一种直驱永磁水力发电系统的制作方法

本发明涉及水力发电领域，尤其涉及一种直驱永磁水力发电系统。

背景技术：

随着电机技术的不断发展和永磁材料性能不断提升，永磁电机的特性不断得到优化，尤其是在直驱永磁发电技术的提出后，由于其结构紧凑，体积小，可靠性和系统效率高的特点，得到国内外专家学者的普遍重视，直驱永磁技术在相关领域的推广应用渐渐成为一种趋势，并在风电行业得到了较为广泛的应用。目前，在水力发电系统中，大多采用传统的直流发电机或传统同步发电机等形式，其发电机组常常体积过于巨大，安装检修不方便，尤其在低水位、落差小、枯水期等的环境下，传统的水力发电系统难以达到理想的运行状态。

为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有的缺点，提供一种直驱永磁水力发电系统，结构比较简单，占用面积较小，从而便于安装检修，增加水力发电厂装机容量，提高发电厂对发电环境的适应力，并提高能源利用效率，确保系统运行的稳定安全。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种直驱永磁水力发电系统，包括一水轮机和一直驱永磁发电机，所述水轮机中的轮转轴与所述直驱永磁发电机中的转子轴直接相连;所述直驱永磁发电机输出的电流通过一变流器和组合变压器送入电网;所述水轮机、直驱永磁发电机通过一水力发电系统控制装置控制运行。

在本发明的一个优选实施例中，所述水力发电系统控制装置包括一水力发电系统主控制器，所述水力发电系统主控制器通过采集人工指令、发电量数据、各类传感信号、来水检测信号并处理后，通过水轮机出力控制装置来控制水轮机的出力状态，通过变流控制器来控制变流器运行状态，还通过内置的故障分析及处理软件来控制直驱永磁水力发电系统中各类机械保护装置和电气保护装置动作，实现对所述直驱永磁水力发电系统的保护。

在本发明的一个优选实施例中，所述水力发电系统主控制器还与一上位机连接，用来显示所述直驱永磁水力发电系统的实时工作状态。

在本发明的一个优选实施例中，所述人工指令通过一与水力发电系统主控制器连接的人工指令输入装置进行输入。

在本发明的一个优选实施例中，所述发电量数据通过一与所述水力发电系统主控制器连接的发电量数据输入装置进行输入。

在本发明的一个优选实施例中，所述各类传感信号包括水轮机中的转轮叶片角度信号、直驱永磁发电机转子速度信号、所述水轮机内的机械故障信号、所述直驱永磁发电机内的机械故障信号和电气故障信号、所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路的机械故障信号和电气故障信号、所述变流器的机械故障信号和电气故障信号、所述组合变压器的机械故障信号和电气故障信号以及电网中的机械故障信号和电气故障信号。

在本发明的一个优选实施例中，所述来水检测信号通过设置在在所述水轮机进水管处的水流传感器来获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述水轮机中的转轮叶片角度信号通过设置在水轮机中的转轮叶片上的转轮叶片角度传感器来获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述直驱永磁发电机转子速度信号通过设置在所述直驱永磁发电机的转子上的速度编码器来获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述水轮机内的机械故障信号通过设置在所述水轮机中的若干机械故障检测传感器来获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述直驱永磁发电机内的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述直驱永磁发电机内的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述变流器的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述变流器中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述组合变压器的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述组合变压器中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述电网中的机械故障信号和电气故障信号通过设置在电网中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

在本发明的一个优选实施例中，所述若干机械故障检测传感器为振动传感器、温度传感器、声波传感器、红外传感器中的一种或任意两种以上的组合。

在本发明的一个优选实施例中，所述若干电气故障检测传感器为电压传感器、电流传感器、磁链传感器、速度传感器中的一种或任意两种以上的组合。

在本发明的一个优选实施例中，所述水轮机出力控制器包括水流控制器和水轮机叶片控制器，所述水流控制器用以控制所述水轮机进水管处的阀门开度，所述水轮机叶片控制器用以控制所述水轮机中转轮叶片的角度。

在本发明的一个优选实施例中，所述变流器由发电机侧变流器、平波电感、电网侧变流器、直流环节和滤波环节依次组成；所述变流控制器包括发电机侧变流器控制单元和电网侧变流器控制单元，其中所述发电机侧变流器控制单元用来控制发电机侧变流器，所述电网侧变流器控制单元用来控制电网侧变流器控制单元。

在本发明的一个优选实施例中，所述发电机侧变流器和所述电网侧变流器均采用结构完全相同的三相pwm整流器和逆变器背靠背组成的全功率变流器，所述全功率变流器中的电力电子组件采用igbtz结构。

在本发明的一个优选实施例中，所述发电机侧变流器控制单元采用最大转矩控制及恒定自电压控制策略结合的控制方案来控制所述发电机侧变流器，所述电网侧变流控制单元采用基于电网电压定向的向量控制方案来控制所述电网侧变流器。

在本发明的一个优选实施例中，所述机械保护装置包括设置在所述水轮机的轮转轴上的水轮机机械制动装置和设置在所述直驱永磁发电机的转子轴上的直驱永磁发电机机械制动装置。

在本发明的一个优选实施例中，所述水轮机机械制动装置和直驱永磁发电机机械制动装置均为采用液压作用制动盘式制动装置。

在本发明的一个优选实施例中，所述电气保护装置包括设置在所述直驱永磁发电机的转子轴上的直驱永磁发电机电气制动装置、设置在所述直驱永磁发电机内、所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路、变流器、组合变压器以及电网中的若干电气保护装置。

在本发明的一个优选实施例中，所述直驱永磁发电机电气制动装置为电磁感应式制动装置。

在本发明的一个优选实施例中，所述水轮机为贯流式水轮机。

在本发明的一个优选实施例中，所述贯流式水轮机中的转轮叶片采取水平或倾斜方式布置，与所述贯流式水轮机中的水流方向一致。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：本发明结构较为简单，体积较小，便于安装和检修，提高水电厂单位面积装机容量，提高了系统经济性；采用变流器进行变速恒频调节，提高了发电质量和效率，同时采用大数据云平台故障分析及处理软件，从电气部分和机械部分两方面对本发明进行保护，提高了本发明运行的稳定性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例的结构示意图。

图2为图1的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

如图1所示的一种直驱永磁水力发电系统，包括一水轮机100和一直驱永磁发电机200。水轮机100为贯流式水轮机，并且贯流式水轮机中的转轮叶片120采取水平或倾斜方式布置，与贯流式水轮机中的水流方向一致。

本发明的第一个特点是水轮机100的轮转轴110与直驱永磁发电机200中的转子轴210直接相连，使得整个直驱永磁水力发电系统结构较为简单，体积较小，便于安装和检修，提高水电厂单位面积装机容量，提高了系统经济性。

直驱永磁发电机200输出的电流通过一变流器300和组合变压器400送入电网;水轮机100、直驱永磁发电机200通过一水力发电系统控制装置控制运行。

结合参见图2，本发明的水力发电系统控制装置包括一水力发电系统主控制500，该水力发电系统主控制器500通过采集人工指令510、发电量数据520、各类传感信号530、来水检测信号540并处理后，通过水轮机出力控制装置600来控制水轮机100的出力状态，通过变流控制器700来控制变流器300运行状态，还通过内置的故障分析及处理软件800来控制直驱永磁水力发电系统中各类机械保护装置810和电气保护装置820动作，实现对直驱永磁水力发电系统的保护。

上述水力发电系统主控制器500还与一上位机连接，用来显示直驱永磁水力发电系统的实时工作状态。

上述人工指令510通过一与水力发电系统主控制器连接的人工指令输入装置进行输入。这些人工指令510与现有的水轮发电机组的人工指令基本上相同，限于篇幅在此不再赘述。

上述发电量数据520通过一与水力发电系统主控制器500连接的发电量数据输入装置进行输入。所采用的发电量数据输入装置和所采集的发电量数据520与现有的水轮发电机组的发电量数据输入装置和所采集的发电量数据基本上相同，限于篇幅在此不再赘述。

本发明的各类传感信号530包括水轮机中的转轮叶片角度信号、直驱永磁发电机转子速度信号、所述水轮机内的机械故障信号、所述直驱永磁发电机内的机械故障信号和电气故障信号、所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路的机械故障信号和电气故障信号、所述变流器的机械故障信号和电气故障信号、所述组合变压器的机械故障信号和电气故障信号以及电网中的机械故障信号和电气故障信号。

其中：

水轮机中的转轮叶片角度信号通过设置在水轮机中的转轮叶片上的转轮叶片角度传感器来获取。

直驱永磁发电机转子速度信号通过设置在所述直驱永磁发电机的转子上的速度编码器来获取。

水轮机内的机械故障信号通过设置在所述水轮机中的若干机械故障检测传感器来获取。

直驱永磁发电机内的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述直驱永磁发电机内的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

变流器的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述变流器中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

组合变压器的机械故障信号和电气故障信号通过设置在所述组合变压器中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

电网中的机械故障信号和电气故障信号通过设置在电网中的若干机械故障检测传感器和若干电气故障检测传感器来分别获取。

上述机械故障检测传感器和电气故障检测传感器均为一些通用的机械故障检测传感器和电气故障检测传感器，例如机械故障检测传感器为振动传感器、温度传感器、声波传感器、红外传感器中的一种或任意两种以上的组合。电气故障检测传感器为电压传感器、电流传感器、磁链传感器、速度传感器中的一种或任意两种以上的组合。这些机械故障检测传感器和电气故障检测传感器的设置位置可以参考水轮发电机组和风力发电机组来设置，也可以根据需要来设置。这些为本领域技术人员所熟知，限于篇幅在此不再赘述。另外故障分析及处理软件如何利用这些采集人工指令510、发电量数据520、各类传感信号530、来水检测信号540来控制机械保护装置810和电气保护装置820动作为本领域技术人员所熟知，完全可以从现有的水轮发电机组和风力发电机组来获取，限于篇幅在此不再赘述。

本发明的来水检测信号540通过设置在在水轮机进水管处的水流传感器来获取。至于如何设置与现有的水轮发电机组没有什么区别，限于篇幅在此不再赘述。

本发明的水轮机出力控制器600包括水流控制器610和水轮机叶片控制器620，水流控制器610用以控制水轮机进水管处的阀门开度，水轮机叶片控制器620用以控制水轮机中转轮叶片的角度。至于如何控制与现有的水轮发电机组没有什么区别，限于篇幅在此不再赘述。

本发明的变流器300由发电机侧变流器、平波电感、电网侧变流器、直流环节和滤波环节依次组成；变流控制器700包括发电机侧变流器控制单元和电网侧变流器控制单元，其中发电机侧变流器控制单元用来控制发电机侧变流器，所述电网侧变流器控制单元用来控制电网侧变流器控制单元。

本发明的第二个特点在于，发电机侧变流器和电网侧变流器均采用结构完全相同的三相pwm整流器和逆变器背靠背组成的全功率变流器，所述全功率变流器中的电力电子组件采用igbtz结构。

本发明第三个特点是：发电机侧变流器控制单元采用最大转矩控制及恒定自电压控制策略结合的控制方案来控制发电机侧变流器，电网侧变流控制单元采用基于电网电压定向的向量控制方案来控制电网侧变流器。

本发明的机械保护装置包括设置在水轮机的轮转轴上的水轮机机械制动装置和设置在所述直驱永磁发电机的转子轴上的直驱永磁发电机机械制动装置。水轮机机械制动装置和直驱永磁发电机机械制动装置均为采用液压作用制动盘式制动装置。

本发明的电气保护装置包括设置在所述直驱永磁发电机的转子轴上的直驱永磁发电机电气制动装置、设置在所述直驱永磁发电机内、所述直驱永磁发电机与所述变流器之间输电线路、变流器、组合变压器以及电网中的若干电气保护装置。直驱永磁发电机电气制动装置为电磁感应式制动装置。

在本实施例中，故障分析及处理软件800基于大数据云平台数据库，结合水力发电系统主控制器500采集的各类传感信号530，进行相应故障特征信号提取，进行故障分析诊断并采取相应措施。至于如何进行相应故障特征信号提取和进行故障分析诊断为本领域技术人员所熟知，完全可以从现有的水轮发电机组和风力发电机组来获取，限于篇幅在此不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。