一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法，水电机组综合控制系统，包括(1)水轮机系统，(2)发电机系统和(3)外围传感器；水轮机系统包括：水轮机、导叶调速机构和刹车装置；发电机系统包括：BDFM、BDFM控制器，以及系统内部的传感器设备(包括速度传感器，电压、电流传感器等)；外围传感器用于检查外部参数；BDFM控制器基于所述的综合控制方法对水电机组实施控制。该基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法易于实施，能控制水电机组工作在最优工况点。

An integrated control system and method for hydropower generating units based on brushless doubly fed machine

The invention discloses a comprehensive control system and method based on brushless doubly fed machine, a hydroelectric unit integrated control system, including (1) water turbine system, (2) generator system and (3) peripheral sensors, and the turbine system includes: water turbine, guide blade speed regulation mechanism and brake device; the generator system includes: BDFM, B The DFM controller, as well as the sensor equipment within the system (including speed sensor, voltage, current sensor, etc.); the peripheral sensor is used to check the external parameters; the BDFM controller is based on the comprehensive control method described in the control of the hydroelectric unit. The integrated control system and method of Brushless Doubly Fed Machine Based on brushless doubly fed machine are easy to implement, and can control the operation of hydropower units at the optimal operating point.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法
本专利技术涉及一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法。
技术介绍
目前，水力发电领域，常规的方案是采用同步发电机，机组正常运行时，为了维持输出电压频率的稳定，发电机的转速不能够改变，这样就导致一旦机组的运行工况偏离当初设计的最优工况时(例如工作水头、流量或负载发生变化)，机组就容易偏离最优工况点运行，从而造成一定的水资源的浪费。为了解决上述的问题，很多中大型的发电机组采用变桨式水轮机，当机组的运行工况发生变化时，通过调节水轮机的桨距从而保证水轮机工作在高效率区，但是变桨距水轮机需要增加油压装置和调节装置，投资、维护成本会有一定的增加，此外受限于水轮机的体积，通常微小型的水轮机不宜做成变桨距的结构。双馈电机(包括有刷双馈和无刷双馈)发电技术获得推广之后，有人将相关技术引入至水力发电领域，从而实现了变速恒频的水力发电，该项技术单独应用时，可以提高水电机组变工况下的效率，并能有效改善输出的电能质量，同时，该项技术也能够和其他的增效措施(如变桨技术)综合使用，从而可以更大幅度的提升机组的效率。从目前已公布的专利来看，为数不多的专利阐述了无刷双馈发电技术在水力发电领域的应用，但是只是论述了无刷双馈发电机调速系统的构成及变速的原理、方法(怎么实现变速)，没有对整个发电系统的组成做论述，也没有论述无刷双馈发电系统变速的原则(什么情况下该变速，速度是变高还是变低，变高或变低多少合适)。关于无刷双馈发电控制装置的专利很多，从专利的数量来看主要应用领域是风力发电、船舶轴带发电，在水力发电领域的应用较少，经检索，发现两篇比较相近且有代表性的专利，其一：一种用于水力发电的变速恒频发电机的控制装置，申请号：201120387798.1，授权公告号：CN202261153U；其二：基于无刷双馈电机的变速恒频发电控制装置及发电方法，申请号：201410292442.8，申请公布号：CN104052356A。专利1：201120387798.1。该专利系统如下图所示：1、水轮机，2、无刷异步发电机(该专利包含无刷双馈和有刷双馈)，3、4、5、6、7、10为控制器内容，8、光电编码器(用来检测发电机的转速)，9、微机调速器(用来调节水轮机的导叶开度)，11、导叶(水轮机导叶，水轮机装置的一部分)。该专利描述比较简单，重点描述了系统的构成和大致的工作原理。系统构成的描述是参照上图，将具体数字代表的设备逐一解释，以及说明各自在系统之间的联系。工作原理方面重点描述了有刷双馈的“变速恒频”的实现原理(无刷双馈和有刷双馈的原理类似)，通过调节有刷双馈的转子绕组频率，一方面保证定子绕组输出电能频率的稳定，另一方面可以改变发电机的转速，从而实现变频恒频发电。该专利涉及到的装置和描述的重点都是发电机的控制，水轮机导叶控制略有描述，就是当检测发电机转速过高时，通过调节导叶使发电机工作在正常转速范围以内，专利涉及到的装置不是针对整个发电系统(发电系统包括发电机、水轮机、引水装置等)的检测和控制，因此也没有阐述整个系统的组成和工作过程。此外，该专利虽然阐述了怎样调速，但并未阐述系统变速的原则(什么情况下该变速，速度是变高还是变低，变高或变低多少合适)。专利2：201410292442.8，系统组成如下图所示，系统的大致组成和工作原理和专利1基本差不多，文章重点阐述了发电控制方法，即系统是通过检测哪些信号，然后通过怎样的算法处理，从而到达控制双馈发电机转速的目的。该文献阐述的内容在“怎样对双馈发电机调速”这个方面和其他类似专利，以及本专利的有关内容都是类似的。同专利1一样，该专利针对的是双馈发电机，设计的装置也是发电机控制装置，而不是针对整个发电系统，同样也没有阐述系统变速的原则(系统的架构没有检测工况变化的装置，也没有判断工况变化该怎么调节转速的装置和方法，所以它不具备这样的能力)。BDFM：无刷双馈电机(BrushlessDoubleFedMachine)。前文已经论述常规水力发电采用同步发电机，由于正常运行时转速不可调，所以当运行工况发生变化，机组容易偏移最优工况点运行，其次电能质量也容易受到发电机转速的影响。将双馈发电技术(不管是无刷双馈还是有刷双馈)引入水力发电领域，当水电机组运行工况发生变化时，通过改变发电机的转速不但能够提高水电机组的发电效率、而且改善了电能质量。国内已有相关专利描述双馈电机的发电装置及相关控制技术，从搜寻的专利来看，大部分的专利应用领域集中在风力发电，唯独搜寻到一个专利是应用在水力发电领域的(专利1：201120387798.1)，上面也阐述了相关相近专利的缺陷，如下。首先，这些专利详述了双馈发电机控制系统的组成和变速恒频的控制方法，但是描述的都是针对双馈发电机的控制，阐述的内容也仅仅是怎样控制双馈发电机的变速，这些专利缺少站在整个发电系统的角度来设计方案和控制方法，这些专利中提到的方案和控制方法不能够联合引水系统、水轮机装置，发电机装置协调控制。其次，由于第一条原因，这些专利设计的方案受到系统构成的局限，没有检测外界工况变化的装置，以及怎样变速的控制方法，这些专利没有涉及到双馈发电机组变速的原则(什么情况下该变速，速度是变高还是变低，变高或变低多少合适)。因此，有必要设计一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法，该基于无刷双馈电机的水电机组综合控制系统及方法易于实施，且运行效率高。专利技术的技术解决方案如下：一种基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，包括(1)开机控制、(2)运行控制和(3)关机控制；(1)开机控制包括：(11)手动开机控制；(12)自动开机控制；(2)运行控制为基于最优工况点跟踪算法的控制；(3)关机控制包括：(31)手动/自动关机控制；(32)故障关机。关机过程为现有成熟技术。手动开机控制过程为：步骤11-1：人工检查，排除故障；步骤11-2，判断系统自检是否正常(备妥等是否点亮)，若是则进入下一步，否则返回步骤11-1；步骤11-3，(通过触摸屏或按键等)设定并网转速，并发出开机指令(通过触摸屏或按键实现)；步骤11-4：启动调速器打开导叶；步骤11-5：判断导叶开度是否到达预定值或转速到达预定值，是则进入下一步，否则返回到步骤11-4；对步骤11-5的说明：转速在程序中设置，通常要大于或等于同步转速，如果11-3设置的并网转速大于同步转速，那么这个转速可以就是并网转速)，这样可以尽量减少发电机系统出现逆功现象。导叶开度值的设置也是一样，要保证在此开度值下发电机系统不出现逆功现象。两个条件只要达到任意的一个就可以了，通常导叶开度值会先达到，因为转速上升有一个时间。步骤11-6，停止打开导叶，等待变流器模块合闸并网；步骤11-7：等待预定时间，是否收到并网成功指示；若是则进入下一步，否则进入故障关机流程；步骤11-8：等待预定时间，检测发电机转速是否稳定；是则进入下一步，否则进入故障关机流程；是否稳定的判断方式：预定时间内变化量不超过某一预设值，例如设定在1分钟之内，发电机的转速达到设定转速区间(例如这个区间可以设计为同步转速的±1％或±本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，其特征在于，包括(1)开机控制、(2)运行控制和(3)关机控制；(1)开机控制包括：(11)手动开机控制；(12)自动开机控制；(2)运行控制为基于最优工况点跟踪算法的控制；(3)关机控制包括：(31)手动/自动关机控制；(32)故障关机。

【技术特征摘要】
1.一种基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，其特征在于，包括(1)开机控制、(2)运行控制和(3)关机控制；(1)开机控制包括：(11)手动开机控制；(12)自动开机控制；(2)运行控制为基于最优工况点跟踪算法的控制；(3)关机控制包括：(31)手动/自动关机控制；(32)故障关机。2.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，其特征在于，手动开机控制过程为：步骤11-1：人工检查，排除故障；步骤11-2，判断系统自检是否正常，若是则进入下一步，否则返回步骤11-1；步骤11-3，设定并网转速，并发出开机指令；步骤11-4：启动调速器打开导叶；步骤11-5：判断导叶开度是否到达预定值或转速到达预定值，是则进入下一步，否则返回到步骤11-4；步骤11-6，停止打开导叶，等待变流器模块合闸并网；步骤11-7：等待预定时间，是否收到并网成功指示；若是则进入下一步，否则进入故障关机流程；步骤11-8：等待预定时间，检测发电机转速是否稳定；是则进入下一步，否则进入故障关机流程；步骤11-9：通过面板开关控制导叶开度，及通过触摸屏设定发电机运行转速；步骤11-10手动开机流程结束。3.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，其特征在于，自动开机流程如下：步骤12-1：人工检查，排除故障；步骤12-2，判断系统自检是否正常，若是则进入下一步，否则返回步骤12-1；步骤12-3，启动调速器打开导叶；步骤12-4：判断导叶开度是否到达预定值或转速到达预定值；是则进入下一步，否则返回到步骤12-3；步骤12-5，停止打开导叶，等待变流器模块合闸并网；步骤12-6：等待预定时间，是否收到并网成功指示，若是则进入下一步，否则进入故障关机流程；步骤12-7：等待预定时间，检测发电机转速是否稳定，是则进入下一步，否则进入故障关机流程；步骤12-8：启动调速器打开导叶步骤12-9：导叶开度是否到达预设值；是则进入下一步；否则返回步骤12-8；步骤12-10：停止打开导叶，通过最优工况点跟踪算法搜寻当前工况下的最优工作转速步骤12-11自动开机流程结束。4.根据权利要求1-3任一项所述的基于无刷双馈电机的水电机组的综合控制方法，其特征在于，运行控制过程如下：开始状态：此时发电系统稳态运行；步骤21：若检测运行工况发生变化，则判断当前是手动控制模式还是自动控制模式；步骤22若为手动控制模式，系统发出提示指示，则人为通过触摸屏设定发...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铭，金维宇，邹国辉，周鑫，李途宏，
申请(专利权)人：湖南利能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43