水能小水力发电与控制技术

  ttp://person.zju.edu/jxiang水能、小水力发电与控制技术本章主要内容5.1水力资源与水能的利用5.2水力发电5.3小水力发电机组的构成及工作原理5.4小水力发电机组的控制5.5小水电站的计算机监控与SCADA系统5.6小水力发电的经济技术性评价小型水力发电机组水力发电站三峡大坝胡佛水坝（HooverDam）小水力发电站机房与户外输配电自然界中的水体在流动过程中产生的能量，称为水能。水能的重要应用就是水力发电。水力发电是利用河流、湖泊中的水在流经不同高度地形时产生的能量来发电，是由水力发电机组中的水轮机和发电机实现将水的位能通过水轮机变为机械能，再驱动发电机变为电能的二次能源转换。水力发电机组主要由水轮机和发电机组成，水轮机的种类很多，不一样的种类的水轮机在小水电中均有应用。水力发电机主要是同步发电机。小水电的新技术重点：水力发电机组的控制水力发电机组的控制：频率及功率控制为主水力发电机组并网：准同步并网和自同步并网实现自动并网，其中以准同步并网为主电网的无功功率补偿：由各种无功功率补偿器完成计算机监控系统：小型水电站的自动监测、控制和保护水电站的现场监控及远程监控监控与数据采集系统（SCADA系统），可实现水力发电与调度的完全自动化。5.1水力资源与水能的利用全世界技术上可开发的水能资源约15万亿kW•h。水能包括：位能、压能和动能三种形式广义的水能：河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋热能狭义的水能：河流水能，即河流、湖泊等位于高处的水流至低处时所具有的位能5.1.1水能及水力资源的特点水能：自然界中的水体在流动过程中产生的能量根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资源，潮汐能资源占小部分，波浪能利用尚处于试验阶段。我国水力资源的特点:１）水力资源总量较多，但开发利用率低２）水力资源地区分布不均，与经济发展不匹配３）大多数河流年内、年际径流分布不均４）水力资源大多分布在于大江大河，有利于集中开发和规模外送5.1.1水能及水力资源的特点当位于高处具有位能的水流至低处冲击水轮机时，将其中所含有的位能转换成水轮机的动能，再由水轮机作为原动机推动发电机发电。水能的主要利用形式是水力发电。水力发电是利用河流在流经不同高度地形时产生的能量来发电。水力发电在某一种意义上讲是水的位能变成机械能，又变成电能的“转换过程”。5.1.2水能及水力资源的利用可利用的水量和一年中不同的流量决定了水力发电站一年的发电量是不同的。水能的大小取决于两个因素：河流中水的流量（Q）和水从多高的地方流下来（水头/H）水的流量：指单位时间内水流通过河流（或水工建筑物）过水断面的体积，一般用立方米/秒（m/s）和升/秒（l/s）来表示。水头：用来表示发电站的发电机到水坝的水平面的高度（m）。5.1.2水能及水力资源的利用式中P——发电机的输出功率（kW）；Q——流量（m/s），单位时间内流过水轮机水的体积；H——水头（m），水轮机做功用的有效水头，为水轮机进出口断面的总水位差；电厂的效率（包括水轮机和发电机的总效率0.60-0.85）；9.81—流速和水头转换为kW•h的常系数。水力发电机发出的电能称为发电机的出力。（5-1）其计算公式为5.1.2水能及水力资源的利用QH对于小型水电站，水力发电机的出力近似为年发电量的公式为E——年发电量（kW•h）；——平均出力（kW）；T——年利用小时数（h）5.1.2水能及水力资源的利用按水电站集中水头的手段――可分为堤坝式、引水式和混合式水电站三种基本类型；堤坝式适用大中型、引水式适用小型。按水电站利用水头的大小――可分为高水头（70m以上）、中水头（15～70m）和低水头（低于15m）三种水电站。按水电站装机容量的大小――可分为大型水电站（装机容量在30万kW或以上）、中型水电站（5～30万kW）和小型水电站（5万kW以下）。按照水库的调节性能――可分为具有调节水量能力的水库式水电站和无水库调节能力的径流式水电站。5.2.1水电站的分类5.2水力发电水力发电一般是通过集中水头，用人工的方式引导水流以高速度冲击水轮机，带动发电机发电，因此典型的水电站由以下几部分所组成：（1）水工建筑物包括大坝、引水建筑物和泄水建筑物等。（2）水轮发电机组水轮机、发电机、主轴及控制管理系统等组成。（3）厂房生产发电、输电和生活的建筑。（4）变电所最重要的包含变压器、各种开关控制设备等。（5）输电线输送电到变电站和终端用户的线分别为水电站的大坝和水电站发电机房的照片图5-1水电站的大坝图5-2水电站发电机房5.2.2水电站的组成图5-3水力发电站发电原理示意图5.2.2水电站的组成常规水电站一般由水库、水坝、引水隧道、发电设备、开关场和输电设备等组成。抽水蓄能电站由上池和上池坝、下池和下池坝、引水隧道、尾水路、发电设备、变压器、开关场及输电设备等组成。定义:小水电是指装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。因此，小水电也包括小小型(容量在101～500kW)和微型(小于100kW)水电站。特点:1）小水电环境影响远小于大型水电站；2）小水电开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；3）小水电可与灌溉、养殖、防洪、航运、旅游等有机结合，同时受公益事业制约；4）小水电站的电力生产规模小，单位装机容量成本比较高；5）小水电站存在着丰枯矛盾。5.2.3小水电堤坝式(包括河床式、坝后式和岸式)水电站根据其集中水头的方式来分类:我国的小水电站目前多半为引水式，一般都会采用梯级开发。3．小水电的类型引水式混合式河床式5.2.3小水电小型水电站主要由及四大部分所组成：组成挡水建筑物（坝）泄洪建筑物（溢洪道或闸）引水建筑物（引水渠或隧洞，包括调压井）电站厂房（包括发电设备、尾水渠、升压站）4．小型水电站的组成5.2.3小水电１．采用新材料和新技术２．应用高科技提高发电机的性价比３．箱式整装小水电站的应用５．采用计算机远程监控新技术４．水力发电机组的自动控制5.2.4小水电的新技术及其应用5.3小水力发电机组的构成及工作原理1．水力发电机组的构成水轮机水轮发电机调速器励磁系统冷却系统电站控制设备一般组成5.3.1小水力发电机组的构成及工作原理水力发电机组是实现水的位能转化为电能的能量转换装置（1）水轮机常用的水轮机有冲击式和反击式两种。（2）水力发电机水力发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，水力发电机组的安装型式上有立式和卧式两种。（3）调速和控制装置（包括调速器和油压装置）作用是调节水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电要求，并实现机组操作(开机、停机、变速、增、减负荷)及安全经济运行。（4）励磁系统通过对直流励磁系统的控制可实现电能的调压、有功功率和无功功率的调节。 5.3.1 小水力发电机组的构成及工作原理 （5）冷却系统 小型水力发电机的冷却主要是采用空气冷却, 大容量水力发电机采 用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。 （6）电站控制设备 电站控制设备目前主要以微机为主，实现水力发电机的并网 、调压、调频、功率因数的调节、保护和通信等功能。 （7）制动装置 额定容量超过一定值的水力发电机均设有制动装置。 5.3.1 小水力发电机组的构成及工作原理 2．水力发电机组的工作原理 水力发电机组的能量转换过程分为二个阶段： 发电机将水轮机的机械能转换为电能。水轮机带动同轴相连的水力发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发 电机的定子绕组切割励磁磁力线产生感应电动势，输出电能实现能量 的转换。 所以水轮机和发电机是水力发电机组中最关键的两个部件。 5.3.1 小水力发电机组的构成及工作原理 水轮机是水涡轮机的简称。根据水的流量和水头大小进行设计和制造的，作用是将水能转变为机械能，并 带动水轮发电机发电。 水轮机的本体由转轮、座环、蜗壳和主轴等组成。除此以外，根据型号的不同，还配有附属装置和部件。 不同型式的水轮机，其结构和适合使用的范围不甚相同。 5.3.2 水轮机 Q=Av ——水轮机的过水断面的面积，单位m；v——过水断面平均流速，单位为m/s 1)水轮机的基本工作参数水轮机的基本工作参数有水头、流量、转速、出力和效率。 水轮机水头：指水轮机进口断面与其出口断面的单位重量水流 能量的差值，用H表示，单位为m。 水轮机流量：指单位时间内通过水轮机过水断面的水流体积， 单价为m/s，通常用Q来表示，即 水轮机的主要工作参数5.3.2 水轮机 水轮机的转速：指水轮机主轴每分钟旋转的转数(r/min)，水轮机的出力：指水轮机轴端输出的功率，其表达式为 ——水轮机轴端输出的功率(kW)。水轮机效率：指水轮机出力与水流出力之比，其表达式为 5.3.2 水轮机 ——水轮机的比转速；n——水轮机的转速（r/min）。 水轮机的比转速水轮机比转速的定义为：几何相似的水轮机，当水头为1m、输出的机械功率 为1kW时的转速称为水轮机比转速。 水轮机比转速的计算公式为 （5-7） 5.3.2 水轮机 水轮机按照工作原理可分为: --转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水 流的压力能和动能均发生明显的变化，主要是压力能的转换。 水轮机的分类冲击式水轮机 反击式水轮机 --转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力 不变，主要是动能的转换。 冲击式水轮机冲击式水轮机根据水流喷射条件和转轮结构的不同，可分为水斗式、斜击式 、双击式三种。 5.3.2 水轮机 a）水斗式水轮发电机组 b）双喷嘴水斗式水轮机转轮 图5-6水斗式水轮机 水斗式水轮机又称培尔顿( Petion)水轮机，如图5-6所示。 （1）水斗式水轮机 5.3.2 水轮机 c）水斗式水轮机工作原理示意图 1－转轮室2—水轮机叶片3—射流制动器4—折向器 水斗式水轮机 从喷嘴喷出来的射流沿 转轮圆周切线方向射向双U型 的水斗中部，然后在水斗中 转向两侧排出，领先压力水 ，通过喷嘴形成一股强有力 的高速射流射出，冲击转轮 上的水斗使其旋转，实现水 能向机械能的转换。 5.3.2 水轮机 a）斜击式水轮发电机组 b）斜击式水轮机转轮 图5-7斜击式水轮机 斜击式水轮机中的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾 角。如图5-7所示。 （2）斜击式水轮机 5.3.2 水轮机 斜击式水轮机 图5-7斜击式水轮机 喷嘴与转轮平面成大 约22.5的角度，射流倾斜 于转轮轴线，从进口平面 一侧射向叶片，通过叶片 后从另一侧排出。 5.3.2 水轮机 双击式水轮机喷嘴中的水流首先从转轮外周进入叶片流道，其中大部分（ 70%～80%）水流的能量转变成转轮的机械能，然后离开流道穿过转轮中心部 分的自由空间，第二次从内周进入叶片流道，剩余（20%～30%）的水流能量 再转变为转轮的机械能，最后水流从转轮外周流出。 （3）双击式水轮机 5.3.2 水轮机 在反击式水轮机中，由于水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流 的作用，所以在同样的水头下其转轮直径小于冲击式水轮机，其最高效率也高 于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率将受到不同程度的影响。 反击式水轮机根据水轮机转轮内水流的特点和水轮机结构上的特点，可分 为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。 2）反击式水轮机 （1）混流式水轮机 图5-8 混流式水轮机 a）混流式水轮发电机组 b）混流式水轮机转轮 混流式水轮机又称为弗朗西斯水轮机。如图5-8所示。 5.3.2 水轮机 混流式水轮机