专利名称：小型水轮发电机组荷载式快速并网装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型水轮发电机组荷载式快速并网装置。
技术背景 利用小型水轮发电机组可将水能资源转换为清洁的能源一电能，供人们生产和 生活使用，这对发展经济、保护环境及加强国防建设都具有重要的意义。但是，对于微型水 轮发电机组的输出连接的负载会经常变动，导致发电机输出的电压频率不稳定。为此，中国 实用新型专利(专利号为200920112513. 6)公开了小型水轮发电机组的电子负荷调节器， 该装置包括频率调节器、电阻丝、移相触发器和固态继电器；频率调节器接入发电机组供电 线路采集发电机的机频，接入电网线路采集网频，频率调节器的输出端连接移相触发器，在 频率调节器中将网频和机频进行比较，输出模拟量控制电压给移相触发器；电阻丝与固态 继电器串联后并联在供电线路上，固态继电器与移相触发器相连接，移相触发器控制固态 继电器的导通比，实现电阻丝的功率调节。该专利既可使微型水轮机的结构简化、成本下 降，同时提高自动化水平、供电可靠性和电能质量，以满足用户多用途的要求。此外，利用电 子负荷调节器的负荷自动调节作用构成负荷调节柜，可平抑水电机组负荷的波动，极大地 改善水电机组在孤网运行时的工作稳定性，并延长机组的检修周期和工作寿命。但是该专利的技术适用于频率的微调，对于网频和机频存在较大的差距，理论上 就需要设置大量的电阻丝用于消耗能量，这样不仅操作上存在的困难，而且也会对能源造 成了大量的损耗。
发明内容
为了解决上述的小型水轮发电机组的电子负荷调节器只适用于频率微调的技术 缺陷，本发明的目的是提供一种小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，该装置可以调整 大频率差，使输出频率稳定，同时又避免了能源的大量损耗。为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，该装置包括电子负荷控制器、中央处理 器和水轮机导叶控制装置，电子负荷控制器包括调频装置、移相触发器、固态继电器和电阻 丝，水轮机导叶控制装置控制水轮机导叶开度；调频装置同时接入发电机组供电线路和电 网线路，采集发电机组中的当前频率值&和电网线路的目标频率fT，调频装置连接所述的 中央处理器，将当前频率值fN输送给中央处理器，中央处理器连接控制水轮机导叶控制装 置和电子负荷控制器，中央处理器内置有控制程序，控制程序设定频率值在48 52赫兹以 内为电子负荷调节器和水轮机导叶控制装置的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下 的步骤(1)若发电机组当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷调节器不投入电阻丝工 作，同时水轮机导叶控制装置缓慢增加水轮机导叶开度；当发电机组当前频率值fN高于52 赫兹时，电子负荷调节器全部投入电阻丝工作，同时水轮机导叶控制装置快速减少水轮机导叶开度；(2)若发电机组当前频率值&在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内 调频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝消耗功率值Pe，当 前频率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝消耗功率值Pe ；当前频率值fN与目标频率 fT之差的绝对值部分|fT-fN|乘以系数n，加上当前频率值&与上一次频率fN-i之差即
fT-fN| Xn+(fN-fN_1)作为电阻丝消耗功率值Pc ；电阻丝消耗功率值Pc与安装的电阻丝总功 率值Pt的比值PC/PT小于25%，则通过水轮机导叶控制装置增加导叶开度；比值PC/PT大于 75%，则通过水轮机导叶控制装置减少导叶开度。作为优选，上述的调频装置的输出端还连接到移相触发器，在调频装置中将当前 频率值fN和目标频率fT进行比较，输出模拟量控制电压给移相触发器，电阻丝与固态继电 器串联后并联在供电线路上，固态继电器与移相触发器相连接，移相触发器控制固态继电 器的导通比，实现电阻丝的功率调节。
作为进一步改进，上述的调频装置包括依次连接的信号整理电路、信号转换电路 和单片机，信号整理电路将当前频率值fN和目标频率fT分别整理成方波，两路方波输出给 信号转换电路，信号转换电路将两路方波分别转换成中断信号，中断信号输出给单片机，单 片机内部开定时器，计算两次触发时间间隔，计算频率值，然后根据两次频率的时间差，计 算相角，通过D/A端口输出模拟量控制电压。作为优选，上述的模拟量控制电压为0 5V。作为进一步改进，上述的调频装置具有RS485通讯接口，采用MODBUS通讯协议，与 中央处理器进行数据交互。作为进一步改进，上述的在供电线路上通过手动开关另外并联有电阻丝。作为进一步改进，上述的控制程序执行以下的步骤每次增加或者减少导叶开度 以15秒为一输出周期，每次输出步长为5%。本发明由于采用了以上的技术方案，既可使微型水轮机的结构简化、成本下降，同 时提高自动化水平、供电可靠性和电能质量，避免了能源的大量损耗，可以满足用户多用途 的要求。
图1为本发明的系统框图。图2为频率调节器的系统框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做一个详细的说明。如图1所示的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，该装置包括电子负荷控制 器、中央处理器7和水轮机导叶控制装置14，电子负荷控制器包括调频装置3、移相触发器 4、固态继电器5和电阻丝6，水轮机导叶控制装置14控制水轮机1导叶开度，水轮机导叶控 制装置14可以采用专利号为20062010916. 9的实用新型所述的水轮机液压操作器；调频装 置同时接入发电机组2供电线路和电网线路，采集发电机组2中的当前频率值&和电网线 路的目标频率fT，目标频率fT为50HZ，调频装置连接所述的中央处理器7，将当前频率值fN输送给中央处理器7，中央处理器7连接控制水轮机导叶控制装置14和电子负荷控制器，中 央处理器7内置有控制程序，控制程序设定频率值在48 52赫兹以内为电子负荷调节器 和水轮机导叶控制装置14的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下的步骤(1)若发电机组2当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷调节器不投入电阻丝6 工作，同时水轮机导叶控制装置14缓慢增加水轮机1导叶开度；当发电机组2当前频率值 fN高于52赫兹时，电子负荷调节器全部投入电阻丝6工作，同时水轮机导叶控制装置14快 速减少水轮机1导叶开度；(2)若发电机组2当前频率值fN在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内调 频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝6消耗功率值P。，当前频 率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝6消耗功率值Pe ；当前频率值fN与目标频率fT之 差的绝对值部分|fT_fN|乘以系数n，系数η为0. 25或0.125，加上当前频率值&与上一次 频率fN_i之差即IfV-fJXn+^-f^)作为电阻丝6消耗功率值Pc;电阻丝6消耗功率值Pc 与安装的电阻丝6总功率值Pt的比值Pe/PT小于25%，则通过水轮机导叶控制装置14增加 导叶开度；比值Pe/PT大于75%，则通过水轮机导叶控制装置14减少导叶开度。为避免导 叶动作过于频繁，延长机械部件运行寿命，每次增加或者减少导叶开度以15秒为一输出周 期，每次输出步长为5%。
如图1所示，电子负荷控制器的频率调节器3的输出端连接移相触发器4，如图2 所示，频率调节器3包括依次连接的信号整理电路10、信号转换电路11和单片机12，单片 机12采用选用8051系列。信号整理电路10将采集的当前频率值fN和目标频率fT，分别 整理成方波，两路方波输出给信号转换电路11，信号转换电路11将两路方波分别转换成中 断信号波，中断信号波输出给单片机12，单片机12内部开定时器，计算两次触发时间间隔， 计算频率值，然后根据两次频率的时间差，计算相角，斩波调压，然后通过D/A端口 13输出 模拟量控制电压0 5V给移相触发器4。如图1所示，电阻丝6与固态继电器5串联后并 联在供电线路9上，固态继电器5与移相触发器4相连接，移相触发器4控制固态继电器5 的导通比，实现电阻丝6的功率调节。当然，供电线路9上还可以通过手动开关8另外并联 有电阻丝6。同时，频率调节器3具有RS485通讯接口，采用MODBUS通讯协议，与中央处理 器7进行数据交互，实现数据显示和数据通讯。
权利要求
小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在于该装置包括电子负荷控制器、中央处理器(7)和水轮机导叶控制装置(14)，电子负荷控制器包括调频装置(3)、移相触发器(4)、固态继电器(5)和电阻丝(6)，水轮机导叶控制装置(14)控制水轮机(1)导叶开度；调频装置(3)同时接入发电机组(2)供电线路和电网线路，采集发电机组(2)中的当前频率值fN和电网线路的目标频率fT，调频装置(3)连接所述的中央处理器(7)，将当前频率值fN输送给中央处理器(7)，中央处理器(7)连接控制水轮机导叶控制装置(14)和电子负荷控制器；中央处理器(7)内置有控制程序，控制程序设定频率值在48～52赫兹以内为电子负荷调节器和水轮机导叶控制装置(14)的联合调节工作区间，并且控制程序执行以下的步骤(1)若发电机组(2)当前频率值fN低于48赫兹时，电子负荷调节器不投入电阻丝(6)工作，同时水轮机导叶控制装置(14)缓慢增加水轮机导叶开度；当发电机组(2)当前频率值fN高于52赫兹时，电子负荷调节器全部投入电阻丝(6)工作，同时水轮机导叶控制装置(14)快速减少水轮机导叶开度；(2)若发电机组(2)当前频率值fN在联合调节工作区间以内，在联合调节区间内调频目标频率fT，当前频率值fN大于目标频率fT则需要增加电阻丝(6)消耗功率值PC，当前频率fN小于目标频率fT则需要减少电阻丝(6)消耗功率值PC；当前频率值fN与目标频率fT之差的绝对值部分|fT-fN|乘以系数n，加上当前频率值fN与上一次频率fN-1之差即|fT-fN|×n+(fN-fN-1)作为电阻丝(6)消耗功率值PC；电阻丝(6)消耗功率值PC与安装的电阻丝(6)总功率值PT的比值PC/PT小于25％，则通过水轮机导叶控制装置(14)增加导叶开度；比值PC/PT大于75％，则通过水轮机导叶控制装置(14)减少导叶开度。
2.根据权利要求1所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在于调频 装置(3)的输出端还连接到移相触发器(4)，在调频装置(3)中将当前频率值&和目标频 率&进行比较，输出模拟量控制电压给移相触发器(4)，电阻丝(6)与固态继电器(5)串联 后并联在供电线路上，固态继电器(5)与移相触发器⑷相连接，移相触发器⑷控制固态 继电器(5)的导通比，实现电阻丝(6)的功率调节。
3.根据权利要求2所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在于调频 装置⑶包括依次连接的信号整理电路(10)、信号转换电路(11)和单片机(12)，信号整理 电路(10)将采集的当前频率值fN和目标频率fT分别整理成方波，两路方波输出给信号转 换电路(11)，信号转换电路(11)将两路方波分别转换成中断信号，中断信号输出给单片机 (12)，单片机(12)内部开定时器，计算两次触发时间间隔，计算频率值，然后根据两次频率 的时间差，计算相角，通过D/A端口(13)输出模拟量控制电压。
4.根据权利要求2所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在于模拟 量控制电压为0 5V。
5.根据权利要求2或3或4所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在 于调频装置(3)具有RS485通讯接口，采用M0DBUS通讯协议，与中央处理器(7)进行数据 交互。
6.根据权利要求2或3或4所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在 于在供电线路(9)上通过手动开关(8)另外并联有电阻丝(6)。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，其特征在于控制程序按以 下的周期执行每次增加或者减少导叶开度以15秒为一输出周期，每 次输出步长为5%。
全文摘要
本发明涉及一种小型水轮发电机组荷载式快速并网装置。小型水轮发电机组荷载式快速并网装置，该装置包括电子负荷控制器、中央处理器和水轮机导叶控制装置，水轮机导叶控制装置控制水轮机导叶开度；调频装置同时接入发电机组供电线路和电网线路，采集发电机组中的当前频率值fN和电网线路的目标频率fT，调频装置连接所述的中央处理器，将当前频率值fN输送给中央处理器，中央处理器内置有控制程序，控制程序控制电子负荷控制器与水轮机导叶控制装置的协调工作。本发明既可使微型水轮机的结构简化、成本下降，同时提高自动化水平、供电可靠性和电能质量，避免了能源的大量损耗，可以满足用户多用途的要求。
文档编号H02P9/42GK101872983SQ20101019777
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者张巍, 徐国君, 徐锦才, 熊杰, 王晓罡, 董大富, 金华频 申请人:水利部农村电气化研究所;杭州思绿能源科技有限公司