專利名稱：一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及變速發(fā)電系統(tǒng)，具體涉及一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組。
背景技術：
可再生能源所具有的取之不盡、用之不竭、不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)的特點決定了 在保證未來人類社會永續(xù)發(fā)展中必然扮演重要角色。積極促進可再生能源技術的開發(fā)利 用，是優(yōu)化能源結構，保障能源安全，緩解能源利用造成的環(huán)境污染，促進能源與經(jīng)濟、能源 與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要的選擇，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的 重要途徑。變速水力發(fā)電技術是可再生能源應用中關鍵技術，可用于低水頭發(fā)電、潮汐發(fā)電 等領域。同時在抽水蓄能機組的應用上也有很好的前途。對于我國來說，部分河流含泥沙 量高，在發(fā)電過程中不可避免地會出現(xiàn)機組效率低，氣蝕和泥沙磨損大的問題。變速發(fā)電技 術可使水輪機能始終在最優(yōu)工況下運行，提高機組的綜合效率，擴大了由水頭變化影響機 組的運行范圍；減少水輪機葉片的氣蝕和泥沙磨損，延長機組壽命。具備深度吸收無功能 力，能快速進行無功調(diào)節(jié)和補償，它能改進電力系統(tǒng)的有功、無功調(diào)節(jié)，自動頻率控制和穩(wěn) 定性，提高了電網(wǎng)質(zhì)量及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。抽水蓄能水庫、季節(jié)性河流電站、潮汐發(fā)電站 在運行時，動力機輸入功率波動較大，導致不同時間段發(fā)電機工作負荷變化較大，當發(fā)電機 與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求電能的頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，即頻率保持恒定。采用變速發(fā)電 技術能夠有效地解決上述問題，實現(xiàn)高效、清潔的能源利用。目前應用于變速發(fā)電較普遍的技術是雙饋異步調(diào)速發(fā)電技術(又稱異步化同步 電機、交流勵磁電機)，其基本思想是將繞線式異步電機的定子繞組接入工頻電源，在轉(zhuǎn) 子回路串入附加電勢，調(diào)節(jié)附加電勢的頻率，幅值，相位，相序，就可以調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn) 矩，轉(zhuǎn)速和電機定子側的無功功率。根據(jù)矢量變換原理和負載特性，適當選擇定向矢量和坐 標軸系，可以建立各種形式的雙饋電機調(diào)速控制系統(tǒng)。但是，由于雙饋調(diào)速發(fā)電技術采用繞線式異步電機的定子繞組實現(xiàn)變速發(fā)電，其 功率分配比受到繞線圈數(shù)的限制而不能隨便調(diào)節(jié)，同時，其調(diào)節(jié)效果受電網(wǎng)影響大，電壓波 動大，導致發(fā)電功率損失大。另外，采用異步電機和電刷連接，大大提高變速發(fā)電機組的造 價。電刷的可靠性問題成為限制該技術推廣應用主要瓶頸問題。故目前國內(nèi)外最新研究趨勢是開發(fā)無刷雙饋調(diào)速電機。無刷雙饋調(diào)速電機由兩個 繞線式異步電機組成，兩者的轉(zhuǎn)子在機械保持剛性連接，繞組相互串聯(lián)。其中轉(zhuǎn)子繞組中的 勵磁電流受第二繞線式異步電機定子繞組電流變化感生而成，因此在無需電刷的條件下實 現(xiàn)了雙饋電機的變速控制功能。但無刷雙饋調(diào)速電機電磁轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過多，影響了系統(tǒng)整體 效率。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，該機組不僅具備在較大速比范圍內(nèi)高效地實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電功能， 而且易于實現(xiàn)無刷運行方案，提高系統(tǒng)可靠性，又可采用較小容量的變頻器，降低系統(tǒng)成 本，本發(fā)明不僅可以運用在水輪發(fā)電領域，還可以運用于汽輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組、內(nèi) 燃機發(fā)電機組等。本實用新型的具體方案如下一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，包括水輪機、減速裝置與行星齒輪排、 定速發(fā)電機、調(diào)速電機和變頻器；其中減速裝置與行星齒輪排包含減速齒輪對、太陽輪、行 星架、齒圈；定速發(fā)電機包括定子、轉(zhuǎn)子；調(diào)速電機包括定子、轉(zhuǎn)子；水輪機通過第一軸及減 速齒輪對與行星架聯(lián)接；調(diào)速電機轉(zhuǎn)子通過第二軸與太陽輪聯(lián)接，定速電機轉(zhuǎn)子通過第三 軸與齒圈聯(lián)接；定速發(fā)電機定子上設置三相繞組直接與電網(wǎng)連接；調(diào)速電機定子內(nèi)設置三 相繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連。上述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，水輪機輸入的機械功率被分為兩路， 一路經(jīng)定速發(fā)電機被直接送往電網(wǎng)，一路通過調(diào)速電機-變頻器環(huán)節(jié)經(jīng)變頻變壓后送往電 網(wǎng)。上述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其定速發(fā)電機與調(diào)速電機為繞線式異 步電機、鼠籠式異步電機、單相交流電機、多相交流電機、同步電機、直流電機、開關磁阻電 機或永磁電機。上述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其變頻器可能根據(jù)調(diào)速電機類型的不 同變換為其他類型功率變換器，包括交-交變換器，交-直-交變換器，直-交變換器等。上述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，水輪機與功率分匯流裝置相聯(lián)接的第 一軸，以及調(diào)速電機與功率分匯流裝置相聯(lián)接的第二軸，以及定速發(fā)電機與功率分匯流裝 置相聯(lián)接的第三軸為其它傳動類型，包括齒輪傳動、無級機械傳動、液壓傳動、液力傳動或 電氣傳動。上述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其水輪機為原動機，所述原動機可為 汽輪機、風力機或內(nèi)燃機。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下有益效果第一，本方案中水輪機功率的主要部分通過高效率的直接回路送到發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)?電能送往電網(wǎng)，效率得到明顯提高。第二，本方案中經(jīng)調(diào)速電機-變頻器的電傳動分路功率容量視調(diào)速范圍而定，一 般只有發(fā)電機額定容量的幾分之一。調(diào)速電機與電力電子元器件的功率容量可小于發(fā)電機 額定功率容量，有助于降低系統(tǒng)整體成本。第三，在無需電刷的條件下實現(xiàn)了變速發(fā)電功能，簡化了發(fā)電機組結構，降低了系 統(tǒng)的故障率，提高了運轉(zhuǎn)可靠性。第四，本方案中發(fā)電機與電網(wǎng)連接簡單，無需通過電力電子裝置。如果采用了同步 發(fā)電機，容易實現(xiàn)平滑的電功率輸出，相對于異步電機，有利于調(diào)節(jié)功率因素，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi) 的電網(wǎng)質(zhì)量。

圖1為基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組結構示意圖。
4[0021]其中有1_水輪機；2-減速裝置與行星齒輪排(包括20-減速齒輪對，21-太陽 輪，22-行星架，23-齒圈)，3-定速發(fā)電機(包括31-定子，32-轉(zhuǎn)子)，4-調(diào)速電機(包括 41-定子，42-轉(zhuǎn)子)，5-變頻器，6-第一軸(即水輪機與行星架的聯(lián)接軸)；7-第二軸(即 調(diào)速電機與太陽輪的聯(lián)接軸)；8-第三軸(即定速電機與齒圈的聯(lián)接軸)，9_電網(wǎng)。圖2為基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組的衍生方案示意圖。
具體實施方式
以下結合本說明書的各附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細說明。本說明書各 附圖中出現(xiàn)的相同零部件均采用同一標記。基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組方案如圖1所示，主要由五個部分組成該 系統(tǒng)包括水輪機1、減速裝置與行星齒輪排2、定速發(fā)電機3，調(diào)速電機4，變頻器5五個部 分；其中減速裝置與行星齒輪排2包含減速齒輪對20、太陽輪21、行星架22、齒圈23 ；定速 發(fā)電機3包括定子31、轉(zhuǎn)子32 ；調(diào)速電機4包括定子41、轉(zhuǎn)子42 ；水輪機2通過第一軸6及 減速齒輪對20與行星架22聯(lián)接；調(diào)速電機轉(zhuǎn)子42通過第二軸7與太陽輪21聯(lián)接，定速電 機轉(zhuǎn)子32通過第三軸8與齒圈23聯(lián)接；定速發(fā)電機定子31上設置三相繞組直接與電網(wǎng)9 連接；調(diào)速電機定子41內(nèi)設置三相繞組通過變頻器與電網(wǎng)9相連。功率分匯流裝置核心是由一個太陽輪，一個齒圈，若干個安裝在行星架上的行星 齒輪組成的行星齒輪排。對于兩自由度單行星排，各元件之間轉(zhuǎn)速特性方程式如下nt+Knq-(l+K)nj = 0nt為太陽輪轉(zhuǎn)速，nq為齒圈轉(zhuǎn)速，Hj為行星架轉(zhuǎn)速，K為單行星排齒圈齒數(shù)和太陽 輪齒數(shù)之比，稱為行星排特性參數(shù)。單行星排轉(zhuǎn)速關系式是三元一次齊次方程式，一個方程式，三個未知數(shù)，這反映了 單行星排是雙自由度機構。當原動機轉(zhuǎn)速提高時，行星架轉(zhuǎn)速Iij隨之升高Δη ；如隨之調(diào)整調(diào)速電機轉(zhuǎn)速，使 太陽輪轉(zhuǎn)速nt降低(1+Κ) Δη，則齒圈轉(zhuǎn)速 可以仍然保持不變。當原動機轉(zhuǎn)速降低時，反 之升高伺服調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速以保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變。使得在不同原動機轉(zhuǎn)速條件下，發(fā) 電機都可以穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速點運行。因為行星齒輪組的各軸的速度可以任意調(diào)整，所以動力機，定速發(fā)電機，調(diào)速電機 的轉(zhuǎn)速可以相互協(xié)調(diào)。任一者的速度可以用其他兩者來表達。這樣，按照設計要求，動力轉(zhuǎn) 輪速度具有時變性，定速電機速度保持恒定，相應地，只需調(diào)節(jié)好調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速就可以實 現(xiàn)變速恒頻并網(wǎng)發(fā)電了。在優(yōu)化組合情況下，系統(tǒng)輸入功率的85%直接作用于發(fā)電機，而 15%流經(jīng)伺服調(diào)速電機。功率分匯流技術應用于變速發(fā)電，采用行星齒輪取代繞線和電刷實現(xiàn)功率的有效 分配，可以根據(jù)實際的需要而調(diào)節(jié)不同的功率分匯流比例。同時，新方案中發(fā)電機可采用傳 統(tǒng)同步電機或者異步電機，使電機的選擇更有余地，這樣，可以大大降低變速發(fā)電機組的的 造價。其次，使用行星齒輪分匯功率，可以使功率分匯流更加高效，準確，降低變速發(fā)電機組 受電網(wǎng)影響程度和功率損失程度，減少電壓的峰谷差，從而實現(xiàn)高效發(fā)電。以上闡述本發(fā)明 基本型的工作原理。根據(jù)不同使用要求和特點，本發(fā)明的具體實施方案可繁可簡，由基本型 可派生出多種衍生方案。下面列舉了若干衍生方案作為例子，結合這些實施例進一步對本發(fā)明做更詳細的說明。衍生實施例衍生方案之一，如圖2所示，基本結構與基本實施例方案相同，水輪機與分匯流裝 置通過變速齒輪箱IOc傳動；調(diào)速電機與分匯流裝置通過變速齒輪箱IOb傳動；定速電機 與分匯流裝置通過變速齒輪箱IOa傳動。通過不同齒輪箱的變速作用，可以調(diào)整適配于不 同工作轉(zhuǎn)速條件的電機與原動機，進一步提高工作效率。
權利要求一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其特征在于包括水輪機(1)、減速裝置與行星齒輪排(2)、定速發(fā)電機(3)，調(diào)速電機(4)和變頻器(5)；其中減速裝置與行星齒輪排(2)包含減速齒輪對(20)、太陽輪(21)、行星架(22)、齒圈(23)；定速發(fā)電機(3)包括定子(31)、轉(zhuǎn)子(32)；調(diào)速電機(4)包括定子(41)、轉(zhuǎn)子(42)；水輪機(1)通過第一軸(6)及減速齒輪對(20)與行星架(22)聯(lián)接；調(diào)速電機轉(zhuǎn)子(42)通過第二軸(7)與太陽輪(21)聯(lián)接，定速電機轉(zhuǎn)子(32)通過第三軸(8)與齒圈(23)聯(lián)接；定速發(fā)電機定子(31)上設置三相繞組直接與電網(wǎng)(9)連接；調(diào)速電機定子(41)內(nèi)設置三相繞組通過變頻器(5)與電網(wǎng)(9)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其特征在于定速發(fā)電機 (3)與調(diào)速電機(4)為繞線式異步電機、鼠籠式異步電機、單相交流電機、多相交流電機、同 步電機、直流電機、開關磁阻電機或永磁電機。
3.根據(jù)權利要求2所述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其特征在于所述第一軸 (6)、第二軸(7)和第三軸(8)各自由齒輪傳動、無級機械傳動、液壓傳動、液力傳動或電氣 傳動代替。
4.根據(jù)權利要求3所述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其特征在于水輪機(1) 為原動機，所述原動機為汽輪機、水輪機或內(nèi)燃機。
5.根據(jù)權利要求1 4任一項所述基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，其特征在于 所述變頻器由交_交變換器，交-直_交變換器或直_交變換器代替。專利摘要本實用新型公開一種基于功率分匯流的變速水力發(fā)電機組，包括水輪機、減速裝置與行星齒輪排、定速發(fā)電機、調(diào)速電機和變頻器；行星齒輪排包含齒圈、太陽輪、行星架；水輪機通過第一軸及減速齒輪與行星齒輪排的行星架聯(lián)接；調(diào)速電機轉(zhuǎn)子通過第二軸與與行星齒輪排的太陽輪聯(lián)接，定速電機轉(zhuǎn)子通過第三軸與與行星齒輪排的齒圈聯(lián)接；調(diào)速電機定子內(nèi)設置三相繞組與通過變頻器與電網(wǎng)相連；定速發(fā)電機定子上設置三相繞組與電網(wǎng)直接連接。本發(fā)電機組能夠向電網(wǎng)提供穩(wěn)定頻率電功率，電能傳輸效率高，電傳動分路的功率容量可小于發(fā)電機額定容量；調(diào)速電機與電力電子元器件的功率容量要求低，有助于減少整機成本。
文檔編號F03B13/00GK201753653SQ20102027194
公開日2011年3月2日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權日2010年7月23日
發(fā)明者李朝茂, 趙克剛 申請人:華南理工大學