一种余水发电智能控制系统的制作方法

1.本发明涉及发电系统技术领域，具体位置一种余水发电智能控制系统。


背景技术：

2.环保干净的天然资源一直是人类世界所追求的完美能源。纵观当前发现且已推广应用的自然能量，不外乎有太阳能、水力势能、风能、地热能、潮汐能等。如何利用这些已知存于大自然的能量，能通过一种科学方法让干净无污染的被开采、能量可循环再利用，是我国这几年来致力于发展的新能源目标。
3.水资源是存在大自然中的一种物质，尤其我国属于高山高原众多的地方，水资源存在于高山，为了储备水力资源，建造水库、储水设备一直是重要国策之一。水力发电在2022年已占我国电力资源约15%，且每年以1.5%左右成长，是再生资源发电的重要领头羊。
4.所谓“余水发电”，就是在已按原定设计建成的水电站储水坝上开孔钻洞，利用多余的水资源发电。利用水位势能转化为电能，进行储能和或应用，达到节能减排。透过水轮机及辅助技术，各式各样的余水发电设备因应而生。
5.水轮机安装在水电站，负责旋转让发动机发电。上游储水库的水流经由管道引入水轮机，推动叶轮旋转，带动发电机发电，作完功的水则通过尾端管道排向下游。水轮机的出力和流量q有关；发动机的功率po和转速ω有关。
6.传统的水轮机发电，输出的功率不固定，需按当时水库储水状态或工况而定，其原理图如图1所示。例如水位较高时，单位时间通过的水流量大，则水轮机转动快，发电机功率也大；反之低水位时，发电机功率低，节能效率低。如果水位太高，转速过快，发电机超过运行负荷，得关闭部分阀门降低流量，余能浪费没法利用。


技术实现要素：

7.为了解决现有水轮发电机输出功率不稳定，效率低，造成余能浪费的问题，本发明提供了一种余水发电智能控制系统，其能够实现水轮发电机稳定输出，节能且提高效率。
8.其技术方案是这样的：一种余水发电智能控制系统，其包括上游储水库，所述上游储水库通过管道连接水轮机，所述水轮机上的叶轮出口连接集水池，其特征在于，所述水轮机上安装有变频器且所述变频器并联连接储能电容、能量回馈单元，所述能量回馈单元的输出侧与电网电源连接，所述管道包括上管道，所述上管道连接三通管的进口，所述三通管的一个出口连接控制管道、另一个出口连接旁路管道，所述上管道上设置有第一截止阀、第一流量传感器、第一比例控制阀，所述控制管道上设置有第二截止阀、第二流量传感器、第二比例控制阀，所述旁路管道上设置有第三截止阀，所述第一流量传感器、所述第二流量传感器、所述变频器连接流量控制器的三个输入端，所述流量控制器的三个输出端分别连接所述第一比例控制阀、所述第二比例控制阀、所述变频器，设所述上管道内流量为q1，控制管道内流量为q2，旁路管道内流量为q3，q1≥q2+q3，所述流量控制器的控制过程如下：s1：读取第二流量传感器的流量数据q2，将q2与设定值进行比值处理得到比值数
据q，若q＞102%，则进入s2，若q＜97.5%，则进入s3程序，若97.5%≤q≤102%，则流量处于平衡状态，流量控制器复归，水轮机运行额定转速，发电机运行额定功率，能量回馈单元处于最佳效率；s2：流量过大，流量控制器控制第二比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最小开启幅度时q仍然大于102%，判断变频器频率是否小于90%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则降低变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然大于102%，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；s3：流量过小，流量控制器控制第二比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最大开启幅度时q仍然小于97.5%，判断变频器频率是否大于110%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则提高变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然小于97.5%，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束。
9.其进一步特征在于，所述上游储水库与所述水轮机之间设置三个所述管路。
10.采用本发明后，根据流量传感器反馈的流量大小，可以由流量控制器处理后控制第一、第二比例控制阀的开启大小和变频器频率，将发电保持最大效率的额定转速工作，可以让水轮发电机稳定输出，节能且提高效率；进一步的，将上游储水库与水轮机之间设置三个所述管路，即存在三组发电系统，分解水流流量的发电效率，再集中电能，统一由能量回馈单元回馈电网，发电节能效率可达93%左右，和传统水轮机67-87%的发电效率相比较有明显的成效。
附图说明
11.图1为现有技术原理图；图2为本发明实施例一原理图；图3为流量传感器控制流程图；图4为本发明实施例二原理图；图5为三路发电系统原理图；图6为三路发电系统接线图。
具体实施方式
12.实施例一：见图2，图3所示，一种余水发电智能控制系统，其包括上游储水库1，上游储水库1通过管道连接水轮机2，水轮机2上的叶轮出口连接集水池3，水轮机2上安装有连接发电机4的变频器5且变频器5并联连接储能电容6、能量回馈单元7，能量回馈单元7的输出侧通过滤波器8与电网电源9连接，管道包括上管道10，上管道10连接三通管11的进口，三通管11的一个出口连接控制管道12、另一个出口连接旁路管道13，上管道10上设置有第一截止阀14、第一流量传感器15、第一比例控制阀16，控制管道12上设置有第二截止阀17、第二流量传感器18、第二比例控制阀19，旁路管道13上设置有第三截止阀20，第一流量传感器
15、第二流量传感器18、变频器5连接流量控制器21的三个输入端，流量控制器21的三个输出端分别连接第一比例控制阀16、第二比例控制阀19、变频器5。
13.为了更好直观了解流量信息，第一流量传感器15和第二流量传感器18旁分别设置有第一流量指示计22和第二流量指示计23。
14.三通管选型尽量要求采用y型120
°
。主要t型水流阻力相较y型大，在进行势能转换时无形产生耗能，尤其在流阻和流速成正比条件下更趋明显。
15.控制管路是本技术针对节能的核心部件，第二比例控制阀19和第二流量传感器18安装位置尽量在管道中间，位置的选择和流量控制响应有绝对关系，因为管道的斜度和长度，也影响截取的信号差，另外控制管路和控制柜的距离也尽量挨近，避免调试安装过程，实际发生的信号失真和干扰，导致控制过程的准确性。
16.流量控制器21的信号采用模拟量信号4-20ma，算法控制流量阀调节，由pi控制实现，通过采集上管道内流量为q1、控制管道内流量q2数据， q1≥q2+q3，q3为旁路管道内流量，目标是水轮机的转速，即工作点发电效率最高，电机运行在额定转速，合适的第一比例控制阀16、第二比例控制阀19控制流量。
17.流量控制器21是智能控制的主要核心部件，透过2路流量传感器，把管道内的流量数据定时反馈到流量控制器21内部。实施方式取样周期至少1000ms取样一次，监视和控制管道流量值的变化。控制的输出信号，直接对第一比例控制阀16、第二比例控制阀19控制，根据流量反馈，在增加或减小阀门的开关量。流量的大小直接影响管道末端的水轮机内叶轮转动的转速。转速太快了，减少开启幅度来降低流量，转速太慢的，增大开启幅度增加流量来提速。让叶轮的转速始终固定在电机的额定频率，让发电的效率最佳化。控制器算法主要目标是控制管路上的流量值，间接是叶轮转速。反馈控制的来自两路的流量大小，具体实施方案pi闭环控制回路。在具体调试过程，根据系统的时间常数τ，来调节参数p和i，简单不复杂的控制方式，完成定后级电机固定在额定转速的运行效果。
18.变频器是直接让水轮机进行发电的驱动部件。主要实施方式，将频率输出固定在水轮机内永磁体的额定转速上。变频器优选具备永磁电机驱动功能，优选mtpa算法。部分要求较高的场合，可以闭环控制，电机安装转速编码器，实际速度回馈到变频器。当电机速度下降了，变频器可适当调速，上调具体实施约10-20% 频率为上限值，主要目的维持电机的额定转速，当流量无法满足叶轮时可以补偿用。
19.见图3所示，流量控制器的控制过程如下：s1：读取第二流量传感器的流量数据q2，将q2与设定值进行比值处理得到比值数据q，若q＞102%，则进入s2，若q＜97.5%，则进入s3程序，若97.5%≤q≤102%，则流量处于平衡状态，流量控制器复归，水轮机运行额定转速，发电机运行额定功率，能量回馈单元处于最佳效率；s2：流量过大，流量控制器控制第二比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最小开启幅度时q仍然大于102%，判断变频器频率是否小于90%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则降低变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然大于102%，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；
s3：流量过小，流量控制器控制第二比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最大开启幅度时q仍然小于97.5%，判断变频器频率是否大于110%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则提高变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然小于97.5%，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束。
20.水轮发电机，包括叶轮和发电机。发电机结构是定子和转子，转子或电机优选永磁式。水轮机类型优选冲击式，因过程水流压力保持不变，动能转换电能的耗损较小，效率可达95%以上。
21.储能电容，优选薄膜电容。结构上因耐压优于电解电容不需分压并联，在电气上纹波参数也优于电解电容，相较之下合适使用在本发明的储能装置上。储能设备在具体实施上，直流母排(+)(-)的具体数量和接点电气规格，需要搭配分布式的数量和功率大小。
22.能量回馈单元，直流侧直接和储能电容并接，在交流输出电网的具体实施，需考虑电网谐波和抑制，必要加安装llc和lcl滤波器，或afe谐波治理模块，避免电能入网过程产生的谐波影响其他电器设备。能量回馈单元的功率，需要考虑分布式系统满负责时的总功率，一般设计在总发电设备110-120% 负荷时需要的功率。
23.实施例二：见图4所示，其在实施例一基础上额外增加了两路管路，即变为三路发电系统24，其余结构相同，不再详细描述。
24.可以将规划的总发电量，分解到三个发电系统，每个发电系统通过智能控制将能效发挥到极致，然后将发的电能集中到一个储能电容，最后通过一能量回馈单元，把统一余水发的电能回馈到电网，完成节能减排的功效。具体见图5、图6所示，三组发电系统中的变频器直流侧(﹢)和(﹣)端，与储能电容(﹢)和(﹣)连接，同时和能量回馈单元直流端(﹢)和(﹣)并联，回馈单元交流端和电网rst连接。
25.水轮机转动时发电机工作，经过变频器，变频器输出旋转磁场，和永磁体逆向切割，发电机运行在四象限发电状态，发生的电能直接进入储存电容，电能属性是直流电，该直流电再经过能量回馈单元，能量回馈单元内部的igbt和控制电路，将直流电转换为转化成380v/50hz恒压恒频的交流电进入电网。
26.下面以一个具体案例来说明本技术方案与传统方案的区别。
27.某山区一储水库，规划总发电量2000kw/h，水库高40米，按流量最高和最低约3500
ꢀ‑ꢀ
5000m3/h。运行流量为6500m3/h。
28.发电系统采分布式或传统式规划。
29.传统式规划如下水轮机sj-w-560，流量1.321m3/s，异步电机功率560kw。
30.通过量测，所述水轮机效率85%，发电效率平均79%，系统损耗3%。
31.发电p
1out
=流体密度
×g×
流量
×
势能高度
×
水轮机效率
×
发电机效率
×
损耗率＝1000
×
9 .8
×
1.371
×
40
×
85％
×
79％（1-3%）=350kw/h采用本发明所述分布式余水智能发电系统，发电系统分布为三套。
32.水轮机sj-w-25，流量0.521m3/s，水出力248kw，发电机sfw250，额定功率250kw，1000 rpm(r/s)。水轮发电机采用永磁电机。
33.通过量测，所述水轮机效率85%，智能发电效率平均91%，3套系统总损耗9%。
34.发电3*p
2out
=流体密度
×g×
流量
×
势能高度
×
水轮机效率
×
发电机效率
×
损耗率＝3*1000
×
9 .8
×
0.521
×
40
×
85％
×
91％
×
（1-9%）=460kw/h节能减排与原传统相比（460-350）/350
×
100％=30％本发明分布式系统发电，总发电量比原典型节能高约30%。主要差异体现在发电效率上，可根据流量调整发电机的发电效率得知。
35.年多节能的电量(460-350kw/h)
×
8000h=88万度。（按年运行8000h）年多节能标准煤(460-350kw/h)
×
0.35= 30吨。（按2022年标准350克/kwh）。
36.上文所述本发明的技术背景、工作原理、主要特征、优选事项和具体实施方式。涉及节能或与之相关行业的技术从业人员应该了解，本发明不受上述实施案例或实施方式的限制，上述实施范例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明将会有其他变化和改进，这些变化和改进都是落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种余水发电智能控制系统，其包括上游储水库，所述上游储水库通过管道连接水轮机，所述水轮机上的叶轮出口连接集水池，其特征在于，所述水轮机上安装有变频器且所述变频器并联连接储能电容、能量回馈单元，所述能量回馈单元的输出侧与电网电源连接，所述管道包括上管道，所述上管道连接三通管的进口，所述三通管的一个出口连接控制管道、另一个出口连接旁路管道，所述上管道上设置有第一截止阀、第一流量传感器、第一比例控制阀，所述控制管道上设置有第二截止阀、第二流量传感器、第二比例控制阀，所述旁路管道上设置有第三截止阀，所述第一流量传感器、所述第二流量传感器、所述变频器连接流量控制器的三个输入端，所述流量控制器的三个输出端分别连接所述第一比例控制阀、所述第二比例控制阀、所述变频器，设所述上管道内流量为q1，控制管道内流量为q2，旁路管道内流量为q3，q1≥q2+q3，所述流量控制器的控制过程如下：s1：读取第二流量传感器的流量数据q2，将q2与设定值进行比值处理得到比值数据q，若q＞102%，则进入s2，若q＜97.5%，则进入s3程序，若97.5%≤q≤102%，则流量处于平衡状态，流量控制器复归，水轮机运行额定转速，发电机运行额定功率，能量回馈单元处于最佳效率；s2：流量过大，流量控制器控制第二比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最小开启幅度时q仍然大于102%，判断变频器频率是否小于90%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则降低变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然大于102%，则控制第一比例控制阀减小开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；s3：流量过小，流量控制器控制第二比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束；当第二比例控制阀达到最大开启幅度时q仍然小于97.5%，判断变频器频率是否大于110%额定频率，若为否，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束，若为是，则提高变频器频率，如果97.5%≤q≤102%则流量调节结束，如果q仍然小于97.5%，则控制第一比例控制阀增大开启幅度，直到97.5%≤q≤102%，流量调节结束。2.根据权利要求1所述的一种余水发电智能控制系统，其特征在于，所述上游储水库与所述水轮机之间设置三个所述管路。

技术总结
本发明涉及发电系统技术领域，具体位置一种余水发电智能控制系统，其能够实现水轮发电机稳定输出，节能且提高效率，其包括上游储水库，上游储水库通过管道连接水轮机，水轮机上的叶轮出口连接集水池水轮机上安装有变频器且变频器并联连接储能电容、能量回馈单元，能量回馈单元的输出侧与电网电源连接，管道包括上管道，上管道连接三通管的进口，三通管的一个出口连接控制管道、另一个出口连接旁路管道，上管道上设置有第一截止阀、第一流量传感器、第一比例控制阀，控制管道上设置有第二截止阀、第二流量传感器、第二比例控制阀，旁路管道上设置有第三截止阀，第一流量传感器、第二流量传感器、变频器连接流量控制器的三个输入端，流量控制器的三个输出端分别连接第一比例控制阀、第二比例控制阀、所述变频器，由流量控制器控制。制器控制。制器控制。


技术研发人员：石东哲
受保护的技术使用者：无锡市优利康电气有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/6