阅读说明：本技术 微型水力余压发电装置 (Miniature hydraulic residual pressure generating device ) 是由 王成亮 王广明 魏江 王凯 刘方方 杨振辉 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微型水力余压发电装置,其包括供水主管和管道式水轮机,所述供水主管的供水阀门的进水端和出水端分别通过旁路进水管、进水阀门和旁路出水管、出水阀门连接管道式水轮机的进水口和出水口,所述管道式水轮机的发电机通过自适应控制调节器接入电网。本发明能够保证在任意流量、任意落差、任意频率、任意相位、任意电压下,成功并网发电,损耗极低。(The invention relates to a micro hydraulic residual pressure power generation device which comprises a main water supply pipe and a pipeline type water turbine, wherein the water inlet end and the water outlet end of a water supply valve of the main water supply pipe are respectively connected with the water inlet and the water outlet of the pipeline type water turbine through a bypass water inlet pipe, a water inlet valve, a bypass water outlet pipe and a water outlet valve, and a generator of the pipeline type water turbine is connected into a power grid through an adaptive control regulator. The invention can ensure that the grid-connected power generation is successfully carried out under any flow, any fall, any frequency, any phase and any voltage, and the loss is extremely low.)

微型水力余压发电装置

技术领域

本发明涉及水力余压发电技术领域，尤其涉及一种微型水力余压发电装置。

背景技术

众所周知，电能是重要的二次能源，应用于现代社会各个方面，水力发电是最干净的能源，我国是发电大国，而其中80％为火力发电，火力发电每天燃烧大量的煤和石油，并且污染环境。当前能源形势严峻，尤其是世界能源危机，依赖于煤炭，石油等一次能源的电能形势岌岌可危，电力严重短缺。因此，合理用电，节约用电，以及将一些废弃、闲置能量转化为电能已经成为节能降耗工作中的重中之重。

在矿山和冶金企业中，其用水量一般都很大。而且，大多数企业其水源与用水环节存在较大的自然落差，或者输水管道压力过高，减压环节将多余的能量白白浪费。因此，现有的水能利用环节存在较大能源闲置，有很大的再利用空间。

目前，我国与西方的发达国家一样，大型和中型的水力资源开发即将殆尽。于是，微型水力余压发电已经确定为今后开发利用和发展清洁可再生能源的重要方式之一。因此，日本、德国等国家已经提出了利用现存的可用水路进行1～500KW装机容量的“微水电”发电的普及路线，在现有的输水管路上设置微水电设备，对管路中的多余的水压力能进行回收利用。

而目前市面上大部分直接采购水轮发电机组生产厂家的水力发电设备进行余压发电节能，原因是水电站的使用场景、引水排水方式、发电要求、操作管理等，与工厂生产、节能的要求不同，直接套用水电站设备应用于工业回水节能，与工厂生产不匹配，不协调，这也是有很多水压、水头、流量都具备巨大发电潜力的地方，虽然已经安装了水轮发电机组，但是发电量却与预期相差甚远，导致有些情况只能弃水停机。大部分不能满足系统安全性或技术要求，被迫拆除。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够保证在任意流量、任意落差、任意频率、任意相位、任意电压下，成功并网发电，损耗极低的微型水力余压发电装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述微型水力余压发电装置，包括供水主管和管道式水轮机，所述供水主管的供水阀门的进水端和出水端分别通过旁路进水管、进水阀门和旁路出水管、出水阀门连接管道式水轮机的进水口和出水口，所述管道式水轮机的发电机通过自适应控制调节器接入电网。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述发电机与电网之间接入有三相桥回馈/整流IGBT回路，所述三相桥回馈/整流IGBT回路接入直流母线的电容，所述自适应控制调节器接入直流母线。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述自适应控制调节器包括电源板和与所述电源板相连接的主控单元以及与所述主控单元相连接的发波板、参数调节系统、模糊控制器，所述模糊控制器连接发波板，所述发波板连接参数调节系统。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述发波板内设有采样单元，所述采样单元对电网侧的电流和电压进行采样、以及对负载电机侧的电流和电压进行采样，所述采样单元连接模糊控制器。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述采样单元还连接有直流电压采样板，所述直流电压采样板连接直流母线。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述采样单元还连接所述发波板内的保护电路，与主控单元通信连接。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述参数调节系统连接驱动所述发电机的驱动单元，所述驱动单元内设有保护电路，所述保护电路连接有光电耦合器。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述参数调节系统还包括模拟量/数字量控制板和隔离同步检测运算电路，所述模拟量/数字量控制板连接所述驱动单元的保护电路，所述模拟量/数字量控制板连接隔离同步检测运算电路。

在本发明提供的微型水力余压发电装置的一种较佳实施例中，所述主控单元还连接通讯板，所述通讯板连接电动状态操作显示屏和发电状态操作显示屏。

与现有技术相比，本发明提供的微型水力余压发电装置的有益效果是：

一、本发明将余压发电机组设计为与供水主管并联的旁路结构，供水可根据系统需要调节、控制，解决了直接在水水管道压力过高的减压段设计安装发电机组代替减压阀的方式，在水轮机故障时对循环水系统的安全隐患的问题；

二、所述水轮机通过自适应控制调节器进行控制，采用先进的水轮机控制技术与独有的发电控制技术，能够根据水压、水流量自动调节发电能力，能够保证在任意流量、任意落差、任意频率、任意相位、任意电压下，成功并网发电，损耗极低；

三、所述自适应控制调节器还能实时监测电压、电流、频率、功率、发电量等参数，能自动并网运行，具备完善的控制保护功能，并实现无人值守。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明提供的微型水力余压发电装置的结构示意图；

图2是所述水轮发电机接入电网的接线图；

图3是三相桥回馈/整流IGBT回路的接入电路图；

图4是所述自适应控制调节器的接线及原理图；

图5是所述采样单元的接线图；

图6是所述通讯板的接线图；

图7是模拟量/数字量控制板的数字量板接线图；

图8是模拟量/数字量控制板的模拟量板接线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，所述微型水力余压发电装置包括供水主管12和管道式水轮机11，所述供水主管12的供水阀门13的进水端和出水端分别通过旁路进水管14、进水阀门16和旁路出水管15、出水阀门17连接管道式水轮机11的进水口和出水口，所述供水阀门13、进水阀门16、出水阀门17优选用电动蝶阀，便于水轮机的检修，所述管道式水轮机11的发电机18通过自适应控制调节器20接入电网。

本实施例在供水主管侧设计一旁路，将供水引入管道式水轮机，驱动水轮机做功，然后将水流引回供水主管，而水轮机驱动发电机发电，发电并入工厂电网，代替原部分市电的用电，达到节约电能的效果，所述自适应控制调节器用于根据水压、水流量自动调节发电能力。

发电机通过自适应控制调节器连接到工频电网，使电机即可工作在电动状态，也可以工作在发电状态。当水压不足，发电机不能工作时，自适应控制调节器使发电机运转处于电动状态；当水压充足时，水轮机拖动发电机运行，将多余的能量通过发电的形式传递给自适应控制调节器，将能量回馈到电网，实现发电机发电工作。

优选地，本实施例的所述发电机18采用符合国家标准的异步发电机，可以很容易地直接并网。

优选地，本实施例的所述管道式水轮机11采用后轴伸卧式结构，该水轮机由机体、出水管、转轮、主轴、轴承座、水润滑轴承、圆锥滚子轴承、水封、压盖及连接件组成。

具体结构为：机体中布置有固定导叶，水轮机用固定导叶引水进入转轮，转轮前端采用水润滑轴承支承主轴，并用反螺纹封水，有少量漏水可以润滑轴承并由机体侧面的排水管流出水轮机，可以排入生产车间的水池中，转轮后端为一套31310圆锥滚子轴承支撑主轴并承受水推力，圆锥滚子轴承前面有橡胶水封封水和灰尘，主轴采用反螺纹和水封封水，封水有少量漏水可由轴承座的前部孔流出水轮机，排入生产车间的水池中。水轮机主轴通过联轴器连接发电机。

本实施例采用旁路的结构设计，发电量计算方式可参考如下：

通过对供水情况的了解和勘测，供水上游海拔为583米，供水流入工厂地面海拔为529米，供水出口高于工厂地面12米，估算生产管路损失为15米，最大可以回收的压力为27米，供水流量为13500吨/日，即0.156m³/s，扣除高压水150吨/h＝0.042m³/s，可利用流量为0.156-0.042＝0.114m³/s。

发电量计算：

按水轮机的能量转换效率为78％，发电机效率为93％，水轮机可以利用的水头范围为20～27m，水轮发电机组的出力为：

N发＝9.8*水头*流量*水轮机的效率*发电机效率

＝9.8*(20～27)*0.114*78％*93％＝16～22kw。

实施例二

请参阅图2、图3和图4，基于实施例一，本实施例的所述发电机18与电网之间接入有三相桥回馈/整流IGBT回路21，所述三相桥回馈/整流IGBT回路21接入直流母线的电容C6，所述自适应控制调节器20接入直流母线。

本实施例的三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路连接直流母线电容，直流母线电压经过IGBT组成的H桥，输出PWM波形；在电动模式下，三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路进行整流滤波后提供给直流母线能量支撑；在发电模式下，三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路将直流母线能量回馈到电网。

具体的，基于实施例一和/或实施例二，请参阅图4，本实施例的所述自适应控制调节器20包括电源板和与所述电源板相连接的主控单元以及与所述主控单元相连接的发波板、参数调节系统、模糊控制器，所述模糊控制器连接发波板，所述发波板连接参数调节系统。

实施例三

基于上述实施例，如图4和图5所示，本实施例的所述发波板内设有采样单元，所述采样单元对电网侧的电流和电压进行采样、以及对负载电机(发电机)侧的电流和电压进行采样，所述采样单元连接模糊控制器，实现对采集的信号进行模糊智能高精度控制和逻辑运算。

本实施例的所述采样单元负责采集电网信息，包括电网侧电流采样用作过流保护、电网侧电压采样用作过压、欠压、三相不平衡保护、负载电机侧电流采样用作过流保护、负载电机侧电压采用用作过压、欠压、三相不平衡保护。

具体的，所述发波板上具有DSP芯片，所述参数调节系统的控制程序写入到该DSP芯片，控制程序的主要作用就是根据电网的电压的频率、幅值、相位控制水轮机的发电机发出相同的电压，而电流及功率是根据水流变化进行控制。

实施例四

基于实施例三，本实施例的所述采样单元还连接有直流电压采样板，所述直流电压采样板连接直流母线，如图5所示。直流母线电压采样用作电动和发电能量回馈时主控单元的PID计算，以及直流过压保护。

优选地，所述采样单元还连接所述发波板内的保护电路，与主控单元通信连接，如图5所示。

实施例五

基于上述实施例，本实施例的所述参数调节系统连接驱动所述发电机的驱动单元，所述驱动单元内设有保护电路，所述保护电路连接有光电耦合器。

优选地，如图4所示，所述参数调节系统还包括模拟量/数字量控制板和隔离同步检测运算电路，所述模拟量/数字量控制板连接所述驱动单元的保护电路，所述模拟量/数字量控制板连接隔离同步检测运算电路。其中，模拟量板的连接接线如图8所示，数字量板的接线如图7所示。

优选地，如图6所示，所述主控单元还连接通讯板，所述通讯板连接电动状态操作显示屏和发电状态操作显示屏。

根据三相交流异步发电机同步转速计算公式：n0＝60×f/r(f-电源频率，r-发电机极对数)可以看出，发电机的同步转速完全决定于三相交流电源频率。当电机转子转速不变的情况下，改变电机电源频率，就可使电机工作在电动或发电状态。并控制电机的转差控制输出转矩。通过对自适应控制调节器输出电源频率的调整，再配合水轮机进水量的调节，可实现发电机由电动状态到发电状态的任意转换，同时也可实现发电机速度的灵活调整。

水轮机投入运行，当水压过剩时，驱动机械系统所需要的力矩逐步被水轮机的输出力矩所替代，进而发电机的输出力矩由Mn变化为-Mn，发电机由电动状态逐步变化为发电状态。此时，自适应控制调节器也由电源输出状态转变为能量回馈状态，将发电机发出的任一频率的三相交流电回馈为50Hz的工频电，实现发电机与电网的无扰并网，自适应控制调节器将电机的发电功率回馈到50Hz电网，控制电路通过实时检测输入电压信息，将发电机的能量精准的回馈到电网，在并网回馈的切换控制中无任何冲击，真正无扰并网回馈。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。