专利名称：一种水流发电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水力发电领域，特别是桥闸式电站使用同步发电机的水流发电装置。
背景技术：
自然界的水流是不稳定的，要利用不稳定的水流发电，通常是使用同步发电机发电，这种方式发出的电其频率和电压浮动较大，控制调节系统复杂成本高，而采用异步发电机发电虽然简单、成本较低，但要求供发电用的蓄水水位稳定，现有的调节蓄水水位的方法又使得一部份水流的能量白白浪费。因此，如何利用大自然中不稳定的水流发电，降低发电成本，提高水流能量的利用率成为关注的课题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种发电成本低，能充分利用不稳定水流发电的装置。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种水流发电装置，它由异步发电机、同步发电机、水轮、蓄水闸、调节闸、变换器、频率控制器、电压控制器和三相输出变压器组成。同步发电机和异步发电机为内装式，外壳上均分别套装有水轮；蓄水闸安装在异步发电机各水轮的前方，用以控制驱动各水轮转动的蓄水水位，各台异步发电机和同步发电机并列安装；调节闸安装在同步发电机水轮的前方，用以调节驱动各异步发电机水轮的蓄水水位；异步发电机的三相电压输出端接电网或用电器；同步发电机的三相电压输出端接变换器的三相电压输入端，如果变换器设计成四组，变换器的四组IGBT功率管频率控制信号输入端依次接频率控制器的四组控制信号输出端，变换器的四组电压控制信号输入端依次接电压控制器的四组控制信号输出端，变换器的四组三相电压输出端依次接三相输出变压器的四组三相初级绕组，三相输出变压器的三相次级绕组接电网或用电器；频率控制器的三相电压输入端接电网三相电源，电压控制器的输入端连接到同步发电机的输出回路中，用来接收同步发电机的输出电压信号。
本方案是使用同步发电机作为桥闸式电站调整水流的能量转换发电机，而桥闸式电站主桥孔上安装的是一个或多个异步发电机，这样的配置方式因全面地利用了水资源，使发电量增加。虽然被调整的那一部份水流的流量和水头是变化的，使用水轮机驱动同步发电机发出的电能质量也在电压频率上变化，但经过变换器整流、滤波及PWM调整稳压输出就可以得到与电网相配的电压、频率和相位输送到电网去。由此构成了同步电机调节式异步发电机桥闸式水电站的整体设计。
以下结合附图和实施例对本方案作进一步的详细说明
图1为本方案在河道上的整体配置示意图图2为本方案的电原理图图3为本方案的频率控制器电原理方框图图4为本方案的电压控制器电原理方框图附图中，1.内置式异步发电机，2.内置式同步发电机，3.水轮，4.蓄水闸，5.调节闸，6.变换器，7.频率控制器，8.电压控制器，9.三相输出变压器，10.桥墩，11.桥堤，12.河道，13.配电房。
具体实施方式
如
图1、图2所示的一种水流发电装置，它由异步发电机1、同步发电机2、水轮3、蓄水闸4、调节闸5、变换器6、频率控制器7、电压控制器8和三相输出变压器9组成。同步发电机2和异步发电机1为内装式，外壳上均分别套装有水轮3；蓄水闸4安装在异步发电机1各水轮3的前方，用以控制驱动各水轮3转动的蓄水水位，各台异步发电机1和同步发电机2并列安装；调节闸5安装在同步发电机2水轮3的前方，用以调节驱动各异步发电机1水轮3的蓄水水位；异步发电机1的三相电压输出端接电网或用电器；同步发电机2的三相电压输出端接变换器6的三相电压输入端14、15、16，变换器6的四组IGBT功率管频率控制信号输入端32、33、34、35、36、37，38、39、40、41、42、43，44、45、46、47、48、49，50、51、52、53、54、55依次接频率控制器7的四组控制信号输出端，变换器6的四组电压控制信号输入端21、22，24、25，27、28，30、31依次接电压控制器8的四组控制信号输出端，变换器6的四组三相电压输出端71、72、73，74、75、76，77、78、79，80、81、82依次接三相输出变压器9的四组三相初级绕组64、65、66、67，三相输出变压器9的三相次级绕组68接电网或用电器。频率控制器7的三相电压输入端接电网三相电源U、V、W，电压控制器8的输入端连接到同步发电机2的输出回路F点，用来接收同步发电机2经过取样电阻R5的输出电压信号。
变换器6由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，取样电阻R5和四组相同的升压逆变器N1、N2、N3、N4组成，同步发电机2的第一相电压输出端接整流二极管D1的正极和整流二极管D4的负极，第二相电压输出端接整流二极管D2的正极和整流二极管D5的负极，第三相电压输出端接整流二极管D3的正极和整流二极管D6的负极，整流二极管D1、D2、D3的负极接取样电阻R5的一端、电压控制器的输入端和第一组升压逆变器N1的电源正端，整流二极管D4、D5、D6的正极接取样电阻R5的另一端和第四组升压逆变器N4的电源负端成为接地端；第一组升压逆变器N1的电源负端接第二组升压逆变器N2的电源正端，第二组升压逆变器N2的电源负端接第三组升压逆变器N3的电源正端，第三组升压逆变器N3的电源负端接第四组升压逆变器N4的电源正端；第一组升压逆变器N1由电感器L1、三极管G7、整流二极管D7、电容C1、IGBT管G1、G2、G3、G4、G5、G6、续流二极管D8、D9、D10、D11、D12、D13组成，电感器L1的一端接电源正端子，形成第一组升压逆变器N1的电源正端20，另一端接三极管G7的集电极和整流二极管D7的正极，三极管G7的基极接电压控制信号输入端子，形成第一组升压逆变器N1的电压控制信号输入端21，整流二极管D7的负极接电容C1的正极、IGBT管G1、G3、G5的集电极和续流二极管D8、D10、D12的负极，续流二极管D8的正极接续流二极管D9的负极、IGBT管G1的发射极和IGBT管G2的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第一相71，续流二极管D10的正极接续流二极管D11的负极、IGBT管G3的发射极和IGBT管G4的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第二相72，续流二极管D12的正极接续流二极管D13的负极、IGBT管G5的发射极和IGBT管G6的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第三相73，IGBT管G1、G2、G3、G4、G5、G6的各控制极形成第一组升压逆变器N1的频率控制信号输入端32、33、34、35、36、37，三极管G7的发射极接电容C1的负极、IGBT管G2、G4、G6的发射极和续流二极管D9、D11、D13的正极形成第一组升压逆变器N1的电源负端22；第二组、第三组、第四组升压逆变器N2、N3、N4各自的组成和接线与第一组升压逆变器N1完全相同，只是各组电源正端、电源负端、电压控制信号输入端、频率控制信号输入端和三相电压输出端的外接处不同。
图3所示，频率控制器7由市电同步跟踪电路A、三相PWM驱动信号发生器B、四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4组成；市电同步跟踪电路A的三相电压输入端接市电电网，其输出端接三相PWM驱动信号发生器B的三输入端，三相PWM驱动信号发生器B的六输出端上并列接有四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4的六输入端，四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4的输出端形成四组频率控制信号输出端32、33、34、35、36、37，38、39、40、41、42、43，44、45、46、47、48、49，50、51、52、53、54、55。
图4所示，电压控制器8由取样电阻R1、R2、R3、R4、电压比较器C、四组相同的与非门Y1、Y2、Y3、Y4和四组相同的光电隔离器P5、P6、P7、P8组成；取样电阻R1、R2、R3、R4依次串联后，取样电阻R1的出头端接电压比较器C的第一输入端56和同步发电机输出回路检测点F，成为电压信号输入端，取样电阻R1与R2的连接点接电压比较器C的第二输入端57，取样电阻R2与R3的连接点接电压比较器C的第三输入端58，取样电阻R3与R4的连接点接电压比较器C的第四输入端59，取样电阻R4的尾端接公共接地端；电压比较器C的四输出端60、61、62、63依次接四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各控制端83、85、87、89，四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各脉冲信号输入端84、86、88、90接脉冲信号U1，四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各输出端依次接四组光电隔离器P5、P6、P7、P8的信号输入端91、92、93、94，四组光电隔离器P5、P6、P7、P8的接地端接公共接地端，四组电光隔离器P5、P6、P7、P8的输出端形成四组电压控制信号输出端21、22，24、25，27、28，30、31。
图1桥闸式电站由桥墩10，桥面11构成桥的基本水工建筑，图中所示例子有6个桥孔，其中①②③④⑤桥孔位置安装水流发电装置用的滚筒式水轮机，并且内藏有异步发电机，而桥孔⑥的滚筒式水轮机内藏有同步发电机，配电房13把各发电机送来的电能送往电网，在配电房13内除了一般配电必须的开关电器外还包括图2、图3、图4所示的变换器6、频率控制器7、电压控制器8、三相输出变压器9等电气控制装置，整个电站各桥孔的水流大小是由桥洞①②③④⑤前面的蓄水闸4和调节闸5进行控制。
桥孔⑥的闸门是溢流式闸门，由于溢流的作用，使上游水位基本保持不变，于是流经桥孔①②③④⑤的水流稳定，适合异步发电机要求转速不变的工况。在正常情况下，上游来水变大时，向桥孔⑥溢流增多，上游水变小时，向桥孔⑥溢流减少。如果上游水流过份少，则可以将①②③④⑤桥孔的闸门关闭几个，保持桥闸上游水位高度不变，使仍在工作的某异步发电机仍能维持正常转速。当洪水到来时，开启全部闸门，而且提升各桥孔滚筒式水轮机使水流顺畅下泄。
图2是水流发电装置异步发电机发电、同步发电机调整的电原理图。五台异步发电机1，其输出通过开关将电能输送到电网V、U、W端去，每台异步发电机1有电容作功率因数补偿，因此对网侧不会吸收较大的无功电流。同步发电机2装在调节水流的桥洞处，此处水流是经常变化的，同步发电机2发出电的电压和频率不断地变化，不能直接送入电网，因此通过变换器6、频率控制器7、电压控制器8和三相输出变压器9等装置，把电能变成频率相位同电网同步、电压与电网电压相当，这样，桥式电站的全部能量被利用。这套装置工作原理详述如下同步发电机2发出的电能由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的全波桥式整流器变为直流，其直流电送到变换器6中串联的四个升压逆变器N1、N2、N3、N4，各升压逆变器的三相电压输出端71、72、73，74、75、76，77、78、79，80、81、82依次接到三相输出变压器9的原边绕组64、65、66、67上，于是，付边绕组68获得同电网频率一致，相位一致，电压相当的电能，经开关69把电能送往电网或用电器。
变换器6中的四组升压逆变器N1、N2、N3、N4内部是一样的，以升压逆变器N1为例直流电源正端20、电源负端22，电源正端接往直流电感器L1、开关三极管G7、二极管D7、电容C1作泵升原理工作，当同步发电机2发出的电压很低，频率很低时，仍旧可以变成高的直流电压，将直流电能储存在电容C1内。续流二极管D8、D9、D10、D11、D12、D13、IGBT管G1、G2、G3、G4、G5、G6把电容C1上的电能转变成交流三相电能。升压逆变器的频率控制信号由频率控制器7的输出端32、33、34、35、36、37提供，利用像变频器一样的原理，使升压逆变器N1的各IGBT管按正弦脉宽调制方式有序工作，于是升压逆变器N1的三路输出，以正弦三相电压把能量送到变压器9的初级绕组64。同样升压逆变器N2、N3、N4各内部的开关IGBT管信号由频率控制器7的第二组输出端38、39、40、41、42、43，第三组输出端44、45、46、47、48、49，第四组输出端50、51、52、53、54、55提供。频率控制器7除了按正弦脉宽调制的逻辑作为变换器6各逆变器开关IGBT管的驱动信号外，还提供同电网的频率，相位严格一致的信号，使变换器6输往三相输出变压器原边绕组64、65、66、67的电压、频率、相位同电网完全一样，最终使三相输出变压器付边绕组68的电能能够送往电网。
各升压逆变器的电压控制信号由电压控制器8提供(见图4)，电压控制器8的输出端有4路输出，分别与升压逆变器N1、N2、N3、N4的泵升开关三极管控制极21、22，24、25，27、28，30、31相接。某一时刻由电压检测点F测量同步发电机2的输出电压，经电压控制器8处理后决定端子第几路有输出信号。当同步发电机2发出电压很低时，输出端子只使21、22端有脉冲开关信号，而其它端都给直通信号，于是升压逆变器N1工作而升压逆变器N2、N3、N4被短路。当同步发电机2电压逐渐升高时，输出端子逐步使24、25，27、28，30、31有脉冲开关信号，当同步发电机2电压最高时，21、22，24、25，27、28，30、31全部有脉冲开关信号，即升压逆变器N1、N2、N3、N4全部参加工作，此时，同步发电机2的高电压输出，全部通过变换变成交流电通过三相输出变压器9的原边绕组64、65、66、67将能量传递到付边绕组68，最终送往电网。这样就保证了同步发电机2只要转就可把电能送往电网的良好性能。
频率控制器7的内部原理是这样的详见图3。
市电同步跟踪电路A由三相市电提供频率和相位去控制三相PWM驱动信号发生器B，这个PWM信号是被正弦调制的脉冲宽度调制信号，通过四个六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4作四路脉冲输出，这四路完全同步，这样图2中的升压逆变器N1、N2、N3、N4也同步工作，最终使变压器9的原边绕组64、65、66、67同频同相，可以并联运行。使用六输出光电隔离器的目的是因为每个升压逆变器有6个管子6个信号，而且各升压逆变器的直流电平不相同，需要电气隔离。
图4所示，电压控制器8输入端由电压检测点F接收同步发电机2输出的电压幅度信号，由分压取样电阻R1、R2、R3、R4得到4个不同等级电压送到电压比较器C的输入端56、57、58、59，电压比较器C由基准电压UO作为判别基准，其比较后的结果经输出端60、61、62、63送到与非门Y1、Y2、Y3、Y4。在电压检测点F电压低时，只有与非门Y1可以输出脉冲信号，而与非门Y2、Y3、Y4输出正电压，结果只有光电隔离器P5有脉冲输出，而光电隔离器P6、P7、P8都输出正电压。最终使图2中的升压逆变器N1正常工作有交流输出，而升压逆变器N2、N3、N4都因得到正控制电压而被短路。当同步发电机输出电压升高时，电压比较器C可以输出信号使与非门Y2有脉冲输出，电压继续升高时，又可使与非门Y3、Y4有脉冲输出。这样随着同步发电机2电压的高低自动地顺序开启升压逆变器N2、N3、N4，从而使电压升高的电能通过变压器绕组65、66、67的陆续加入工作而被大量送进电网。
以上将同步发电机2产生的电压、频率、相位不合乎要求的电能变换成为与电网一致的电压、频率、相位的整套电路比以往技术中采用同步发电机输出端用变压器切换的复杂电路要简单可靠。此方案不仅可用于桥闸式电站同步电机发出电能的调整和利用，而且也可用于风力发电，潮汐发电，等一切不稳定能源发电的利用。
以上采用4组升压逆变器N1、N2、N3、N4作为对应同步发电机电压宽范围变化的切换单元，但实际上采用多少组，要看同步发电机实际输出电压的变化，因此应按照实际需要决定升压逆变器单元的数量。由此对应的频率控制器、电压控制器、三相输出变压器内部组数也应作相应调整，以达到经济合理。
图3、图4方框图中的电路均为常规电路，在此就不一一详细说明。
权利要求1.一种水流发电装置，它由蓄水闸、水轮、同步发电机、三相输出变压器组成；其特征在于它还有异步发电机、调节闸、变换器、频率控制器和电压控制器；同步发电机和异步发电机为内装式，外壳上均分别套装有水轮；蓄水闸安装在异步发电机各水轮的前方，用以控制驱动各水轮转动的蓄水水位，各台异步发电机和同步发电机并列安装；调节闸安装在同步发电机水轮的前方，用以调节驱动各异步发电机水轮的蓄水水位；异步发电机的三相电压输出端接电网或用电器；同步发电机的三相电压输出端接变换器的三相电压输入端，变换器的四组IGBT功率管频率控制信号输入端依次接频率控制器的四组控制信号输出端，变换器的四组电压控制信号输入端依次接电压控制器的四组控制信号输出端，变换器的四组三相电压输出端依次接三相输出变压器的四组三相初级绕组，三相输出变压器的三相次级绕组接电网或用电器；频率控制器的三相电压输入端接电网三相电源，电压控制器的输入端连接到同步发电机的输出回路中，用来接收同步发电机的输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的水流发电装置，其特征在于所述变换器由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，取样电阻R5和四组相同的升压逆变器N1、N2、N3、N4组成，同步发电机的第一相电压输出端接整流二极管D1的正极和整流二极管D4的负极，第二相电压输出端接整流二极管D2的正极和整流二极管D5的负极，第三相电压输出端接整流二极管D3的正极和整流二极管D6的负极，整流二极管D1、D2、D3的负极接取样电阻R5的一端、电压控制器的输入端和第一组升压逆变器N1的电源正端，整流二极管D4、D5、D6的正极接取样电阻R5的另一端和第四组升压逆变器N4的电源负端成为接地端；第一组升压逆变器N1的电源负端接第二组升压逆变器N2的电源正端，第二组升压逆变器N2的电源负端接第三组升压逆变器N3的电源正端，第三组升压逆变器N3的电源负端接第四组升压逆变器N4的电源正端；第一组升压逆变器N1由电感器L1、三极管G7、整流二极管D7、电容C1、IGBT管G1、G2、G3、G4、G5、G6、续流二极管D8、D9、D10、D11、D12、D13组成，电感器L1的一端接电源正端子，形成第一组升压逆变器N1的电源正端，另一端接三极管G7的集电极和整流二极管D7的正极，三极管G7的基极接电压控制信号输入端子，形成第一组升压逆变器N1的电压控制信号输入端，整流二极管D7的负极接电容C1的正极、IGBT管G1、G3、G5的集电极和续流二极管D8、D10、D12的负极，续流二极管D8的正极接续流二极管D9的负极、IGBT管G1的发射极和IGBT管G2的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第一相，续流二极管D10的正极接续流二极管D11的负极、IGBT管G3的发射极和IGBT管G4的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第二相，续流二极管D12的正极接续流二极管D13的负极、IGBT管G5的发射极和IGBT管G6的集电极成为第一组升压逆变器N1三相电压输出端的第三相，IGBT管G1、G2、G3、G4、G5、G6的各控制极形成第一组升压逆变器N1的频率控制信号输入端，三极管G7的发射极接电容C1的负极、IGBT管G2、G4、G6的发射极和续流二极管D9、D11、D13的正极形成第一组升压逆变器N1的电源负端；第二组、第三组、第四组升压逆变器N2、N3、N4各自的组成和接线与第一组升压逆变器N1完全相同。
3.根据权利要求1所述的水流发电装置，其特征在于所述频率控制器由市电同步跟踪电路A、三相PWM驱动信号发生器B、四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4组成；市电同步跟踪电路A的三相电压输入端接市电电网，其输出端接三相PWM驱动信号发生器B的三输入端，三相PWM驱动信号发生器B的六输出端上并列接有四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4的六输入端，四组六输出光电隔离器P1、P2、P3、P4的输出端形成四组频率控制信号输出端。
4.根据权利要求1所述的水流发电装置，其特征在于所述电压控制器由取样电阻R1、R2、R3、R4、电压比较器C、四组相同的与非门Y1、Y2、Y3、Y4和四组相同的光电隔离器P5、P6、P7、P8组成；取样电阻R1、R2、R3、R4依次串联后，取样电阻R1的出头端接电压比较器C的第一输入端和同步发电机输出回路检测点F，成为电压信号输入端，取样电阻R1与R2的连接点接电压比较器C的第二输入端，取样电阻R2与R3的连接点接电压比较器C的第三输入端，取样电阻R3与R4的连接点接电压比较器C的第四输入端，取样电阻R4的尾端接公共接地端；电压比较器C的四输出端依次接四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各控制端，四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各脉冲信号端接脉冲信号U1，四组与非门Y1、Y2、Y3、Y4的各输出端依次接四组光电隔离器P5、P6、P7、P8的信号输入端，四组光电隔离器P5、P6、P7、P8的接地端接公共接地端，四组电光隔离器P5、P6、P7、P8的输出端形成四组电压控制信号输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种水流发电装置，它由异步发电机、同步发电机、水轮、蓄水闸、调节闸、变换器、频率控制器、电压控制器和三相输出变压器组成。同步发电机的三相电压输出端接变换器的三相电压输入端，频率控制器和电压控制器分别对变换器的四组频率控制端和四组电压控制端进行控制。变换器的四组三相电压输出端依次接三相输出变压器的四组三相初级绕组，三相输出变压器的三相次级绕组接电网或用电器。本方案充分利用了水资源，增加了发电量。
文档编号F03B13/00GK2693982SQ20042003290
公开日2005年4月20日 申请日期2004年2月20日 优先权日2004年2月20日
发明者刘永言 申请人:成都希望电子研究所