[发明专利]一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法

说明书

本发明公开了一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法，本发明的变速恒频水力发电系统包括励磁单元、水轮机、恒流源电励磁发电机、双PWM变频器及控制单元，水轮机与恒流源电励磁发电机同轴连接，励磁单元包括恒流源和励磁功率单元，恒流源的输出端与励磁功率单元相连，励磁功率单元与恒流源电励磁发电机相连，恒流源电励磁发电机的输出端与双PWM变频器相连。本发明能够在水轮机工作条件发生变化时通过改变水轮恒流源电励磁发电机的运行转速实现最大水轮捕获，变转速所带的频率不稳定交给变频器去完成使得频率恒定，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，改善水轮机在不同工况下工作效率、提高水轮机水能捕获能力。

技术领域

本发明涉及水力发电系统，具体涉及一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法。

背景技术

传统水力发电站为满足电网频率的要求，水轮机及恒流源电励磁发电机需要保持恒速运行。而受水轮机能量转换特性约束，水轮机效率与运行转速以及进水流量存在耦合关系，当流量变化时，水轮机的最优效率运行转速将随之发生改变。并且，由于受到地区降水以及季节变化的影响，水电站的输入端水头变化明显，其进水流量可能长时间偏离电站的预期工作点，然而水轮机需要一直维持额定转速，此时水轮机转速与流量的不匹配关系不仅会影响机组的水能捕获效率、严重降低水电站输出功率，还会加剧水轮机的空蚀效应，进一步增大机组噪声和振动、减少水轮机使用寿命。

对于恒速发电系统而言，上游水库水势能通过导水机构驱动水轮机，水势能转化为机械能，水轮机轴联发电机旋转进一步将机械能转换为电能。系统运行过程中，励磁机为同步发电机转子提供励磁电流并负责电网的无功能量补偿，同时调速器对发电机转子转速加以控制并维持恒定，发电机定子侧连接电网并输出交流电。

恒速发电机组多采用同步发电机，发电机转速受电网频率约束，其输出的交流电频率必须与电网频率一致，发电机转速与电网频率关系存在如下关系：

f=pn/60，

式中：f=为电机输出电频率，与电网频率一致；p为电机极对数；n为发电机机械转速。通常来说，恒速发电机组运行于额定水文条件下时具有最佳能量转换效率以及运行环境，在实际应用中，机组也是根据电站的额定工况来设计水轮机的运行转速。

目前大多数小水电站一般采用上述的同步发电机直接并网的水力发电系统，通过调节转子绕组励磁电流来调节无功功率，满足水电并网对功率因素的要求，但调节励磁电流会改变接入的电网电压，从而影响电能质量。而且同步发电机转子转速必须与电枢旋转磁场相对静止，受到电网频率的约束，无论在何种工况下水轮机均工作在固定的转速，而小水电站多为径流式水电站，工作水头范围较宽以及流量变化较大，无法稳定运行在某一工况，固定转速运行无法发挥水轮机最大效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法，本发明能够在水轮机工作条件发生变化时通过改变水轮恒流源电励磁发电机的运行转速实现最大水轮捕获，变转速所带的频率不稳定交给变频器去完成使得频率恒定，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，实现了一种新的全功率变流发电技术，可改善水轮机在不同工况下工作效率、提高水轮机水能捕获能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：