CN201753653U

CN201753653U - 一种基于功率分汇流的变速水力发电机组

Info

Publication number: CN201753653U
Application number: CN2010202719420U
Authority: CN
Inventors: 赵克刚; 李朝茂
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2020-07-23

Abstract

本实用新型公开一种基于功率分汇流的变速水力发电机组，包括水轮机、减速装置与行星齿轮排、定速发电机、调速电机和变频器；行星齿轮排包含齿圈、太阳轮、行星架；水轮机通过第一轴及减速齿轮与行星齿轮排的行星架联接；调速电机转子通过第二轴与与行星齿轮排的太阳轮联接，定速电机转子通过第三轴与与行星齿轮排的齿圈联接；调速电机定子内设置三相绕组与通过变频器与电网相连；定速发电机定子上设置三相绕组与电网直接连接。本发电机组能够向电网提供稳定频率电功率，电能传输效率高，电传动分路的功率容量可小于发电机额定容量；调速电机与电力电子元器件的功率容量要求低，有助于减少整机成本。

Description

一种基于功率分汇流的变速水力发电机组

技术领域

本实用新型涉及变速发电***，具体涉及一种基于功率分汇流的变速水力发电机组。

背景技术

可再生能源所具有的取之不尽、用之不竭、不污染环境、不破坏生态的特点决定了在保证未来人类社会永续发展中必然扮演重要角色。积极促进可再生能源技术的开发利用，是优化能源结构，保障能源安全，缓解能源利用造成的环境污染，促进能源与经济、能源与环境协调发展的重要的选择，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。

变速水力发电技术是可再生能源应用中关键技术，可用于低水头发电、潮汐发电等领域。同时在抽水蓄能机组的应用上也有很好的前途。对于我国来说，部分河流含泥沙量高，在发电过程中不可避免地会出现机组效率低，气蚀和泥沙磨损大的问题。变速发电技术可使水轮机能始终在最优工况下运行，提高机组的综合效率，扩大了由水头变化影响机组的运行范围；减少水轮机叶片的气蚀和泥沙磨损，延长机组寿命。具备深度吸收无功能力，能快速进行无功调节和补偿，它能改进电力***的有功、无功调节，自动频率控制和稳定性，提高了电网质量及电力***的稳定性。抽水蓄能水库、季节性河流电站、潮汐发电站在运行时，动力机输入功率波动较大，导致不同时间段发电机工作负荷变化较大，当发电机与电网并联运行时，要求电能的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。采用变速发电技术能够有效地解决上述问题，实现高效、清洁的能源利用。

目前应用于变速发电较普遍的技术是双馈异步调速发电技术(又称异步化同步电机、交流励磁电机)，其基本思想是：将绕线式异步电机的定子绕组接入工频电源，在转子回路串入附加电势，调节附加电势的频率，幅值，相位，相序，就可以调节异步电机的转矩，转速和电机定子侧的无功功率。根据矢量变换原理和负载特性，适当选择定向矢量和坐标轴系，可以建立各种形式的双馈电机调速控制***。

但是，由于双馈调速发电技术采用绕线式异步电机的定子绕组实现变速发电，其功率分配比受到绕线圈数的限制而不能随便调节，同时，其调节效果受电网影响大，电压波动大，导致发电功率损失大。另外，采用异步电机和电刷连接，大大提高变速发电机组的造价。电刷的可靠性问题成为限制该技术推广应用主要瓶颈问题。

故目前国内外最新研究趋势是开发无刷双馈调速电机。无刷双馈调速电机由两个绕线式异步电机组成，两者的转子在机械保持刚性连接，绕组相互串联。其中转子绕组中的励磁电流受第二绕线式异步电机定子绕组电流变化感生而成，因此在无需电刷的条件下实现了双馈电机的变速控制功能。但无刷双馈调速电机电磁转换环节过多，影响了***整体效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于功率分汇流的变速水力发电机组，该机组不仅具备在较大速比范围内高效地实现变速恒频发电功能，而且易于实现无刷运行方案，提高***可靠性，又可采用较小容量的变频器，降低***成本，本发明不仅可以运用在水轮发电领域，还可以运用于汽轮发电机组、风力发电机组、内燃机发电机组等。

本实用新型的具体方案如下：

一种基于功率分汇流的变速水力发电机组，包括水轮机、减速装置与行星齿轮排、定速发电机、调速电机和变频器；其中减速装置与行星齿轮排包含减速齿轮对、太阳轮、行星架、齿圈；定速发电机包括定子、转子；调速电机包括定子、转子；水轮机通过第一轴及减速齿轮对与行星架联接；调速电机转子通过第二轴与太阳轮联接，定速电机转子通过第三轴与齿圈联接；定速发电机定子上设置三相绕组直接与电网连接；调速电机定子内设置三相绕组通过变频器与电网相连。

上述基于功率分汇流的变速水力发电机组，水轮机输入的机械功率被分为两路，一路经定速发电机被直接送往电网，一路通过调速电机-变频器环节经变频变压后送往电网。

上述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其定速发电机与调速电机为绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、单相交流电机、多相交流电机、同步电机、直流电机、开关磁阻电机或永磁电机。

上述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其变频器可能根据调速电机类型的不同变换为其他类型功率变换器，包括交-交变换器，交-直-交变换器，直-交变换器等。

上述基于功率分汇流的变速水力发电机组，水轮机与功率分汇流装置相联接的第一轴，以及调速电机与功率分汇流装置相联接的第二轴，以及定速发电机与功率分汇流装置相联接的第三轴为其它传动类型，包括齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或电气传动。

上述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其水轮机为原动机，所述原动机可为汽轮机、风力机或内燃机。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

第一，本方案中水轮机功率的主要部分通过高效率的直接回路送到发电机转变为电能送往电网，效率得到明显提高。

第二，本方案中经调速电机-变频器的电传动分路功率容量视调速范围而定，一般只有发电机额定容量的几分之一。调速电机与电力电子元器件的功率容量可小于发电机额定功率容量，有助于降低***整体成本。

第三，在无需电刷的条件下实现了变速发电功能，简化了发电机组结构，降低了***的故障率，提高了运转可靠性。

第四，本方案中发电机与电网连接简单，无需通过电力电子装置。如果采用了同步发电机，容易实现平滑的电功率输出，相对于异步电机，有利于调节功率因素，优化***内的电网质量。

附图说明

图1为基于功率分汇流的变速水力发电机组结构示意图。

其中有：1-水轮机；2-减速装置与行星齿轮排(包括20-减速齿轮对，21-太阳轮，22-行星架，23-齿圈)，3-定速发电机(包括31-定子，32-转子)，4-调速电机(包括41-定子，42-转子)，5-变频器，6-第一轴(即水轮机与行星架的联接轴)；7-第二轴(即调速电机与太阳轮的联接轴)；8-第三轴(即定速电机与齿圈的联接轴)，9-电网。

图2为基于功率分汇流的变速水力发电机组的衍生方案示意图。

具体实施方式

以下结合本说明书的各附图，对本发明的具体实施方式做详细说明。本说明书各附图中出现的相同零部件均采用同一标记。

基于功率分汇流的变速水力发电机组方案如图1所示，主要由五个部分组成：该***包括水轮机1、减速装置与行星齿轮排2、定速发电机3，调速电机4，变频器5五个部分；其中减速装置与行星齿轮排2包含减速齿轮对20、太阳轮21、行星架22、齿圈23；定速发电机3包括定子31、转子32；调速电机4包括定子41、转子42；水轮机2通过第一轴6及减速齿轮对20与行星架22联接；调速电机转子42通过第二轴7与太阳轮21联接，定速电机转子32通过第三轴8与齿圈23联接；定速发电机定子31上设置三相绕组直接与电网9连接；调速电机定子41内设置三相绕组通过变频器与电网9相连。

功率分汇流装置核心是由一个太阳轮，一个齿圈，若干个安装在行星架上的行星齿轮组成的行星齿轮排。对于两自由度单行星排，各元件之间转速特性方程式如下：

n_t+Kn_q-(1+K)n_j＝0

n_t为太阳轮转速，n_q为齿圈转速，n_j为行星架转速，K为单行星排齿圈齿数和太阳轮齿数之比，称为行星排特性参数。

单行星排转速关系式是三元一次齐次方程式，一个方程式，三个未知数，这反映了单行星排是双自由度机构。

当原动机转速提高时，行星架转速n_j随之升高Δn；如随之调整调速电机转速，使太阳轮转速n_t降低(1+K)Δn，则齿圈转速n_q可以仍然保持不变。当原动机转速降低时，反之升高伺服调速电机的转速以保持发电机的转速不变。使得在不同原动机转速条件下，发电机都可以稳定在同步转速点运行。

因为行星齿轮组的各轴的速度可以任意调整，所以动力机，定速发电机，调速电机的转速可以相互协调。任一者的速度可以用其他两者来表达。这样，按照设计要求，动力转轮速度具有时变性，定速电机速度保持恒定，相应地，只需调节好调速电机的转速就可以实现变速恒频并网发电了。在优化组合情况下，***输入功率的85％直接作用于发电机，而15％流经伺服调速电机。

功率分汇流技术应用于变速发电，采用行星齿轮取代绕线和电刷实现功率的有效分配，可以根据实际的需要而调节不同的功率分汇流比例。同时，新方案中发电机可采用传统同步电机或者异步电机，使电机的选择更有余地，这样，可以大大降低变速发电机组的的造价。其次，使用行星齿轮分汇功率，可以使功率分汇流更加高效，准确，降低变速发电机组受电网影响程度和功率损失程度，减少电压的峰谷差，从而实现高效发电。以上阐述本发明基本型的工作原理。根据不同使用要求和特点，本发明的具体实施方案可繁可简，由基本型可派生出多种衍生方案。下面列举了若干衍生方案作为例子，结合这些实施例进一步对本发明做更详细的说明。

衍生实施例

衍生方案之一，如图2所示，基本结构与基本实施例方案相同，水轮机与分汇流装置通过变速齿轮箱10c传动；调速电机与分汇流装置通过变速齿轮箱10b传动；定速电机与分汇流装置通过变速齿轮箱10a传动。通过不同齿轮箱的变速作用，可以调整适配于不同工作转速条件的电机与原动机，进一步提高工作效率。

Claims

1.一种基于功率分汇流的变速水力发电机组，其特征在于包括水轮机(1)、减速装置与行星齿轮排(2)、定速发电机(3)，调速电机(4)和变频器(5)；其中减速装置与行星齿轮排(2)包含减速齿轮对(20)、太阳轮(21)、行星架(22)、齿圈(23)；定速发电机(3)包括定子(31)、转子(32)；调速电机(4)包括定子(41)、转子(42)；水轮机(1)通过第一轴(6)及减速齿轮对(20)与行星架(22)联接；调速电机转子(42)通过第二轴(7)与太阳轮(21)联接，定速电机转子(32)通过第三轴(8)与齿圈(23)联接；定速发电机定子(31)上设置三相绕组直接与电网(9)连接；调速电机定子(41)内设置三相绕组通过变频器(5)与电网(9)相连。

2.根据权利要求1所述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其特征在于定速发电机(3)与调速电机(4)为绕线式异步电机、鼠笼式异步电机、单相交流电机、多相交流电机、同步电机、直流电机、开关磁阻电机或永磁电机。

3.根据权利要求2所述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其特征在于所述第一轴(6)、第二轴(7)和第三轴(8)各自由齿轮传动、无级机械传动、液压传动、液力传动或电气传动代替。

4.根据权利要求3所述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其特征在于水轮机(1)为原动机，所述原动机为汽轮机、水轮机或内燃机。

5.根据权利要求1～4任一项所述基于功率分汇流的变速水力发电机组，其特征在于所述变频器由交-交变换器，交-直-交变换器或直-交变换器代替。