专利名称：：河道水流自由式发电装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种电力
技术领域：
的发电装置，具体是一种河道水流自由式发电装置。
背景技术：
：目前被广泛应用的水轮发电机组来看，其中的水l&机大体上可以分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和灌流式。当前所有各种型号的水轮机都是针对具有水利开发价值的水力资源设计的，具体地说，如果水资源没有一定的水位落差和水流流量，则该水资源就不具备水力发电的开发价值。根据目前的水力发电设计规范，遍布于地球上广大区域中的山间小溪和平原河流的水流必须通过筑坝蓄水等方式来抬高上游水位和集中流量才能实现水力发电。也就是说，诸如相对平坦的河道之类的低水头水流或者小流量水流对当前水力发电规范来说是没有利用价值的。如何将类似普通河道水流的低能量密度水力资源加以利用，在当前全球面临能源紧缺的情况下，已经越来越弓l起人们的注意力。虽然，开发此类水力资源所能产生的单机组电力是有限的，完全无法与高水头、大流量的大中型水电站相比，但是，前者在地球上的总量不容小视，而且，其最大的优势在于无需人们投入巨大的资金进行常规水电站不可缺少的水利设施建设。尽管，致力于低水头、小流量水力发电技术的研究不乏先例，而且各种各样的创新思想和技术也己不少，但是至今为止，这些相关技术均存在诸多缺陷，因此难以被推广应用。经对现有技术文献的检索发现,专利申请号为200710120011.3的中国发明专利，
专利名称：为水流发电船及其电站，该专利由发电船体、整体循环板链轮式水轮机、发电机及其传动与调控设备三大主要功能部分组成，其大型形态的水流发电船电站是由与发电船配合建设的河道集水辅助设施一同构成。该技术方案是可行的，但是存在着明显的技术缺陷1、必须有与发电船配合建设的河道集水辅助设施，这势必局限了该技术的适用范围；2、整体循环板链轮式水轮机显然是一种较为落后的水力换能机械，因为其极为简单的板链轮式机械结构的水力学餘性限制了水能转换效率的提高；3、其发电机及其传动与调控设备设施无法实现电力并网的优化跟踪。
发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种河道水流自由式发电装置，本发明装置的整体结构简单，安装方便，适用于大小河道水流发电，能够将低水头甚至小流量的水流进行发电，而且还具有能量转换效率的最优化和对电网参数的自动化同步跟踪功能。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括螺旋桨水轮发电机组、电机输出连接器、逆变器、逆变输出连接器、辅助电路模块、阻尼负载、电力参数传感模块，螺旋桨水轮发电机组的输出接口与电机输出连接器的输入端口连接，电机输出连接器的输出端口与逆变器的输入接口连接，逆变器的输出接口与逆变器输出连接器的输入端口连接，逆变器输出连接器的输出端口与电网连接，逆变器的控制输入接口与电力参数传感模块输出接口连接；螺旋桨水轮发电机组的输出接口同时与阻尼负载输入接口连接；辅助电路模块的第一输出接口与电机输出连接器的控制信号输入端口连接，辅助电路模块的第二输出接口与逆变器输出连接器的控制信号输入端口连接，辅助电路模块的第三输出接口与阻尼负载的控制信号输入接口连接，辅助电路模块的输入接口与电力参数传感模块输出接口连接，电力参数传感模块的输入接口与电网连接。所述螺旋桨水轮发电机组，包括螺旋桨水轮机、水轮发电机、发电机固定支架和圆柱形外壳，其中螺旋桨水轮机的转动主轴与7jC轮发电机的转动主轴相连接,螺旋桨水轮机和水轮发电机通过发电机固定支架安装于圆柱形外壳内，螺旋桨水轮机处于圆柱形外壳内的前部，水轮发电机处于圆柱形外壳的后部；当螺旋桨水轮机转动时，在其轴端所产生的转动力矩通过转动主轴传动给水轮发电机的转动主轴作为水轮发电机的主动力矩带动发电机转子的转动。所述螺旋桨水轮机，其转动主轴通过法兰盘与水轮发电机的转动主轴相连接，两者的转动主轴连接处既是螺旋桨水轮机转矩输出端，也是水轮发电机的转矩输入端°所述圆柱形外壳，其用于固定螺旋桨水轮机和水轮发电机，同时能够改善螺旋桨水轮机的水力学特性，使得流经螺旋桨水轮机每个叶片的工作水流与圆柱形外壳外的水流隔离，确保流经每个叶片后的水流沿着机组的轴向流动，起着水流流出的整流作用，避免了机组出水末端的紊流和卡门涡列对主螺旋桨叶片背面压力的干扰，因此能够明显提高水力能量转换效率。所述螺旋桨水轮机，包括主螺旋桨、前置螺旋桨、转动主轴，其中，前置螺旋桨的桨轴内设有一个凸环，转动主轴的前端设有一个凹环，前置螺旋桨通过凸环与转动主轴的凹环相啮合，前置螺旋桨能够在转动主轴的一端自由旋转，前置螺旋桨之后设有主螺旋桨，主螺旋桨与转动主轴紧固连接、构成一体，当主螺旋桨受到水流推力作用而产生转动时，带动转动主轴转动。所述前置螺旋桨，其直径与主螺旋桨的直径相同，两者的直径又小于圆柱形外壳的内直径。本发明中，前置螺旋桨起着导流的作用，当水流流经前置螺旋桨时，利用前置螺旋桨叶片的水力学特性形成一种水流的特定角度，因此产生对主螺旋桨叶片的最大推力；主螺旋桨每个叶片所产生的推力集中转换成转动主轴的旋转力矩，螺旋桨水轮机所产生的旋转力矩再由转动主轴传动到水轮发电机的转动主轴。前置螺旋桨在对入射水流进行导流的同时，自身也受到水流的推动而产生与主螺旋桨旋转方向相反的旋转，因此，能够恰到好处地将水流流量最大效率地、动态分布在主螺旋桨的每个叶片的着力面上，既提高了水能转换效率，又能克服螺旋桨水轮机的径向震动。所述电机输出连接器，即螺旋桨7X轮发电机组输出电能与逆变器的连接开关器，由三个电力电子开关器件构成三相通道，禾拥电力电子开关器件的软开关特性实现三相电能流通过程的零电压开通与零电流关断的功能。所述逆变器输出连接器，即逆变器与电网的连接开关器，其内部结构与电机输出连接器相同。所述逆变器，包括逆变器输入接口、三相整流桥、输入滤波器、三相逆变桥、输出滤波器、控制模块、驱动隔离模块、逆变器输出接口，其中逆变器输入接口的输出端口与三相整流桥的输入端口连接，三相整流桥的输出端口与输入滤波器的输入端口连接，输入滤波器的输出端口与三相逆变桥的输入端口连接，三相逆变桥的输出端口与输出滤波器的输入端口连接，输出滤波器的输出端口与逆变器输出接口的输入端口连接；三相逆变桥的控制信号输入端口与驱动隔离模块的输出端口连接，驱动隔离模块的输入端口与控制模块的输出端口连接，控制模块的输入端口即逆变器的控制输入接口与电力参数传感模块的输出接口连接。所述控制模块，包括逆变控制模数转换器和SPWM生成器，逆变控制模数转换器的输入端口即控制模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，逆变控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，用于分别接受来自三相的电压和电流传感器的电气参数信号，逆变控制模数转换器包含6个A/D子模块，分别对6路输入信号进行模数转换，逆变控制模数转换器的输出端口与SPWM生成器的输入端口连接，SPWM生成器的输出端口即控制模块的输出端口，SPWM生成器负责生成SPWM信号，SPWM信号即正弦波脉冲调制信号。所述SPWM生成器，其中的PWM(脉宽调制)根据采样控制的重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其基本作用效果相同。因此将一个正弦波的每半个周期进行等分，然后把每等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积用一个与该面积相等的等高矩形脉冲来代替，则各脉冲的宽度将按正弦规律变化；通常选正弦波为调制波，以高频率的等腰三角形作为载波，由两者相交调制即构成正弦波脉冲调制波SPWM。所述阻尼负载，包括三个双向晶闸管和三个水电阻，每一个双向晶闸管和一个水电阻构成一个单相阻尼负载，三个双向晶闸管和三个水电阻分别构成三个单相阻尼负载，三个双向晶闸管的三个输入端头作为阻尼负载的输入接口，三个双向晶闸管的输出端头分别与三个水电阻的输入端头连接，三个双向晶闸管的控制信号输入端头作为阻尼负载的三个控制信号输入接口。所述水电阻，其在装有水的容器上安插两个电极，以水作为导电体，利用水的导电性不好，在水中加盐、废硫酸等来增加其导电性以形成了一个电阻小、适宜大电流放电的导电体，当水电阻中的溶液通入电流后会对水进行电解，以消耗大量电能，因此它能够起到电阻丝所不能起到的作用，不会发生严重发热和烧毁。本发明中，当螺旋桨水轮发电机组甩负荷或因某种原因造成逆变器输出连接器关断势必造成螺旋桨水轮机的转速过高，此时接入阻尼负载，使得水轮发电机三相输出及时被接入三个负载，让水轮发电机对螺旋桨水轮机形成一种电磁阻力矩，因此能及时将螺旋桨水轮机过高的转速降低下来，起到限速的作用。正是由于利用阻尼负载的这种能够增加水轮发电机电磁阻力矩的特性，使得水轮机的限速功能得到保障，阻尼负载的运用既能够替代水轮机的调速结构，又省却了一般水轮机不可缺少的测速装置，整个装置显得十分简洁、紧凑和可靠。所述辅助电路模块，包括辅助控制模数转换器和数据处理器，辅助控制模数转换器的输入端口作为辅助电路模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，辅助控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，辅助控制模数转换器包括6个A/D子模块，用于分别接受来自电网三相的电压和电流传感器的电气参数信号，辅助控制模数转换器的输出端口与数据处理器的输入接口连接，数据处理器的输出接口即辅助电路模块的输出接口，辅助控制模数转换器将电气参数数字信号输至数据处理器后，数据处理器根据电网的三相电压、电流的特征参数以及电压与电流的过零时刻等信息分别作如下处理控制电机输出连接器的开通或关断在辅助电路模块不向阻尼负载发出接通指令时，控制电机输出连接器始终处于开通状态；当辅助电路模块向阻尼负载发出接通指令时，则向电机输出连接器发送关断指令，即在阻尼负载接入7jC轮发电机三相输出的同时，电机输出连接器同时被关断，此时阻尼负载成为水轮发电机的唯一输出负载，否则，电机输出连接器保持或者恢复开通状态；控制逆变器输出连接器当逆变器输出电力电气参数与电网电气参数达到同步跟踪时，开通逆变器输出连接器，否则关断逆变器输出连接器；控制阻尼负载的接入或者断开当逆变器输出连接器从开通状态转变至关断状态，触发阻尼负载中的三相双向晶闸管导通，使阻尼负载中的每个单相阻尼负载处于接入状态，直接成为水轮发电机的三相负载，与此同时，电机输出连接器处于关断状态；否则，控制阻尼负载与螺旋桨水轮发电机组的输出接口之间处于断开状态；当辅助电路模块从电力参数传感模块获取的电网电气参数被其中的数据处理器判定为允许机组可以正常输出电力的参数时，辅助电路模块将重新控制阻尼负载断开、电机输出连接器恢复开通、逆变器输出连接器开通。所述电力参数传感模块，包括三个电压传感器和三个电流传感器，每一个电压传感器和一个电流传感器分别检测每个单相的电压与电流信号，三个电压传感器的输出端口和三个电流传感器的输出端口分别与逆变器的控制输入接口即逆变器中的控制模块的输入端口、辅助电路模块的输入接口相连结。所述辅助电路模i央，其中的数据处理器能够与GPRS远程监控系统相连，实现系统装置中的发电输出参数与GPRS远程监控系统之间的数据交互，并由GPRS远程监控系统实现无人值守的全自动发电运行控制。本发明工作过程如下将螺旋桨水轮发电机组的螺旋桨水轮机正对着水流的流速方向，通过钢索与河岸的桩柱连接，调节钢索的长度，将其整体潜入河道水流中；当河道水流从螺旋桨水轮机的前置螺旋桨，即圆柱形外壳的前端流入、依次经过主螺旋桨和水轮发电机后、从圆柱形外壳的后端流出时，主螺旋桨在水流的有效推动下，将水力能量转换为主螺旋桨和转动主轴的转动力矩；主螺旋桨输出的转矩通过同轴连接结构同时带动水轮发电机转子的转动；水轮发电机转子的转动切割定子铁芯磁力线，因此在定子线圈产生感应电动势，即在水轮发电机的输出接口形成三相交流电力输出；三相交流电力通过电机输出连接器输出至逆变器，逆变器中的控制模块根据电网参数的检测信息确定三相逆变桥的输出电压、频率和相位数值，实现水轮发电机输出电力参数对电网参数的同步跟随，并在辅助电路模块的决策下，控制逆变器输出连接器的开通；一旦出现电网或负载的异常现象，辅助电路模块通过对电压、电流传感器输出信号的检测与判断，实时决策是否立即使逆变器输出连接器和电机输出连接器处于关断状态，并接入阻尼负载来限制螺旋桨水轮机的过高转速和避免水轮发电机的空载高电压造成对电机的损害。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果第一、本发明的螺旋桨水轮机具有良好的水力学特性；第二、通过接入阻尼负载的方法能够实现对螺旋桨水轮机过高转速的限制，因此简化了螺旋桨水轮机的调速装置；第三、对螺旋桨水轮发电机组的运行工况不需要任何限制，机组所输出的电力参数能够通过逆变器获得对电网运行参数的良好跟踪与同步；第四、具有非常可靠的运行安全保障功能；第五、整机安装方便；第六、使用范围广泛，如河道、山间瀑布、水电站尾水等，还能够根据实际地理水力条件，制造适合环境条件的不同大小功率和几何尺寸的螺旋桨水轮发电机组；第七、无需投资水利基础设施建设，节约大量的财政资金和移民等费用，还不会对自然景观和生态环境造成破坏；第八、积少成多、极小成大，只要将本发明技术放置于不适合大中型水电站建设的任何有流动水流的江河湖海中均能获得标准参数电能，最终使人类获得总量非常客观的可再生电能资源。图l为本发明装置系统示意图。图2为本发明中螺旋桨水轮发电机组安装示意其中，(a)是螺旋桨水轮发电机组置于河道中的侧视图；(b)是螺旋桨水轮发电机组置于河道中的正视图；(c)是螺旋桨水轮发电机组尾部端的后视图。图3为本发明中前置螺旋桨与转动主轴的连接机构示意图。图4为本发明逆变器结构示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括螺旋桨水轮发电机组l、电机输出连接器2、逆变器3、逆变器输出连接器4、辅助电路模块5、阻尼负载6、电力参数传感模块7，其中螺旋桨水轮发电机组1的输出接口与电机输出连接器2的输入端口连接，电机输出连接器2的输出端口与逆变器3的输入接口连接，逆变器3的输出接口与逆变器输出连接器4的输入端口连接，逆变器输出连接器4的输出端口与电网连接，逆变器3的控制输入接口与电力参数传感模±央7输出接口连接；螺旋桨水轮发电机组1的输出接口同时与阻尼负载6输入接口连接；辅助电路模块5的第一输出接口与电机输出连接器2的控制信号输入端口连接，辅助电路模块5的第二输出接口与逆变器输出连接器4的控制信号输入端口连接，辅助电路模块5的第三输出接口与阻尼负载6的控制信号输入接口连接，辅助电路模块5的输入接口与电力参数传感模±央7输出接口连接。如图2所示，所述螺旋桨水轮发电机组，包括螺旋桨7K轮机16、水轮发电机17、发电机固定支架18和圆柱形外壳19，其中螺旋桨水轮机16的转动主轴与水轮发电机17的转动主轴相连接，螺旋桨水轮机16和水轮发电机17通过发电机固定支架安装于圆柱形外壳19内，螺旋桨水轮机16处于圆柱形外壳19的前部，水轮发电机17处于圆柱形外壳19的后部；当螺旋桨水轮机16转动时，在其轴端所产生的转动力矩通过转动主轴传动给7jC轮发电机17的转动主轴作为水轮发电机的主动力矩带动发电机转子的转动。所述螺旋桨水轮机16，其转动主轴通过法兰盘与水轮发电机17的转动主轴相连接，两者的转动主轴连接处既是螺旋桨水轮机转矩输出端，也是水轮发电机的转矩输入端。所述圆柱形外壳19，其用于固定螺旋桨水轮机16和水轮发电机17，同时能够改善螺旋桨水轮机16的水力学特性，使得流经螺旋桨7jC轮机16每个叶片的工作水流与圆柱形外壳19外的水流隔离，确保流经每个叶片后的水流沿着机组的轴向流动，起着水流流出的整流作用，避免了机组出水末端的紊流和卡门涡列对主螺旋桨20叶片背面压力的干扰，因此能够明显提高水力能量转换效率。如图2、图3所示，所述螺旋桨水轮机16，包括主螺旋桨20、前置螺旋桨21、转动主轴22，其中，前置螺旋桨21的桨轴内设有一个凸环23，转动主轴22的前端设有一个凹环24，前置螺旋桨21通过凸环23与转动主轴22的凹环24相啮合，前置螺旋桨21能够在转动主轴22的一端自由旋转，前置螺旋桨21之后设有主螺旋桨20，主螺旋桨20与转动主轴22紧固连接、构成一体，当主螺旋桨20受到水流推力作用而产生转动时，带动同转动主轴22转动；所述水轮发电机17，其为三相交流永磁同步潜水发电机，技术特征如下①三相绕组A-X、B-Y、C-Z沿定子铁芯内圆相隔120°分别放置；②转子铁芯为永久磁铁；③带护水密封外套，确保发电机在潜水工作状态下，电机内部不会进水，水轮发电机的输出接口即螺旋桨水轮发电机组的输出接口。所述主螺旋桨20，其直径与前置螺旋桨21的直径均为IOOO咖。所述水轮发电机17，其最大输出电功率200kW。所述电机输出连接器2，即螺旋桨7]C轮发电机组1输出电能与逆变器4的连接开关器，由三个电力电子开关器件构成三相通道，利用电力电子开关器件的软开关特性实现三相电能流通过程的零电压开通与零电流关断的功能。所述逆变器输出连接器3，即逆变器4与电网的连接开关器，其内部结构与电机输出连接器2相同。所述电机输出连接器2，其与逆变器输出接连器4中的电力电子开关器件均采用IGBT，每个IGBT的基本参数为最大工作电流450A、最大工作电压500V;如图4所示，所述逆变器3，包括逆变器输入接口8、三相整流桥9、输入滤波器IO、三相逆变桥ll、输出滤波器12、控制模块13、驱动隔离模块14、逆变器输出接口15，连接关系如下逆变器输入接口8与三相整流桥9的输入端口连接，三相整流桥9的输出端口与输入滤波器10的输入端口连接，输入滤波器10的输出端口与三相逆变桥11的输入端口连接，三相逆变桥11的输出端口与输出滤波器12的输入端口连接，输出滤波器12的输出端口与逆变器输出接口15的输入端口连接;三相逆变桥11的控制信号输入端口与驱动隔离模块14的输出端口连接，驱动隔离模块14的输入端口与控制模块13的输出端口连接，控制模块13的输入端口即逆变器3的控制输入接口与电力参数传感模块7的输出接口连接。所述三相逆变桥ll，其采用电力电子集成IPM模块，单相最大输出电流400A。所述控制模块13，包括逆变控制模数转换器和SPWM生成器，逆变控制模数转换器的输入端口即控制模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，逆变控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，用于分别接受来自三相的电压和电流传感器的电气参数信号，逆变控制模数转换器包含6个A/D子模±央，分别6路输入信号进行模数转换，逆变控制模数转换器的输出端口与SPWM生成器的输入端口连接，SPWM生成器的输出端口即控制模块的输出端口，SPWM生成器负责生成SP丽信号，SPWM信号即正弦波脉冲调制信号。所述控制模块13，其核心芯片采用TMS320LF2407ADSP芯片，对于输出性能有不同要求的逆变器3，只需对软件进行修改即可满足要求。所述逆变器4，其逆变过程如下水轮发电机发出的三相交流电经逆变器输入接口进入三相整流桥整流并由输入滤波器进行滤波转换成直流电后，送入三相逆变桥；与此同时，控制模块的输入端口接收来自电力参数传感模块的三相电压与电流传感器输出信号，三相电压与电流传感器信号经控制模块中的6个A/D子模块转换成数字信号，送入SP丽生成器，SPWM生成器能够根据电网三相电压与电流的数字信号所提供的电网基本参数信息(如电压幅值、有效值、频率和相位等)来确定同步跟踪电网基本参数的特定形式的三相SP丽信号输出；三相SP丽信号输至驱动隔离模块的输入端口，经过驱动隔离模块的光耦合管隔离后，输出至三相逆变桥的控制信号输入端口控制三相电力的逆变波形与特性；三相电力经过三相逆变桥即被斩波转换成标准的50Hz三相交流电，经输出滤波器滤除谐波后，输出给负载或并入电网运行，逆变器的这一工作过程简称为AC-DC-AC，即交流一直流一交流变换。控制模±央始终确保逆变器的输出电力参数具有标准的输出电压、频率和并网运行时的同步相位，如并网运行时，控制模块实时检测电网运行参数，根据电网的实时参数，确定对三相逆变桥的控制决策以便达到其输出电压、频率和相位对电网运行参数的同步跟随。所述阻尼负载6，包括三个双向晶闸管和三个水电阻，每一个双向晶闸管和一个水电阻构成一个单相阻尼负载，三个双向晶闸管和三个水电阻分别构成三个单相阻尼负载，三个双向晶闸管的三个输入端头作为阻尼负载的输入接口，三个双向晶闸管的输出端头分别与三个水电阻的输入端头连接，三个双向晶闸管的控制信号输入端头作为P且尼负载的三个控制信号输入接口。所述阻尼负载6，其中的三个双向晶闸管基本参数为最大工作电流500A、最大工作电压500V;所述水电阻，其在装有水的容器上安插两个电极，以水作为导电体，利用水的导电性不好，在水中加盐、废硫酸等来增加其导电性以形成了一个电阻小、适宜大电流放电的导电体，当水电阻中的溶液通入电流后会对水进行电解，以消耗大量电能，因此它能够起到电阻丝所不能起到的作用，不会发生严重发热和烧毁。所述辅助电路模块5，包括辅助控制模数转换器和数据处理器，辅助控制模数转换器的输入端口作为辅助电路模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，辅助控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，辅助控制模数转换器包括6个A/D子模块，用于分别接受来自电网三相的电压和电流传感器的电气参数信号，辅助控制模数转换器的输出端口与数据处理器的输入接口连接，数据处理器的输出接口即辅助电路模块的输出接口，辅助控制模数转换器将电气参数数字信号输至数据处理器后，数据处理器根据电网的三相电压、电流的特征参数以及电压与电流的过零时刻等信息分别作如下处理控制电机输出连接器2的开通或关断只要辅助电路模块5不向阻尼负载6发出接通指令，电机输出连接器2始终处于开通状态；一旦辅助电路模块5向阻尼负载6发出接通指令，与此同时，辅助电路模块5也向电机输出连接器2发送开通指令，换句话说，在阻尼负载6接入水轮发电机三相输出的同时，电机输出连接器2同时被关断，此时阻尼负载6成为水轮发电机的唯一输出负载，否贝ij，电机输出连接器2保持或者恢复开通状态；控制逆变器输出连接器4:当逆变器输出电力电气参数与电网电气参数达到同步跟踪时，开fflit变器输出连接器4，否则关断逆变器输出连接器4;控制阻尼负载6的接入或者断开当逆变器输出连接器4从开通状态转变至关断状态，同时电机输出连接器2处于关断状态时，触发阻尼负载6中的三相双向晶闸管导通，使阻尼负载6中的每个单相阻尼负载处于接入状态，直接成为水轮发电机的三相负载；否则，控制阻尼负载6与螺旋桨水轮发电机组1的输出接口之间处于断开状态。电机输出连接器2和逆变器输出连接器4的开通或关断，以及阻尼负载6的接入或者断开，其中的状态关系，进一步参见下表<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>所述辅助电路模块5，其中的数据处理器还具有发电量计算和信息数据显示与通信功能，其中，发电量计算也是依据电力参数传感模块获取的电网电气参数，即三相电压、电流的特征参数以及电压与电流的过零时刻来求出三相电压、电流有效值、功率因数，因而获得当地机组的输出有功功率，再根据机组运行时间连续累计计算出本机组向电网输送的电能总量；信息数据显示是通过数据处理器的VGA接口与液晶显示屏的输入接口连接，利用事先编制的电气参数显示软件，实现本发明河道7jC流自由式发电装置输出的三相电压有效值、电流有效值、功率因数和电能总量等数据在现场终端液晶显示屏上的实时显示；通信功能是通过数据处理器的RS232串《亍接口予以实现，具体如下-第一，数据处理器的RS232串行接口与笔记本电脑或嵌入式系统的RS232串行接口连接，实现本装置的发电输出参数与笔记本电脑或嵌入式系统的数据通信；第二，RS232串行接口与GPRS远程监控的远程终端GPRS模块的RS232串行接口连接，实现装置的发电输出参数与GPRS远程监控中心及其巡视终端的数据交互。所述GPRS远程监控系统，包括发射/接收天线、GPRS服务支持节点、GPRS骨干网、网关支持节点、因特网、路网监控中心服务器和终端GPRS模块，其中，GPRS是通用无线分组业务的縮写，是介于第二代和第三代之间的一种通信技术。GPRS采用与数字通无线通信网络GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TD-MA帧结构。GPRS远程监控系统在原有数字通无线通信网络GSM基础上引入两个新的网络节点GPRS服务支持节点和网关支持节点，GPRS服务支持节点跟踪终端存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，网关支持节点支持与外部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网和GPRS服务支持节点连通。GPRS终端通过接口从客户系统(本实施例中的信号处理器)取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支持节点封装后，通过GPRS骨干网与网关支持接点进行通信，网关支持节点对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络。若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到GPRS服务支持节点，再经发射/接收天线发送到GPRS终端，因此构成完整的GPRS远程监控系统。所述终端GPRS模块，包括单片机、GPRS芯片、SIM卡、外部接口和扩展数据存储器。其中，单片机支持TCP/IP协议，用于控制GPRS芯片的信息接收和发送，并通过标准RS232串口和外部控制器(本实施例中的数据处理器)进行数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发。因此，本实施例中河道水流自由式发电装置能够通过辅助电路模块中的数据处理器数据通信功能实现无人值守的全自动发电运行。本实施例的工作过程如下将螺旋桨水轮发电机组1的螺旋桨水轮机16正对着水流的流速方向，通过钢索与河岸的桩柱连接，调节钢索的长度，将其整体潜入河道水流中；当河道水流从螺旋桨水轮机16的前置螺旋桨21，即圆柱形外壳19的前端流入、依次经过主螺旋桨20和水轮发电机17后，从圆柱形外壳19的后端流出时，主螺旋桨20在水流的有效推动下，将水力能量转换为主螺旋桨20和转动主轴22的转动力矩；主螺旋桨20输出的转矩通过同轴连接结构同时带动水轮发电机17转子的转动；水轮发电机17转子的转动切割定子铁芯磁力线，因此在定子线圈产生感应电动势，即在水轮发电机17的输出接口形成三相交流电力输出；三相交流电力输出至逆变器3，逆变器3中的控制模±央13根据电网参数的检测信息确定三相逆变桥11的输出电压、频率和相位数值，实现水轮发电机17输出电力参数对电网参数的同步跟踪，并在辅助电路模块5的决策下，控制逆变器输出连接器4的开通；一旦出现电网或负载的异常现象，辅助电路模块5通过对三项电压、电流传感器输出信号的检测与判断，实时决策是否立即使逆变器输出连接器4和电机输出连接器2处于关断状态，并接入阻尼负载6来限制螺旋桨水轮机16的过高转速和避免水轮发电机17的空载高电压造成对电机的损害；装置运行中，通过辅助电路模块5中的数据处理器的VGA接口与与液晶显示屏的输入接口连接，利用事先编制的电气参数显示软件，实现本发明河道水流自由式发电装置输出的三相电压有效值、电流有效值、功率因数和电能总量等数据在现场终端液晶显示屏上的实时显示；同时，通过辅助电路模块5中的数据处理器的RS232串行接口与GPRS远程监控系统中的终端GPRS模块的RS232串行接口连接，实现发电输出参数与GPRS远程监控中心及其巡视终端的数据交互，使得GPRS远程监控中心及其巡视终端能够实时了解与掌握本实施例装置分布于各处的发电运行状况。本实施例实际实施效果第一、本实施例螺旋桨水轮机增设了前置螺旋桨使得进水导流角度处于最佳状态，并采用圆柱形外壳引导尾部出水能够克服出水紊流和卡门涡列对主螺旋桨叶片背面压力的干扰，因此能够明显提高水力能量转换效率，实验结果证实水电转换效率达到95%;第二、接入阻尼负载的方法实现对螺旋桨水轮机过高转速的限制，显示螺旋桨水轮机的简化调速装置的有效性；第三、逆变器在实现螺旋桨水轮发电机组输出电力参数对电网运行参数良好跟踪的同时，能够有效消除输出谐波；第四、机组运行安全、可靠；第五、整机安装方便；第六、实现终端无人值守和远程实时监控功能。权利要求1、一种河道水流自由式发电装置，其特征在于，包括螺旋桨水轮发电机组、电机输出连接器、逆变器、逆变输出连接器、辅助电路模块、阻尼负载、电力参数传感模块，螺旋桨水轮发电机组的输出接口与电机输出连接器的输入端口连接，电机输出连接器的输出端口与逆变器的输入接口连接，逆变器的输出接口与逆变器输出连接器的输入端口连接，逆变器输出连接器的输出端口与电网连接，逆变器的控制输入接口与电力参数传感模块输出接口连接；螺旋桨水轮发电机组的输出接口同时与阻尼负载输入接口连接；辅助电路模块的第一输出接口与电机输出连接器的控制信号输入端口连接，辅助电路模块的第二输出接口与逆变器输出连接器的控制信号输入端口连接，辅助电路模块的第三输出接口与阻尼负载的控制信号输入接口连接，辅助电路模块的输入接口与电力参数传感模块输出接口连接，电力参数传感模块的输入接口与电网连接。2、根据权利要求1所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述螺旋桨水轮发电机组，包括螺旋桨水轮机、水轮发电机、发电机固定支架和圆柱形外壳，其中螺旋桨水轮机的转动主轴与水轮发电机的转动主轴相连接，螺旋桨水轮机和水轮发电机通过发电机固定支架安装于圆柱形外壳内，螺旋桨水轮机处于圆柱形外壳内的前部，水轮发电机处于圆柱形外壳的后部。3、根据权利要求2所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述螺旋桨水轮机，包括主螺旋桨、前置螺旋桨、转动主轴，其中，前置螺旋桨的桨轴内设有一个凸环，转动主轴的前端设有一个凹环，前置螺旋桨通过凸环与转动主轴的凹环相啮合，前置螺旋桨能够在转动主轴的一端自由旋转，前置螺旋桨之后设有主螺旋桨，主螺旋桨与转动主轴紧固连接、构成一体，当主螺旋桨受到水流推力作用而产生转动时，带动同转动主轴转动。4、根据权利要求l所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述电机输出连接器，是指螺旋桨水轮发电机组输出电能与逆变器的连接开关器，由三个电力电子开关器件构成三相通道，利用电力电子开关器件的软开关特性实现三相电能流通过程的零电压开通与零电流关断的功能；逆变器输出连接器作为逆变器与电网的连接开关器，其内部结构与电机输出连接器相同。5、根据权利要求l所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述逆变器，包括逆变器输入接口、三相整流桥、输入滤波器、三相逆变桥、输出滤波器、控制模块、驱动隔离模块、逆变器输出接口，其中逆变器输入接口的输出端口与三相整流桥的输入端口连接，三相整流桥的输出端口与输入滤波器的输入端口连接，输入滤波器的输出端口与三相逆变桥的输入端口连接，三相逆变桥的输出端口与输出滤波器的输入端口连接，输出滤波器的输出端口与逆变器输出接口的输入端口连接；三相逆变桥的控制信号输入端口与驱动隔离模块的输出端口连接，驱动隔离模块的输入端口与控制模块的输出端口连接，控制模块的输入端口即逆变器的控制输入接口与电力参数传感模块的输出接口连接。6、根据权利要求5所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述控制模块，包括逆变控制模数转换器和SP丽生成器，逆变控制模数转换器的输入端口即控制模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，逆变控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，用于分别接受来自三相的电压和电流传感器的电气参数信号，逆变控制模数转换器包含6个A/D子模块，分别6路输入信号进行模数转换，逆变控制模数转换器的输出端口与SPWM生成器的输入端口连接，SP丽生成器的输出端口即控制模块的输出端口，SPWM生成器负责生成SP丽信号，SP丽信号即正弦波脉冲调制信号。7、根据权利要求l所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述阻尼负载，包括三个双向晶闸管和三个水电阻，每一个双向晶闸管和一个水电阻构成一个单相阻尼负载，三个双向晶闸管和三个水电阻分别构成三个单相阻尼负载，三个双向晶闸管的三个输入端头作为阻尼负载的输入接口，三个双向晶闸管的输出端头分别与三个水电阻的输入端头连接，三个双向晶闸管的控制信号输入端头作为阻尼负载的三个控制信号输入接口。8、根据权利要求l所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述辅助电路模块，包括辅助控制模数转换器和数据处理器，辅助控制模数转换器的输入端口作为辅助电路模块的输入接口，与电力参数传感模块的输出端口连接，辅助控制模数转换器的输入端口具有6个模拟信号输入通道，辅助控制模数转换器包括6个A/D子模块，用于分别接受来自电网三相的电压和电流传感器的电气参数信号，辅助控制模数转换器的输出端口与数据处理器的输入接口连接，数据处理器的输出接口为辅助电路模块的输出接口，辅助控制模数转换器将电气参数数字信号输至数据处理器后，数据处理器根据电网的三相电压、电流的特征参数以及电压与电流的过零时刻信息分别处理。9、根据权利要求1或8所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述辅助电路模块，其中的数字处理器与GPRS远程监控系统相连，实现系统装置中的发电输出参数与GPRS远程监控系统之间数据交互，由GPRS远程监控系统实现无人值守的全自动发电运行控制。10、根据权利要求l所述的河道水流自由式发电装置，其特征是，所述电力参数传感模块，包括三个电压传感器和三个电流传感器，每一个电压传感器和一个电流传感器分别检测每个单相的电压与电流信号，三个电压传感器的输出端口和三个电流传感器的输出端口分别与逆变器的控制输入接口即逆变器中的控制模块的输入端口、辅助电路模块的输入接口相连结。全文摘要一种可再生能源发电
技术领域：
的河道水流自由式发电装置，包括螺旋桨水轮发电机组、电机输出连接器、逆变器、逆变输出连接器、辅助电路模块、阻尼负载和电力参数传感模块，河道水流从螺旋桨水轮机的前置螺旋桨流入、依次经过主螺旋桨和水轮发电机，再从圆柱形外壳的后端流出时，主螺旋桨在水流的有效推动下，将水力能量转换为主螺旋桨和转动主轴的转动力矩，主螺旋桨带动水轮发电机转子的转动；在输出接口形成三相交流电力输出，三相交流电力输至逆变器实现水轮发电机输出电力参数对电网参数的同步跟随，并在辅助电路模块的决策下，控制装置的安全运行。本发明提高了水力能量转换效率，并实现对螺旋桨水轮机过高转速的限制。文档编号F03B13/00GK101413472SQ200810203449公开日2009年4月22日申请日期2008年11月27日优先权日2008年11月27日发明者张秀彬,李国芳,焦东升,赵兴勇,钱斐斐申请人:上海交通大学