一种直流联储组网水力发电系统的制作方法

1.本实用新型涉及水力发电系统技术领域，具体涉及一种直流联储组网水力发电系统。


背景技术：

2.水力发电是再生能源，对环境冲击较小，发电效率高达90％以上，发电成本低，发电起动快，数分钟内可以完成发电，调节容易，单位输出电力之成本低。除可提供廉价电力外，还有下列之优点:控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的交通、电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。
3.但是，传统水力发电是根据现有的交流电网制式，直接发出交流电再通过变压器调节入网。其中，水轮机的旋转转速是有严格的要求，所发出来的正弦波交流电必须符合工频50赫兹或英制60赫兹的频率。当电网并网电量发生变化的时候，电网波动的过程中不可避免的会造成一定的水能浪费，影响水能利用率。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种直流联储组网水力发电系统，通过水力发电装置的变相发电机发出的感应交流电经整流矩阵整流成恒压直流源，该恒压直流源与储能装置通过直流联储联动在一起，具有较强的动态均衡能力，进而经电力电子逆变装置能够输出与电网并网电量相适配的能量平衡体，利用电力电子装置的即时响应优势进行并网，以解决现有技术因电网波动而造成的水能资源浪费的问题，进而达到提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种直流联储组网水力发电系统，该水力发电系统包括：
6.水力发电装置，该水力发电装置包括变相发电机和与所述变相电动机连接的整流矩阵，所述变相发电机输出的感应交流电经所述整流矩阵整流成恒压直流源；
7.储能装置，所述储能装置与所述恒压直流源并联连接在直流母排上；
8.逆变装置，所述逆变装置的一端与所述直流母排连接，另一端与电网连接。
9.进一步地，所述变相发电机内设置有若干个相位线圈，每一个所述相位线圈外接一个整流器，每个所述整流器输出的直流电作为独立的直流电源，各个所述直流电源排列起来，形成所述整流矩阵。
10.进一步地，各个所述直流电源依次串联连接。
11.进一步地，各个所述直流电源串并联组合连接。
12.进一步地，所述储能装置包括若干个电池组，若干个所述电池组之间并联连接。
13.进一步地，所述电池组包括多个电池。
14.进一步地，所述逆变装置包括至少一个逆变单元，各个所述逆变单元并联连接。
15.进一步地，所述逆变单元包括逆变器和变压器，所述逆变器与所述变压器串联连
接。
16.进一步地，所述直流母排包括输入端和输出端，所述恒压直流源和所述储能装置均连接在所述输入端上，所述逆变装置连接在所述输出端上。
17.进一步地，所述水力发电装置还包括水轮机，所述水轮机的输出轴与所述变相发电机的转子连接。
18.根据本实用新型的实施方式，具有如下优点：
19.本实用新型通过水力发电装置的变相发电机发出的感应交流电经整流矩阵整流成恒压直流源，该恒压直流源与储能装置并联连接在直流母排上，具有较强的动态均衡能力，通过直流母排与逆变装置的一端的连接，进而经逆变装置能够输出与电网并网电量相适配的能量平衡体，以解决现有技术中因电网波动而造成的水能资源浪费的问题，进而达到提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。
20.具体地，通过变相发电机内设置有若干个相位线圈，每一个相位线圈外接一个整流器，每个整流器输出的直流电作为独立的直流电源，利用直流电可分可合的特性，将经整流矩阵整流后的直流电通过直流母排和储能装置直接并联，进而构建了一种“直流联储”式双源电站，在整个系统中，储能装置这一站将起到“直流稳压”的作用，由于与水力发电装置的连接没有任何转换损失，进而提升能量的利用率。
21.另外，本实用新型的优势还在于不用考虑频率，所以通过直流联储进行稳压，在并网的过程中，其逆变效率可以保持不变，特别是多个逆变单元并机运行的过程中，由于所有的逆变器共享一个直流母排，属于同源状态，可以节约不少相位损耗，进一步达到提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。
22.进一步的，由于储能装置具有天然的缓冲效果，电力电子逆变器有天然的及时响应能力，此类发电装置便具有了天然的调频、调峰能力，维持电网稳定将起到积极的作用。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
24.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。除了变相电动机以外，本直流组网模式，同样支持传统的发电机组。
25.图1为本实用新型的一实施例提供的一种直流联储组网水力发电系统的架构示意图；
26.图2为本实用新型的另一实施例提供的变相发电机外接电气图；
27.图3为本实用新型的另一实施例提供的整流器的结构示意图；
28.图4为本实用新型的另一实施例提供的各个直流电源串联连接结构示意图；
29.图5为本实用新型的另一实施例提供的各个直流电源串并联连接结构示意图；
30.图6为本实用新型的另一实施例提供的各个直流电源串并联连接结构示意图；
31.图7为本实用新型的另一实施例提供的储能装置结构示意图。
32.图中：
33.10、水力发电装置；11、水轮机；12、变相发电机；13、整流矩阵；3、电网；22、储能装置；221、电池组；2211、电池；23、逆变单元；231、升压变压器；232、逆变器；24、直流母排；130、相位线圈；131、整流器；132、直流电源。
具体实施方式
34.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右、横向、竖向等方向均是以本技术实施例图1所示的上、下、左、右、横向、竖向等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，在此一并说明，使用的“第一”、“第二”“第三”“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
36.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”一般理解为电连接，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求保护的范围之内。
38.实施例一
39.本实施例提供了一种直流联储组网水力发电系统，结合如图1所示的架构图，该水力发电系统包括：水力发电装置10、储能装置22和逆变装置，其中，该水力发电装置10包括水轮机11，变相发电机12和整流矩阵13，该水轮机11的输出轴与变相发电机12的转子连接；变相发电机12输出的感应交流电经整流矩阵13整流成恒压直流源，该恒压直流源与储能装置22并联连接在直流母排24上，逆变装置的一端(直流端)与直流母排24连接，另一端(交流端)与电网3连接。
40.需要说明的是，本实施例中的整流矩阵是变相发电机专用的一种控制系统，包括整流器和投切开关，同等条件下也适用传统的发电机。由投切开关来控制对应电路的连接与切断，该整流矩阵的作用是将变相发电机12输出的感应交流电整流成恒压直流源。再者，本实施例中的逆变装置是将来自于直流母排上的直流电转化为交流电并经升压变压器供输给电网的装置；其次，直流母排24包括输入端和输出端，恒压直流源和储能装置均连接在输入端上，逆变装置连接在输出端上。另外，本实施例中水力发电装置电源直流化，整流输出的所述恒压直流源与储能模组并联连接接入直流网，不做任何功率转换，充分利用直流
电的自身特性构建一种多源平衡态，提升系统稳定性，解决调控难度大的问题。具体地，根据电网并网的电量需求量的变化，直流组网单元(储能装置、逆变装置)和水力发电装置并联连接，在并网ems能量管理系统的控制下，二者进行管理联动，整个控制难度大幅减小，不仅可以助力水力发电装置的稳定，同时在防洪救灾、汛期泄洪的工作中，也能起到积极的作用。
41.利用本实施例的技术方案，本实施例通过水力发电装置的变相发电机发出的感应交流电经整流矩阵整流成恒压直流源，该恒压直流源与储能装置并联连接在直流母排上，具有较强的动态均衡能力，通过直流母排与逆变装置的一端的连接，进而经逆变装置能够输出与电网并网电量相适配的能量平衡体，以解决现有技术中因电网波动而造成的水能资源浪费的问题，进而达到提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。
42.作为一种优选的实施方式，本实施例中的逆变装置优选但不限于包括三个逆变单元23，根据实际情况，还可以为2个、4个、6个、8个及更多个，且各个逆变单元23并联连接于直流母排24上。进一步地，逆变单元23包括逆变器232和变压器231，该逆变器232与变压器231串联连接。
43.需要说明的是，本实施例中的变压器的直流输入来自直流母排上的直流电，其相比交流电最大的优势在于不用考虑频率，再者结合通过储能装置进行稳压，在并网的过程中，其逆变效率可以保持不变，特别是多组逆变器并机运行的过程中，由于所有的逆变器共享一个直流母排，他们属于同源状态，还可以节约不少相位损耗，这就是直流联储的要义所在，进而利于达到提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。。
44.实施例二
45.本实施例是在实施例一的基础上，作为一种优选的实施方式，结合图2、图3所示，本实施例中的变相电动机12为全耦合对称，包括转子、定子、多个相位线圈130、其中，每个相位线圈130均连接一个整流器131，经整流器131整流，将交流感应电流转换成直流电源132。另外，本实施例中的变相电动机12还包括低频驱动电路、驱动器主功率电路、以及投切开关(图未示)。结合如图3所示，本实施例中的整流器131包括二极管t1、t2、t3、t4。需要说明的是，结合图4-6所示的直流电源132为整流器231输出电源的代表符号，各个直流电源进行类似电池一样的串并联方式构建所需要的直流电压。本实施例中的每个整流器131输出的直流电作为独立的直流电源132，各个直流电源排列起来，形成直流电源组。更进一步地，整流矩阵13包括直流电源组和换阵控制器(各路的投切开关)，在不同转速的情况下，换阵控制器控制各个直流电源的连接方式，获取不同转速下的输出功率。
46.具体地，如图4至图6所示的各个直流电源132构建的整流矩阵的结构示意图。本实施例的变相发电机是以8极4相的偶极位电动机为例，其中，每一个相位线圈均连接一个整流器，每个整流器131输出的直流电作为独立的直流电源132，在通过换阵控制器(图未示)投切使各个直流电源132进行串并联组合，获取不同转速下的恒压直流源。各个所述直流电源依次串联连接。
47.进一步地，作为一种具体的实施方式，如图4所示，当转速较小的时候，换阵控制器将每一个直流电源132进行串联，即将每一个相位线圈整流后进行串联，获得储能所需的直流高压。例如：如果发电机相位线圈电压在100伏左右的情况下，将8个相位线圈整流后进行串联，可获得800伏的直流电压，应对储能直流联储系统。
48.再者，作为一种具体的实施方式，如图5所示，当转速适中的情况下，通过4串2并相位变化，同样获取需要的直流电压。例如:此时的相位电压在200伏，这四串的直流电压依然是800伏，两个通道并联可获取翻倍的功率，同样有效应对直流联储系统。
49.另外，作为一种具体的实施方式，如图6所示，当进入高速阶段，电机转速很高，相位电压可能达到400伏，此时再次变换，通过2串4并相位变化，获得4倍的输出直流功率。
50.需要说明的是，本实施例中的整流矩阵最大的优势在于“物理隔离”，相比于传统昂贵的dc/dc模块，成本不足20％，可靠性提升一个数量级，特别是储能的安全性得以大幅提高，进而利于提高能量利用率，节约整体成本的有益效果。
51.实施例三
52.本实施例在实施例一、实施例二的基础上，作为一种优选的实施方式，结合如图7所示，本实施例中的储能装置22为多个并联的电池组221组合而成，进一步地，各个电池组221由串联连接的电池2211组成。
53.需要说明的是，本实施例中的电池优选为化学电池，多块电池串联起来组成电池组，多个电池组并联起来形成储能模组，储能装置包括储能模组，该储能模组是本单位自主研发的基于自由模组的多通道矩阵式电池系统，故在此不做过多赘述，还根据实际情况选择电池类型及电池的数量、连接方式等。储能装置作为配合水力发电装置的电源发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储能电站，其储能模组必须容易实现多方式组合，满足较大的工作电压和工作电流，保证安全性和可靠性。
54.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。