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浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

引言：发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。以下是我来浅谈波浪能发电装置发电机优化设计，希望对你们有帮助。

【论文摘要】 本文在上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”的基础上，对其发电机进行了优化设计，去掉了发电机和水轮机的中间转换装置，满足了海洋能直驱发电的形式，通过电机实验室性能测试验证了其可行性，提高了发电效率和可靠率，降低了维护成本，可以应用于实际生产中。

【关键词】浪流一体化;发电装置;发电机;优化设计;直驱发电

0 前言

上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”同时可以捕获波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后产生惯性而发生连续转动;通过主轴带动发电机旋转而产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海洋养殖、海水淡化等提供稳定的电能，并用于解决边远海域的国防设施、部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态建设中的供电需求。本文以此发电装置为研究对象，对其水轮机匹配的发电机进行了优化设计，克服了传统的海洋能需要经过三个部分转换的缺点，没有齿轮箱，减少了传动损耗，采用发电机输出电压稳定控制器，实现了浪轮机的输出转速稳定，提高了发电效率，降低了运行维护成本。尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

1 研究对象与方法

本项目设计的发电机是满足海洋能直驱发电形式的。然而，齿轮箱的存在却成为制约海洋能发电机组发展的因素之一：机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率;海洋能发电机组往往安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，导致升速齿轮箱的工况严峻，维护保养工作量大;为了能适应恶劣的运行环境，齿轮箱毕竟造价昂贵，更由于海洋能能量多变，往往会造成过载，这样就更容易损坏齿轮箱，使得系统运行成本增大。

因此，本设计取掉了中间转换环节，水轮机主轴右端通过联轴器和电机连接在一起，直接带动电机发电，中间不经过任何环节，这就实现了绝对的直驱。本文研制海洋能直驱发电方式有以下几个方面优点：

(1)提高了发电效率高。直驱式发电没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

(2)提高了可靠性。直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件少，可靠性更高。

(3)运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术可减少发电机组装置零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

然而，这样的海洋能直驱发电方式就需要发电机具有低速运行的'特性，并且有较高的效率，更者要求发电机要能在海水中运行。

2 直驱发电机设计

直驱发电机结构设计

发电机采用盘式结构：波浪能单位体积所携带的能量有限，要能高效的收集这些能源，发电机则成为本装置中能源转换的关键设备之一。波浪能发电机，最多每分钟几百转，因此发电机的技术指标、经济性等决定本装置在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种：圆柱式发电机的气隙磁场延轴向分布，要想获得较高的发电效率，圆柱式发电机必须运行在高速下，而盘式发电机的定转子为平行结构，克服了圆柱式发电机定子包容转子的结构缺点，轴向尺寸小，没有叠片和铆压工序，工艺好，因此盘式发电机可以运行在低速条件下。因此发电机选用盘式发电机结构，能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。

发电机输出电压稳定控制器设计

发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。控制器的原理是将输入的交流电流通过三相桥式全控整流电路转化成直流电流，直流电流通过升降压斩波电路将电压输出控制在48V。值得注意的是发电机转速达到54r/min控制器输出端才会有电流输出。控制器如图2所示，经过控制器流出的电流为直流，将控制器后面的电池组“+”“-”接到蓄电池的接口即可，反面细节如图3所示。

直驱电机工作原理

三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中，如图4所示，晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

升降压斩波电路原理

如图5所示为升降压斩波电路原理，V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

3 实验分析

在实验室中模拟不同工况水流下轮机所具有的转数，并以可控转数电动机带动发电机测试其发电性能。为此，我们搭建了发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示，通过机架将发电机固定，通过联轴器与传感器相连。在发电机测试平台中，右边是直流电动机，模拟水轮机的作用，作为动力的出入。通过联轴器与电动机相连的是传感器，这种传感器连接显示屏后可以看到瞬态的扭矩、转速、功率。其中功率可是为发电机的输入功率，这样我们测出输出功率后可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器与扭矩仪如图8所示，扭矩仪上的3个显示屏即为扭矩、转速、功率。

发电机所发出的是三相交流电，三相交流电输入电子测试平台，通过电子测试平台，可以得到三相交流电的瞬态电压、电流、功率、功率因数。流出整流器的电流经过整流变为直流电流，流入功率计，并将滑动变阻箱串联到整个电路中。

4 电机方案总结与展望

方案采用直驱式发电形式不仅增加了发电效率，而且提高的发电装置的可靠性，无障碍运行时间满足了要求。发电机采用盘式发电机结构，其能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。装置发出的三相交流电通过控制器后，经实际测量，电压基本维持在48V左右，且为直流电，这将电能存储到蓄电池中提供了条件，并最终达到了我们的要求。

但是发电机组安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，容易遭受海水腐蚀，因此今后可以做的研究方向还有以下几个方面：

1)发电机本身要具有良好的机械密封设计，评估不同海水深度、压力下密封系统的可靠性。研究海水环流条件下，涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境下，其腐蚀规律，设计相应的耐腐蚀材料;

2)发电机外部可增设防水箱，使发电机与海水具有了隔离层，不仅达到了防水的效果，也使发电机无需浸泡在海水中。

【参考文献】

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[4]张峰，游亚戈，吴必军，李甫杰.中国海洋能专利研究[J].可再生能源，2007，25(2)：79-81.

火力发电厂一次调频问题分析论文

摘要：

频率作为电力系统最重要的运行参数之一，其稳定性对电力系统的安全可靠运行有着重要的影响。作为电力发展主力军的火力发电厂，其调频功能直接关系着整个电力系统的安全稳定。本文从电网调频的介绍入手，介绍了一次调频的主要技术指标，通过分析火力发电厂一次调频目前存在的问题，提出了有针对性的改进措施。

关键词：

火力发电厂;一次调频;问题

一、引言

近年来我国电力工业发展十分迅速，现在虽然已经有部分核电机组，但是火力发电依然是电力发展的主力军、仍然占领着我国电力的大部分市场。现代化的火力发电厂是一个庞大、复杂的生产电能和热能的工厂，由燃料系统、燃烧系统、汽水系统、电气系统和控制系统五部分组成。为了生产电能和热能，五大系统必须按照一系列规程、规章协调运行。火力发电厂协调运行的基本要求就是在经济、安全运行的前提下保证电能的质量指标，即在负荷变化的情况下，通过调整发电机组的运行参数以保证电压和频率的额定值，满足用户的要求。

二、电网调频介绍

由于电力系统日益庞大，电网结构日趋复杂，各种短路、甩负荷的事故经常发生，引起电力系统中的频率波动很大。因此为了保证电网的安全运行，为了保证电力系统中频率的稳定，电网调频就是通过发电机组调速系统根据电网频率的变化改变机组出力，将电网频率稳定在标称频率，电网调频又分为一次调频和二次调频。

一次调频指的是当电网频率超出一定范围时，电网频率的变化将使电网中参与一次调频的发电机组能在短时间内自动快速增加或减少负荷，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化，以使电网频率重新趋于新平衡、稳定的能力。一次调频作为一个随机过程是维护电网稳定的重要手段，其主要特点是频率调整速度快，但调整数量有限并随发电机组不同而不同，同时还具有值班调度员难以控制的特点。

三、一次调频主要技术指标

根据电监会发布的《发电厂并网运行管理规定》(电监市场[2006] 42号)和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》(电监市场[2006]43号)分别制定的细则，一次调频的主要技术指标有以下几个方面：

(一)转速不等率6

转速不等率6是反映机组调频能力的重要指标，它不仅可以反映机组一次调频能力的强弱，而且还可表明稳定性的好坏。转速不等率6越大，机组的调频能力越小，但是稳定性好;转速不等率6越小，机组的调频能力越强，但是稳定性差。目前汽机的转速不等率6取5%。

(二)频率偏差死区

按照电网频率控制的要求，调频控制死区规定为：△f死区=士～士.根据电网频率控制的情况确定调频控制死区的设定值，目前暂按士设置。

(三)负荷调节范围

负荷调节范围是为了保持一次调频时机组的稳定性和设备的安全运行，对调频负荷进行的限幅，以防止一次调整动作时，机组出现过负荷的现象。设置机组负荷调节范围为△MW=士3%ECR～士6%ECR，机组一次调频负荷调节范围目前暂设置为士3%ECR。

四、火力发电厂一次调频存在问题及改进措施

火力发电厂一次调频能力受到很多因素的影响，例如火力发电厂一次调频能力的大小与火电机组的类型、自动控制系统的参数设置、自动控制系统模块的逻辑设计等因素都有很大的关系，特别是火电机组的实时运行情况例如锅炉的蓄热量，对火力发电厂一次调频能力的大小更是有重大的影响，蓄热量大的机组一次调频能力就强，反之亦然。为了充分发挥火力发电厂中一次调频的能力，本文将重点分析火力发电厂一次调频存在的问题。

(一)火力发电厂一次调频存在的问题

火力发电厂一次调频存在的问题主要包括以下几个方面的内容：

l、调度AGC指令与一次调频动作反向，削弱一次调频作用。由于设计上的不合理这种削弱一次调频作用的现象在火力发电厂中普遍存在。

2、一次调频组态不完善。一次调频的典型运行方式有协调投入、锅炉自动、DEH负荷控制和机组手动等四种，仅仅在协调投入运行方式下才能保证满足电网一次调频的要求，但是某些早期投产发电机组在投入协调方式运行时，一次调频组态不完善造成动作后回调。

3、协调投入运行时主蒸汽压力偏差设定值小。主蒸汽压力偏差设定值小会造成一次调频动作负荷较大，造成主蒸汽压力超差时闭锁负荷。

4、火力发电厂中存在个别机组某些运行方式下一次调频功能不尽完善。

5、频率保护装置和机组调节系统不协调。

(二)火力发电厂一次调频的改进措施

针对火力发电厂一次调频存在的问题，需要采取以下措施进行改进。

l、一次调频在协调不投入运行时将DEH侧一次调频单独使用。一次调频协调投入运行时时将DEH和DCS侧一次调频同时使用。

2、在对DEH粗调进行补偿的同时改善锅炉蓄热消耗引起的机前压力品质。

3、改善一次调频考核方式，为一次调频的.经济补偿提供有力证据。根据相关方面的研究，目前采取一次调频的月正确动作率和月贡献电量进行考核，会使考核过程更加合理、科学。

4、取消DCS和DEH画面上一次调频功能投腿操作按钮，保证一次调频功能始终处于投入状态。两个细则要求一次调频未经网调的批准不得退出，因此取消一次调频功能投腿操作按钮是保证一次调频始终投入的重要手段。

5、加强AGC数据传输的可靠性。AGC与协调控制系统的接口结构示惹西一AGC数据从中调的EMS到发电厂的DCS的传输途径如上图所示，因此EMS到DCS的数据传输具有经历环节多，传输距离长，转换过程多的特点，这些因素的存在就会造成输入输出模块故障，信号断线的现象，最终会影响到AGC的投入率。因此，为了提高火力发电厂一次调频的效率就要加强AGC数据传输的可靠性。

6、为了提高火力发电厂电网AGC的快速响应能力，设计特定的AGC机组运行方式。也就是在AGC负荷调整范围内，机组升降负荷采用定压方式，并适当允许机组有较大参数波动，以充分利用锅炉蓄热能力，等变负荷过程结束后再转为滑压运行方式。

五、结论

电网频率是电能质量和电网稳定运行的重要指标，反映了电力系统供需能量的平衡状态，当电力系统中供电也用电失衡时，电网频率就会波动出现偏差。电网频率的波动，对用户和发电机组的危害都非常大，轻则造成用电设备损坏，耗能增加，重则造成电网瘫痪。火力发电厂作为我国电力系统的主要组成部分，一定要重视一次调频对稳定电网频率的作用，从而采取正确的方法来发挥一次调频的作用。

参考文献：

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[4]刘晓亭.调速系统运行及故障分析[A].南方十三省水电学会联络会暨学术交流会论文集[C].2008.