專利名稱：一種小型水輪發(fā)電站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型水輪發(fā)電站。
背景技術(shù)：
常規(guī)小型水電站采用的鋼筋混凝土構(gòu)建廠房建筑物，對于偏遠(yuǎn)山區(qū)小水電建設(shè)，廠房建筑物的建設(shè)需要進(jìn)行較大土建工程，這樣一方面工程較大，需要較大的資金投入，施 工期長；另外一方面由于工程的建設(shè)也會對所在地的植被進(jìn)行破壞。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決常規(guī)小型水電站建設(shè)存在成本高、工期長的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是 提供一種小型水輪發(fā)電站，其具有環(huán)境適應(yīng)性強，建設(shè)成本低，易維護(hù)特點，運輸、安裝十分 方便的特點。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種小型水輪發(fā)電站，該發(fā)電站包括金屬箱體、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和電控箱體；水輪 機(jī)、發(fā)電機(jī)和電控箱體設(shè)置在金屬箱體內(nèi)，并在金屬箱體上設(shè)置有進(jìn)水管，金屬箱體的底部 設(shè)有出水口 ；所述的水輪機(jī)由安裝殼體、噴針接力器、葉輪、旋轉(zhuǎn)軸和軸承座構(gòu)成，出水口上 方設(shè)有安裝架，安裝殼體設(shè)置在安裝架上，安裝殼體的右端設(shè)置有開啟蓋體，安裝殼體的左 端設(shè)置所述的軸承座，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在軸承座上，旋轉(zhuǎn)軸的一端通過聯(lián)軸器連接所述的發(fā)電 機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸另一端的末端固定設(shè)置所述的葉輪，噴針接力器固定設(shè)置在安裝殼體的上部，噴 針接力器通過電動球閥連接所述的進(jìn)水管，噴針接力器的出水口設(shè)置在葉輪的上方正對葉 輪。作為優(yōu)選，上述的電控箱體設(shè)有快速并網(wǎng)裝置，快速并網(wǎng)裝置包括電子負(fù)荷控制 器、中央處理器和噴針接力器控制裝置，電子負(fù)荷控制器包括調(diào)頻裝置、移相觸發(fā)器、固態(tài) 繼電器和電阻絲，噴針接力器控制裝置控制噴針開度；調(diào)頻裝置同時接入發(fā)電機(jī)組供電線 路和電網(wǎng)線路采集發(fā)電機(jī)組中的當(dāng)前頻率值fN和目標(biāo)頻率fT，調(diào)頻裝置連接所述的中央處 理器，將當(dāng)前頻率值fN輸送給中央處理器，中央處理器連接控制噴針接力器控制裝置和電 子負(fù)荷控制器，中央處理器內(nèi)置有控制程序，控制程序設(shè)定頻率值在48 52赫茲以內(nèi)為 電子負(fù)荷控制器和噴針接力器控制裝置的聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間，并且控制程序執(zhí)行以下的步 驟(1)若發(fā)電機(jī)組當(dāng)前頻率值fN低于48赫茲時，電子負(fù)荷控制器不投入電阻絲工 作，同時噴針接力器控制裝置緩慢增加噴針開度；當(dāng)發(fā)電機(jī)組當(dāng)前頻率值fN高于52赫茲 時，電子負(fù)荷控制器全部投入電阻絲工作，同時噴針接力器控制裝置快速減少噴針開度；(2)若發(fā)電機(jī)組當(dāng)前頻率值&在聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間以內(nèi)，在聯(lián)合調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi) 調(diào)頻目標(biāo)頻率fT，當(dāng)前頻率值fN大于目標(biāo)頻率fT則需要增加電阻絲消耗功率值Pe，當(dāng) 前頻率fN小于目標(biāo)頻率fT則需要減少電阻絲消耗功率值Pe ；當(dāng)前頻率值fN與目標(biāo)頻率 fT之差的絕對值部分|fT-fN|乘以系數(shù)n，加上當(dāng)前頻率值&與上一次頻率fN-i之差即fT-fN| Xn+(fN-fN_1)作為電阻絲消耗功率值Pc ；電阻絲消耗功率值Pc與安裝的電阻絲總功 率值Pt的比值PC/PT小于25 %，則通過噴針接力器控制裝置增加噴針開度；比值PC/PT大于 75%，則通過噴針接力器控制裝置減少噴針開度。
作為優(yōu)選，上述的調(diào)頻裝置的輸出端還連接到移相觸發(fā)器，在調(diào)頻裝置中將當(dāng)前 頻率值fN和目標(biāo)頻率fT進(jìn)行比較，輸出模擬量控制電壓給移相觸發(fā)器，電阻絲與固態(tài)繼電 器串聯(lián)后并聯(lián)在供電線路上，固態(tài)繼電器與移相觸發(fā)器相連接，移相觸發(fā)器控制固態(tài)繼電 器的導(dǎo)通比，實現(xiàn)電阻絲的功率調(diào)節(jié)。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的調(diào)頻裝置包括依次連接的信號整理電路、信號轉(zhuǎn)換電路 和單片機(jī)，信號整理電路將當(dāng)前頻率值fN和目標(biāo)頻率fT分別整理成方波，兩路方波輸出給 信號轉(zhuǎn)換電路，信號轉(zhuǎn)換電路將兩路方波分別轉(zhuǎn)換成中斷信號，中斷信號輸出給單片機(jī)，單 片機(jī)內(nèi)部開定時器，計算兩次觸發(fā)時間間隔，計算頻率值，然后根據(jù)兩次頻率的時間差，計 算相角，通過D/A端口輸出模擬量控制電壓。作為優(yōu)選，上述的模擬量控制電壓為0 5V。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的調(diào)頻裝置具有RS485通訊接口，采用MODBUS通訊協(xié)議，與 中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的在供電線路上通過手動開關(guān)另外并聯(lián)有電阻絲。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的控制程序按以下周期執(zhí)行每次增加或者減少噴針10開 度以15秒為一輸出周期，每次輸出步長為5%。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的金屬箱體采用集裝箱箱體。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述的安裝殼體上設(shè)有吊裝鉤。本發(fā)明的小型水輪發(fā)電站是用標(biāo)準(zhǔn)的大金屬箱子把所有模塊化的發(fā)電設(shè)備在工 廠里全部組裝完成，使之能夠形成一個獨立的水力發(fā)電站。設(shè)備安裝之前僅僅需要簡單的 準(zhǔn)備，主要有為安置這一大金屬箱的混凝土基礎(chǔ)，引水鋼管，和必要的輸電設(shè)備。它占地空 間小，不設(shè)值班室，完全是無人值班。它可以孤立運行，也可以并網(wǎng)運行。本發(fā)明的小型水輪發(fā)電站的裝機(jī)容量在數(shù)百千瓦左右，一方面它是以標(biāo)準(zhǔn)金屬箱 代替龐大的廠房，可大大減少土建工程和對植被的破壞，建設(shè)成本低、施工期短；另一方面 由于采用自動化系統(tǒng)，可減少人員的活動，從而減少人類活動對樹木和小動物的影響；再一 方面，它所需的流量很小，近似小溪水流，更接近自然生態(tài)，所以它是典型的綠色環(huán)保項目， 非常適合偏遠(yuǎn)山區(qū)小水電建設(shè)，解決那些有水資源，但無電網(wǎng)供電的偏遠(yuǎn)山區(qū)的用電問題。進(jìn)一步，本發(fā)明采用了快速并網(wǎng)裝置，既可使微型水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)簡化、成本下降， 同時提高自動化水平、供電可靠性和電能質(zhì)量，避免了能源的大量損耗，可以滿足用戶多用 途的要求。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖3為本發(fā)明快速并網(wǎng)裝置的系統(tǒng)框圖。圖4為頻率調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做一個詳細(xì)的說明。如圖1、圖2所示的一種小型水輪發(fā)電站，該發(fā)電站包括金屬箱體1、水輪機(jī)2、發(fā)電機(jī)3和電控箱體4 ；水輪機(jī)2、發(fā)電機(jī)3和電控箱體4設(shè)置在金屬箱體1內(nèi)，并在金屬箱體 1上設(shè)置有進(jìn)水管5，金屬箱體1的底部設(shè)有出水口 7。所述的水輪機(jī)2由安裝殼體6、噴針 接力器9、葉輪11、旋轉(zhuǎn)軸13和軸承座12構(gòu)成，出水口 7上方設(shè)有安裝架15，安裝殼體6設(shè) 置在安裝架15上，安裝殼體6的右端設(shè)置有開啟蓋體8，安裝殼體6的左端設(shè)置所述的軸 承座12，旋轉(zhuǎn)軸13設(shè)置在軸承座12上，旋轉(zhuǎn)軸13的一端通過聯(lián)軸器14連接所述的發(fā)電 機(jī)3，旋轉(zhuǎn)軸13另一端的末端固定設(shè)置所述的葉輪11，噴針接力器9固定設(shè)置在安裝殼體 6的上部，噴針接力器9通過電動球閥16連接所述的進(jìn)水管5，噴針接力器9的出水口設(shè)置 在葉輪11的上方正對葉輪11。電控箱體4上設(shè)置有快速并網(wǎng)裝置，快速并網(wǎng)裝置包括電子負(fù)荷控制器41、中央 處理器47和噴針接力器控制裝置42，電子負(fù)荷控制器41包括調(diào)頻裝置44、移相觸發(fā)器44、 固態(tài)繼電器45和電阻絲46，噴針接力器控制裝置42控制噴針10開度，噴針接力器控制裝 置42可以采用專利號為20062010916. 9的實用新型所述的水輪機(jī)液壓操作器；調(diào)頻裝置同 時接入發(fā)電機(jī)4組供電線路49和電網(wǎng)線路采集發(fā)電機(jī)4組中的當(dāng)前頻率值fN和目標(biāo)頻率 fT，目標(biāo)頻率fT*50HZ，調(diào)頻裝置連接所述的中央處理器47，將當(dāng)前頻率值fN輸送給中央處 理器47，中央處理器47連接控制噴針接力器控制裝置42和電子負(fù)荷控制器41，中央處理 器47內(nèi)置有控制程序，控制程序設(shè)定頻率值在48 52赫茲以內(nèi)為電子負(fù)荷控制器41和 噴針接力器控制裝置42的聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間，并且控制程序執(zhí)行以下的步驟(1)若發(fā)電機(jī)4組當(dāng)前頻率值fN低于48赫茲時，電子負(fù)荷控制器41不投入電阻 絲46工作，同時噴針接力器控制裝置42緩慢增加噴針10開度；當(dāng)發(fā)電機(jī)4組當(dāng)前頻率值 fN高于52赫茲時，電子負(fù)荷控制器41全部投入電阻絲46工作，同時噴針接力器控制裝置 42快速減少噴針10開度；(2)若發(fā)電機(jī)4組當(dāng)前頻率值fN在聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間以內(nèi)，在聯(lián)合調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)調(diào) 頻目標(biāo)頻率fT，當(dāng)前頻率值fN大于目標(biāo)頻率fT則需要增加電阻絲46消耗功率值P。，當(dāng)前頻 率fN小于目標(biāo)頻率fT則需要減少電阻絲46消耗功率值Pe ；當(dāng)前頻率值fN與目標(biāo)頻率fT之 差的絕對值部分I fT-fN I乘以系數(shù)n，系數(shù)η為0. 25或0. 125 ；加上當(dāng)前頻率值fN與上一次 頻率fN_i之差即IfffgXn+^-f^)作為電阻絲46消耗功率值Pc;電阻絲46消耗功率值 Pc與安裝的電阻絲46總功率值Pt的比值Pe/PT小于25%，則通過噴針接力器控制裝置42 增加噴針10開度；比值Pe/PT大于75%，則通過噴針接力器控制裝置42減少噴針10開度。 為避免導(dǎo)葉動作過于頻繁，延長機(jī)械部件運行壽命，每次增加或者減少導(dǎo)葉開度以15秒為 一輸出周期，每次輸出步長為5%。如圖2所示，電子負(fù)荷控制器41的頻率調(diào)節(jié)器44的輸出端連接移相觸發(fā)器44，如 圖4所示，頻率調(diào)節(jié)器44包括依次連接的信號整理電路20、信號轉(zhuǎn)換電路21和單片機(jī)22， 單片機(jī)22采用選用8051系列。信號整理電路20將采集的當(dāng)前頻率值fN和目標(biāo)頻率fT， 分別整理成方波，兩路方波輸出給信號轉(zhuǎn)換電路21，信號轉(zhuǎn)換電路21將兩路方波分別轉(zhuǎn)換 成中斷波，中斷波輸出給單片機(jī)22，單片機(jī)22內(nèi)部開定時器，計算兩次觸發(fā)時間間隔，計算 頻率值，然后根據(jù)兩次頻率的時間差，計算相角，斬波調(diào)壓，然后通過D/A端口 24輸出模擬量控制電壓O 5V給移相觸發(fā)器44。如圖2所示，電阻絲46與固態(tài)繼電器45串聯(lián)后并聯(lián) 在供電線路49上，固態(tài)繼電器45與移相觸發(fā)器44相連接，移相觸發(fā)器44控制固態(tài)繼電器 45的導(dǎo)通比，實現(xiàn)電阻絲46的功率調(diào)節(jié)。當(dāng)然，供電線路49上還可以通過手動開關(guān)48另 外并聯(lián)有電阻絲46。同時，頻率調(diào)節(jié)器44具有RS485通訊接口，采用MODBUS 通訊協(xié)議，與 中央處理器47進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)通訊。
權(quán)利要求
一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于該發(fā)電站包括金屬箱體(1)、水輪機(jī)(2)、發(fā)電機(jī)(3)和電控箱體(4)；水輪機(jī)(2)、發(fā)電機(jī)(3)和電控箱體(4)設(shè)置在金屬箱體(1)內(nèi)，并在金屬箱體(1)上設(shè)置有進(jìn)水管，金屬箱體(1)的底部設(shè)有出水口(7)；所述的水輪機(jī)(2)由安裝殼體(6)、噴針接力器(9)、葉輪(11)、旋轉(zhuǎn)軸(13)和軸承座(12)構(gòu)成，所述的出水口(7)上方設(shè)有安裝架(15)，安裝殼體(6)設(shè)置在安裝架(15)上，安裝殼體(6)的右端設(shè)置有開啟蓋體(8)，安裝殼體(6)的左端設(shè)置所述的軸承座(12)，旋轉(zhuǎn)軸(13)設(shè)置在軸承座(12)上，旋轉(zhuǎn)軸(13)的一端通過聯(lián)軸器(14)連接所述的發(fā)電機(jī)(3)，旋轉(zhuǎn)軸(13)另一端的末端固定設(shè)置所述的葉輪(11)，噴針接力器(9)固定設(shè)置在安裝殼體(6)的上部，噴針接力器(9)通過電動球閥(16)連接所述的進(jìn)水管，噴針接力器(9)的出水口(7)設(shè)置在葉輪(11)的上方正對葉輪(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于電控箱體(4)設(shè)有快速 并網(wǎng)裝置，快速并網(wǎng)裝置包括電子負(fù)荷控制器(41)、中央處理器(47)和噴針接力器控制裝 置(42)，電子負(fù)荷控制器(41)包括調(diào)頻裝置(43)、移相觸發(fā)器(44)、固態(tài)繼電器(45)和電 阻絲(46)，噴針接力器控制裝置(42)控制噴針接力器(9)的噴針(10)開度；調(diào)頻裝置(43) 同時接入發(fā)電機(jī)⑶組供電線路(49)和電網(wǎng)線路采集發(fā)電機(jī)(3)組中的當(dāng)前頻率值&和 目標(biāo)頻率&，調(diào)頻裝置(43)連接所述的中央處理器(47)，將當(dāng)前頻率值fN輸送給中央處 理器(47)，中央處理器(47)連接控制噴針接力器控制裝置(42)和電子負(fù)荷控制器(41)， 中央處理器(47)內(nèi)置有控制程序，控制程序設(shè)定頻率值在48 52赫茲以內(nèi)為電子負(fù)荷控 制器(41)和噴針接力器控制裝置(42)的聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間，并且控制程序執(zhí)行以下的步 驟1)若發(fā)電機(jī)(3)組當(dāng)前頻率值fN低于48赫茲時，電子負(fù)荷控制器(41)不投入電阻絲 (46)工作，同時噴針接力器控制裝置(42)緩慢增加噴針(10)開度；當(dāng)發(fā)電機(jī)(3)組當(dāng)前 頻率值fN高于52赫茲時，電子負(fù)荷控制器(41)全部投入電阻絲(46)工作，同時噴針接力 器控制裝置(42)快速減少噴針(10)開度；2)若發(fā)電機(jī)(3)組當(dāng)前頻率值&在聯(lián)合調(diào)節(jié)工作區(qū)間以內(nèi)，在聯(lián)合調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)調(diào)頻 目標(biāo)頻率&，當(dāng)前頻率值fN大于目標(biāo)頻率fT則需要增加電阻絲(46)消耗功率值P。，當(dāng)前 頻率fN小于目標(biāo)頻率fT則需要減少電阻絲(46)消耗功率值Pe;當(dāng)前頻率值&與目標(biāo)頻 率4之差的絕對值部分|fT_fN|乘以系數(shù)n，加上當(dāng)前頻率值&與上一次頻率fN_i之差即fT-fN| Xn+(fN-fN_1)作為電阻絲(46)消耗功率值Pc ；電阻絲(46)消耗功率值Pc與安裝的 電阻絲(46)總功率值Pt的比值PC/PT小于25%，則通過噴針接力器控制裝置(42)增加噴 針(10)開度；比值&/^大于75%，則通過噴針接力器控制裝置(42)減少噴針(10)開度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于調(diào)頻裝置(43)的輸出端 還連接到移相觸發(fā)器(44)，在調(diào)頻裝置(43)中將當(dāng)前頻率值&和目標(biāo)頻率fT進(jìn)行比較， 輸出模擬量控制電壓給移相觸發(fā)器(44)，電阻絲(46)與固態(tài)繼電器(45)串聯(lián)后并聯(lián)在供 電線路上，固態(tài)繼電器(45)與移相觸發(fā)器(44)相連接，移相觸發(fā)器(44)控制固態(tài)繼電器 (45)的導(dǎo)通比，實現(xiàn)電阻絲(46)的功率調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于調(diào)頻裝置(43)包括依次 連接的信號整理電路(20)、信號轉(zhuǎn)換電路(21)和單片機(jī)(22)，信號整理電路(20)將采集 的供電線路(49)中的當(dāng)前頻率值&和目標(biāo)頻率fT分別整理成方波，兩路方波輸出給信號轉(zhuǎn)換電路(21)，信號轉(zhuǎn)換電路(21)將兩路方波分別轉(zhuǎn)換成中斷，中斷輸出給單片機(jī)(22)， 單片機(jī)(22)內(nèi)部開定時器，計算兩次觸發(fā)時間間隔，計算頻率值，然后根據(jù)兩次頻率的時 間差，計算相角，通過D/A端口(23)輸出模擬量控制電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于模擬量控制電壓為O 5V0
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于調(diào)頻裝置(43) 具有RS485通訊接口，采用MODBUS通訊協(xié)議，與中央處理器(47)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于在供電線路(49) 上通過手動開關(guān)(48)另外并聯(lián)有電阻絲(46)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于控制程序按以下周期執(zhí) 行每次增加或者減少噴針(10)開度以15秒為一輸出周期，每次輸出步長為5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于金屬箱體(1)采用集裝 箱箱體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型水輪發(fā)電站，其特征在于安裝殼體(6)上設(shè)有吊 裝鉤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小型水輪發(fā)電站。一種小型水輪發(fā)電站，該發(fā)電站包括金屬箱體、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和電控箱體；水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和電控箱體設(shè)置在金屬箱體內(nèi)，金屬箱體上設(shè)置有進(jìn)水管，水輪機(jī)由安裝殼體、噴針接力器、葉輪、旋轉(zhuǎn)軸和軸承座構(gòu)成，安裝殼體的右端設(shè)置有開啟蓋體，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在軸承座上，旋轉(zhuǎn)軸的一端通過聯(lián)軸器連接發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸另一端的末端固定設(shè)置葉輪，噴針接力器固定設(shè)置在安裝殼體的上部，噴針接力器連接進(jìn)水管，噴針接力器的出水口設(shè)置在葉輪的上方正對葉輪。本發(fā)明的小型水輪發(fā)電站解決常規(guī)小型水電站建設(shè)存在成本高、工期長的技術(shù)缺陷，其具有環(huán)境適應(yīng)性強，建設(shè)成本低，易維護(hù)特點，運輸、安裝十分方便的特點。
文檔編號H02J3/38GK101864755SQ20101019804
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者張巍, 徐偉, 徐國君, 熊杰, 王曉罡, 董大富, 金華頻 申請人:水利部農(nóng)村電氣化研究所;杭州思綠能源科技有限公司