一种变频永磁水力发电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变频永磁水力发电系统及其控制方法，系统结构简单，体积较小，便于水力发电系统安装和检修，提高水电厂单位面积装机容量，提高了系统经济性，采用矩阵变换器进行变速恒频调节，提高了系统的发电质量和效率，实现变频永磁水力发电系统的机械、电气两个层面的闭环自动控制实现了必备的硬件体系结构，从电气和机械两方面进行保护，提高了机组运行的稳定性和安全性；本发明专利技术变频永磁水力发电系统结的控制方法包括出力控制的步骤，通过进行水轮机处理控制，通过转轮叶片综合控制器随时调节水轮机叶片位置，并启动水流量综合控制器选择最优水量来控制水轮机出力，能够在保证获取最大能量同时减小水流对水力发电系统的冲击。

【技术实现步骤摘要】
一种变频永磁水力发电系统及其控制方法
本专利技术涉及水力发电技术，具体涉及一种变频永磁水力发电系统及其控制方法。
技术介绍
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，尤其针对中小型水力发电系统在低水位、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，另外传统水力发电需要安装电励磁绕组及配套的励磁装置，大大限制了电机结构的灵活性，采取齿轮箱结构降低了发电效率并增加故障风险。此外，总体而言目前水能自动管理控制系统技术发展缓慢，大部分水力系统控制自动化技术并未得到及时提升，控制自动化系统使用率不高，控制效率低下且开放性不足，故障自动处理能力较差，缺乏容错能力。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种变频永磁水力发电系统及其控制方法，本专利技术变频永磁水力发电系统结构简单，体积较小，便于水力发电系统安装和检修，提高水电厂单位面积装机容量，提高了系统经济性，采用矩阵变换器进行变速恒频调节，提高了系统的发电质量和效率，实现变频永磁水力发电系统的机械、电气两个层面的闭环自动控制实现了必备的硬件体系结构，从电气部分和机械部分两方面对该水力发电系统进行保护，提高了机组运行的稳定性和安全性；本专利技术变频永磁水力发电系统结的控制方法包括出力控制的步骤，通过进行水轮机处理控制，通过转轮叶片综合控制器随时调节水轮机叶片位置，并启动水流量综合控制器选择最优水量来控制水轮机出力，能够在保证获取最大能量同时减小水流对水力发电系统的冲击。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种变频永磁水力发电系统，其特征在于：包括依次相连的水轮机、发电机、矩阵变换器、变压器、机械保护装置、电气保护装置和主控制单元，所述水轮机的水流入口侧设有水流量综合控制器，所述水轮机上设有用于控制叶片的转轮叶片综合控制器，所述水轮机的主轴上安装有机械制动装置和机械信号检测单元，所述发电机的主轴上安装有电气制动装置且输出端安装有电气信号检测单元，所述机械制动装置和机械保护装置相连，所述电气制动装置和电气保护装置相连，所述机械信号检测单元、电气信号检测单元的输出端分别与主控制单元相连，所述主控制单元的输出端分别与水流量综合控制器、转轮叶片综合控制器、机械保护装置、电气保护装置以及矩阵变换器的矩阵变换控制器相连。本专利技术还提供一种前述变频永磁水力发电系统的控制方法，包括进行水轮机处理控制的步骤，详细实施步骤包括：A1)采集发电量需求P0、水轮机的来水量、发电机的转子速度信号，将水轮机(1)的来水量换算为水流流速V，根据发电机的转子速度信号确定水轮机的叶轮机速度ω，并根据叶轮机速度ω、水流流速V计算得到叶尖速比λ；根据发电量需求P0换算得到叶尖速比最佳参考值λopt；A2)计算水轮机能够获取的能量P；A3)判断发电量需求P0大于水轮机能够获取的能量P是否成立，如果成立则跳转执行步骤A4)；否则，跳转执行步骤A5)；A4)判断判断发电量需求P0是否超过变频永磁水力发电系统的调节能力，如果没有超过变频永磁水力发电系统的调节能力，则通过水流量综合控制器调节水轮机的进水量，然后跳转执行步骤A5)；否则执行水轮机出力异常报警并退出。A5)计算叶尖速比λ、叶尖速比最佳参考值λopt之间的差值得到叶尖速比差值Δλ，根据叶尖速比差值Δλ判断通过调节叶轮桨距角是否能够达到最佳出力，当0＜|Δλ|≤λmax时判定通过调节叶轮桨距角能够达到最佳出力，λmax为水流量综合控制器最大调节能力下能达到的叶尖速比，则启动转轮叶片综合控制器进行叶轮位置调节，根据发电量需求P0换算得到叶尖速比最佳参考值λopt以及最优获能系数CP.opt(λ，β)，并根据最优获能系数CP.opt(λ，β)和叶尖速比最佳参考值λopt计算最优叶片桨距角βopt，将最优叶片桨距角βopt与当前的桨距角β进行差值计算得到桨距角偏差Δβ，通过转轮叶片综合控制器根据桨距角偏差Δβ来调节水轮机的叶轮位置；否则执行水轮机出力异常报警并退出。优选地，步骤A1)中根据叶轮机速度ω、水流流速V计算得到叶尖速比λ的函数表达式如式(1)所示；λ＝ωR/V(1)式(1)中，ω表示水轮机的叶轮机速度，R表示水轮机的叶轮机轮转半径，V表示水流流速。优选地，步骤A2)中计算水轮机能够获取的能量P的函数表达式如式(2)所示；P＝0.5ρV3πR2CP(λ，β)(2)式(2)中，ρ表示水的密度，V表示水流流速，R表示水轮机的叶轮机轮转半径，λ表示叶尖速比，β表示叶片桨距角，CP(λ，β)表示获能系数。优选地，步骤A5)中根据发电量需求P0换算得到叶尖速比最佳参考值λopt的函数表达式如式(3)所示；式(3)中，R表示水轮机的叶轮机轮转半径，P0表示发电量需求，V表示水流流速，η为水轮发电机发电效率，为励磁绕组磁链，is为定子等效电流，α为转子位置角。优选地，步骤A5)中根据发电量需求P0换算得到最优获能系数CP.opt(λ，β)的函数表达式如式(4)所示；CP.opt(λ，β)＝(P0/η)/0.5ρV3πR2(4)式(4)中，P0表示发电量需求，η为水轮发电机发电效率，ρ表示水的密度，V表示水流流速，R表示水轮机的叶轮机轮转半径，λ表示叶尖速比，β表示叶片桨距角。优选地，步骤A5)中根据最优获能系数CP.opt(λ，β)和叶尖速比最佳参考值λopt计算最优叶片桨距角βopt的函数表达式如式(5)所示；式(5)中，CP.opt(λ，β)表示最优获能系数，σ表示水能捕获系数，βopt表示最优叶片桨距角，λ表示叶尖速比，β表示叶片桨距角，λi为中间变量且函数表达式如式(6)所示；式(6)中，λopt表示叶尖速比最佳参考值，βopt表示最优叶片桨距角。优选地，控制方法还包括进行故障判断控制的步骤，详细实施步骤包括：B1)主控制单元分别通过机械信号检测单元和电气信号检测单元采集检测机械测量信号及电气测量信号，所述机械测量信号及电气测量信号包括发电机振动信号、温度信号、声波信号、电气测量信号、发电机定子电压信号、发电机定子电流信号、磁链信号、发电机位置信号、发电机速度信号；B2)针对所述机械测量信号及电气测量信号进行时域分析和频域分析，提取特征信号频率、幅值、相位，然后进行功率谱估计；B3)将估计得到的功率谱和给定的标定功率谱进行对比，如果两者一致则判定系统正常，跳转执行步骤B1)；否则判定系统故障，并跳转执行步骤B4)；B4)提取特征信号频率、幅值、相位的多种指定的特征信息，将提取得到的多种特征信息输入机器学习故障检测模型进行故障检测，从而确定变频永磁水力发电系统当前的故障信息，所述机器学习故障检测模型被训练包含多种特征信息及其对应的故障之间的映射关系。优选地，步骤B4)中所述多种指定的特征信息包括时间特征、密度特征、特征信号种类、模式特征、指定关键性能指标数据的特性矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变频永磁水力发电系统，其特征在于：包括依次相连的水轮机(1)、发电机(2)、矩阵变换器(3)、变压器(4)、机械保护装置(5)、电气保护装置(6)和主控制单元(7)，所述水轮机(1)的水流入口侧设有水流量综合控制器(11)，所述水轮机(1)上设有用于控制叶片的转轮叶片综合控制器(12)，所述水轮机(1)的主轴上安装有机械制动装置(13)和机械信号检测单元(14)，所述发电机(2)的主轴上安装有电气制动装置(21)且输出端安装有电气信号检测单元(22)，所述机械制动装置(13)和机械保护装置(5)相连，所述电气制动装置(21)和电气保护装置(6)相连，所述机械信号检测单元(14)、电气信号检测单元(22)的输出端分别与主控制单元(7)相连，所述主控制单元(7)的输出端分别与水流量综合控制器(11)、转轮叶片综合控制器(12)、机械保护装置(5)、电气保护装置(6)以及矩阵变换器(3)的矩阵变换控制器(31)相连。

【技术特征摘要】
1.一种变频永磁水力发电系统，其特征在于：包括依次相连的水轮机(1)、发电机(2)、矩阵变换器(3)、变压器(4)、机械保护装置(5)、电气保护装置(6)和主控制单元(7)，所述水轮机(1)的水流入口侧设有水流量综合控制器(11)，所述水轮机(1)上设有用于控制叶片的转轮叶片综合控制器(12)，所述水轮机(1)的主轴上安装有机械制动装置(13)和机械信号检测单元(14)，所述发电机(2)的主轴上安装有电气制动装置(21)且输出端安装有电气信号检测单元(22)，所述机械制动装置(13)和机械保护装置(5)相连，所述电气制动装置(21)和电气保护装置(6)相连，所述机械信号检测单元(14)、电气信号检测单元(22)的输出端分别与主控制单元(7)相连，所述主控制单元(7)的输出端分别与水流量综合控制器(11)、转轮叶片综合控制器(12)、机械保护装置(5)、电气保护装置(6)以及矩阵变换器(3)的矩阵变换控制器(31)相连。2.一种权利要求1所述变频永磁水力发电系统的控制方法，其特征在于，包括进行水轮机处理控制的步骤，详细实施步骤包括：A1)采集发电量需求P0、水轮机(1)的来水量、发电机(2)的转子速度信号，将水轮机(1)的来水量换算为水流流速V，根据发电机(2)的转子速度信号确定水轮机(1)的叶轮机速度ω，并根据叶轮机速度ω、水流流速V计算得到叶尖速比λ；A2)计算水轮机(1)能够获取的能量P；A3)判断发电量需求P0大于水轮机(1)能够获取的能量P是否成立，如果成立则跳转执行步骤A4)；否则，跳转执行步骤A5)；A4)判断判断发电量需求P0是否超过变频永磁水力发电系统的调节能力，如果没有超过变频永磁水力发电系统的调节能力，则通过水流量综合控制器(11)调节水轮机(1)的进水量，然后跳转执行步骤A5)；否则执行水轮机出力异常报警并退出。A5)计算叶尖速比λ、叶尖速比最佳参考值λopt之间的差值得到叶尖速比差值Δλ，根据叶尖速比差值Δλ判断通过调节叶轮桨距角是否能够达到最佳出力，当0＜|Δλ|≤λmax时判定通过调节叶轮桨距角能够达到最佳出力，λmax为水流量综合控制器(11)最大调节能力下能达到的叶尖速比，则启动转轮叶片综合控制器(12)进行叶轮位置调节，根据发电量需求P0换算得到叶尖速比最佳参考值λopt以及最优获能系数CP.opt(λ，β)，并根据最优获能系数CP.opt(λ，β)和叶尖速比最佳参考值λopt计算最优叶片桨距角βopt，将最优叶片桨距角βopt与当前的桨距角β进行差值计算得到桨距角偏差Δβ，通过转轮叶片综合控制器(12)根据桨距角偏差Δβ来调节水轮机(1)的叶轮位置；否则执行水轮机出力异常报警并退出。3.根据权利要求2所述变频永磁水力发电系统的控制方法，其特征在于，步骤A1)中根据叶轮机速度ω、水流流速V计算得到叶尖速比λ的函数表达式如式(1)所示；λ＝ωR/V(1)式(1)中，ω表示水轮机(1)的叶轮机速度，R表示水轮机(1)的叶轮机轮转半径，V表示水流流速。4.根据权利要求2所述变频永磁水力发电系统的控制方法，其特征在于，步骤A2)中计算水轮机(1)能够获取的能量P的函数表达式如式(2)所示；P＝0.5ρV3πR2CP(λ，β)(2)式(2)中，ρ表示水的密度，V表示水流流速，R表示水轮机(1)的叶轮机轮转半径，λ表示叶尖速比，β表示叶片桨距角，CP(λ，β)表示获能系数。5.根据权利要求2所述变频永磁水力发电系统的控制方法，其特征在于，步骤A5)中根据发电量需求P0换算得到叶尖速比最佳参考值...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，龙卓，吕铭晟，罗德荣，吴公平，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43