zhuǎn)速較低，而電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)很難做到低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因而在傳統(tǒng)的水利發(fā)電系統(tǒng)中，在水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間增加了一個(gè)升速機(jī)，升速機(jī)把水輪機(jī)的低轉(zhuǎn)速變?yōu)榘l(fā)電機(jī)需要的同步高轉(zhuǎn)速，以發(fā)出符合電網(wǎng)要求的電能，再通過(guò)并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)。這種傳統(tǒng)水利發(fā)電配置系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

一是由于發(fā)電機(jī)直接通過(guò)并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)，并網(wǎng)后系統(tǒng)轉(zhuǎn)速必須保持以同步速恒定運(yùn)行，在旺水期水流流速快、水流對(duì)水輪機(jī)葉輪的沖擊力大，但水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仍保持同步速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)不能通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高發(fā)電容量，為防止發(fā)電機(jī)超載，要適當(dāng)關(guān)小進(jìn)水閥門。當(dāng)夏季的盛水期，水量大，本來(lái)可以多發(fā)電，但由于維持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速恒定，發(fā)電容量被限制，為避免發(fā)電機(jī)超載只能把多余的水白白放掉，浪費(fèi)了很大的水利資源。而在貧水期，水流速度變慢，水流對(duì)水輪葉的沖擊力變的很弱，要加大水門的開啟度，以增加進(jìn)水量，試圖提高水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。但當(dāng)水流慢到一定程度時(shí)，水流的流速與水輪葉的線速度相差很少時(shí)，水流對(duì)水輪葉的沖擊力變的很小，水輪葉無(wú)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(tài)下，當(dāng)水流的流速低于水輪機(jī)的線速度時(shí)，發(fā)電機(jī)變成了電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)要吸收電網(wǎng)能量來(lái)帶動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，這時(shí)不但水利發(fā)電系統(tǒng)不發(fā)電，還要從電網(wǎng)吸收一部分能量來(lái)維持系統(tǒng)的同步速要求，發(fā)電機(jī)變成了電動(dòng)機(jī)模式。這種現(xiàn)象稱為倒送電，這時(shí)要盡快將水利發(fā)電系統(tǒng)從電網(wǎng)解列，以免消耗更多的電網(wǎng)能量。

二是這種水利發(fā)電增加了升速機(jī)后，由于升速機(jī)的損耗降低了系統(tǒng)效率，且升速機(jī)屬于易損部件，增加了故障點(diǎn)、增加了維修工作量，影響了發(fā)電有效時(shí)間，降低了發(fā)電系統(tǒng)效率和水能利用率。

三是傳統(tǒng)的水輪發(fā)電系統(tǒng)配置的是電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)很難做到在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，需要在系統(tǒng)中配置升速裝置，且電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)本身效率低、還需要?jiǎng)?lì)磁控制屏提供勵(lì)磁電源建立磁場(chǎng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

四是這種發(fā)電系統(tǒng)為了保持系統(tǒng)在同步速下運(yùn)行，增加了調(diào)水穩(wěn)速裝置，增加了基礎(chǔ)造價(jià)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

綜上所述，現(xiàn)有的水利發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速必須在同步速下恒定運(yùn)行，水能利用率低，配置復(fù)雜、效率低，可靠性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng))，該系統(tǒng)擺脫了同步速的束縛，可以根據(jù)水流量的大小自動(dòng)改變水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，水輪機(jī)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(tǒng)始終處于最佳的工作狀態(tài)，提高了水能利用率，系統(tǒng)損耗低，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了發(fā)電效率。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：提供一種新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)，系統(tǒng)配置由水輪機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、逆變器組成，省去了傳統(tǒng)水利發(fā)電配置系統(tǒng)的調(diào)水穩(wěn)速裝置、升速機(jī)、勵(lì)磁屏、并網(wǎng)柜。

本發(fā)明的原理是：在這個(gè)新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)中，水輪機(jī)直接帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能接入逆變器，經(jīng)過(guò)逆變器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的不穩(wěn)定電壓、非50hz或60hz的電能，變?yōu)闈M足并網(wǎng)要求的穩(wěn)定電壓、50hz或60hz的電能，再經(jīng)過(guò)逆變器所配備的并網(wǎng)裝置并入電網(wǎng)。

在這個(gè)新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)中，逆變器將永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)過(guò)斬波將直流電變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)需要的交流電，如頻率為50hz或60hz，電壓為400v、690v等，如并入高電壓電網(wǎng)，可經(jīng)過(guò)后續(xù)的升壓變壓器并入高壓電網(wǎng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)水流小時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速慢、永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓低，頻率低、能量小，逆變器經(jīng)過(guò)整流逆變變?yōu)楹愣妷汉愣l率的電能，當(dāng)然這時(shí)逆變器輸出的能量是小的。當(dāng)水流強(qiáng)時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速變快、永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓變高，頻率變高、能量變大，逆變器經(jīng)過(guò)整流逆變變?yōu)楹愣妷汉愣l率的電能，這時(shí)逆變器輸出的能量也變大。當(dāng)夏季盛水期，水量大，水流可以全部流過(guò)水輪機(jī)，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高后發(fā)電機(jī)電壓升高，在發(fā)電機(jī)輸出電流不變的情況下可以多發(fā)電而不過(guò)載，可以將盛水期的水能全部用上，用來(lái)多發(fā)電。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

一是打破了現(xiàn)有水利發(fā)電系統(tǒng)配置模式，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是開放的，不需要保持電網(wǎng)需要的同步速，不再需要調(diào)水穩(wěn)速裝置，水利輪機(jī)的轉(zhuǎn)速完全取決于水流對(duì)水輪機(jī)的沖力，在水量較小時(shí)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，使水輪機(jī)充分吸收水流的能量，提高了貧水期時(shí)的發(fā)電量；當(dāng)水源足時(shí)，水流對(duì)水輪機(jī)的沖擊力變大，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，使發(fā)電機(jī)多發(fā)電。在盛水期，水輪機(jī)速度變得很高，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得很高，發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力變大，可以實(shí)現(xiàn)將所有的水全部用來(lái)發(fā)電，不至于多余的水白白流掉，充分利用水資源，實(shí)現(xiàn)水多多發(fā)電，水少也能發(fā)出應(yīng)有的電量，使水輪機(jī)根據(jù)水資源的大小始終處于最佳工作狀態(tài)。

二是新型水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)采用了高效永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子中安有稀土永磁材料，給發(fā)電機(jī)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁控制屏，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能提高。永磁發(fā)電機(jī)本身效率高，同樣的水流可以多發(fā)電。永磁發(fā)電機(jī)能量密度大，在相同功率、相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)機(jī)體積小、重量輕，可以減少工程造價(jià)。永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，不需要內(nèi)通風(fēng)冷卻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，只需要對(duì)外部的定子冷卻即可，可以采用水冷或外殼強(qiáng)制風(fēng)冷，因此發(fā)電機(jī)可以制成很高的防護(hù)等級(jí)，特別適合水電站潮濕的環(huán)境，提高發(fā)電機(jī)的使用壽命，這是電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。永磁發(fā)電機(jī)可以較容易的制成多極結(jié)構(gòu)，可以在較低的轉(zhuǎn)速下發(fā)出較高頻率的電能，以適應(yīng)逆變器整流逆變的需要。永磁發(fā)電機(jī)特別適合變速工作轉(zhuǎn)態(tài)，可以在超低速和超高速下運(yùn)行，這是現(xiàn)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)所難以實(shí)現(xiàn)的。

三是新系統(tǒng)省去了升速機(jī)、也就避免了升速機(jī)帶來(lái)的損耗和維修費(fèi)用，使系統(tǒng)更安靜、效率更高、可靠性更高。

四是系統(tǒng)中的逆變器具有自動(dòng)并網(wǎng)作用，不再需要另配并網(wǎng)柜，逆變器可以根據(jù)電網(wǎng)的電壓變化自動(dòng)調(diào)整輸出電壓的高低，將系統(tǒng)發(fā)出的電能及時(shí)并入電網(wǎng)輸電。逆變器可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化自動(dòng)調(diào)整輸出電壓和功率因數(shù)，使水利發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與電網(wǎng)有機(jī)結(jié)合。逆變器具有全方位的電源保護(hù)方案和完善的自我檢測(cè)和保護(hù)功能，在本身系統(tǒng)故障或電網(wǎng)故障時(shí)將自動(dòng)從電網(wǎng)解列，保證系統(tǒng)安全。逆變器可方便實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)水電站的無(wú)人值守和數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖2為現(xiàn)有水利發(fā)電配置系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述新型水利發(fā)電配置系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)有水輪機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、逆變器組成。水流推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將水的動(dòng)能變?yōu)樗啓C(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而發(fā)出電能，永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能接入逆變器，當(dāng)水量達(dá)到一定程度時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)達(dá)到逆變器的工作電壓，逆變器整流逆變，并與電網(wǎng)電壓比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率及相位角，使其輸出符合電網(wǎng)要求的電能，經(jīng)過(guò)逆變器內(nèi)部的并網(wǎng)裝置并入電網(wǎng)。當(dāng)水流大時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速快，發(fā)電機(jī)輸出的電能多，并入電網(wǎng)的電能量大；當(dāng)水流小時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速慢，發(fā)電機(jī)輸出的電能小，并入電網(wǎng)的電能量小。