新能源技术-小水力发电1樊

第4章小水力发电主要内容4.1水力资源与水能的利用4.2水力发电4.3小水力发电机组及工作原理4.4小水力发电机组的控制技术4.5小水电站的计算机监控与SCADA系统

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，是由水轮发电机组中的水轮机和发电机实现水的位能向机械能再向电能的二次转换。

水轮发电机组主要由水轮机和发电机组成，水轮机的种类很多，不同种类的水轮机在小水电中均有应用。水轮发电机主要是同步发电机。小水电的新技术重点：水轮发电机组的控制水轮发电机组的控制：频率及功率控制为主水轮发电机组并网：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4.1.1水能与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。4.1水力资源与水能的利用1、水能2、水力资源根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资源。水能资源，亦称水力资源。水能资源分三级统计理论蕴藏量技术可开发资源经济可开发资源１)水力资源总量较多，但开发利用率低3、水力资源的特点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)水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送

水能的主要应用是水力发电。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。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。因此水力发电在某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”。4.1.2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：河流中水的流量和水从多高的地方流下来（水头）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（m³/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）。式中P—发电机的输出功率（kW）；Q—流量（m³/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；η—电厂的效率（包括水轮机和发电机的总效率）；9.81—流速和水头转换为kW•h的一个常数。水力发电机发出的电能称为发电机的出力。其计算公式为对于小型水电站，水力发电机的出力近似为:年发电量的公式为:式中E——年发电量（kW•h）；——平均出力（kW）；T——年利用小时数（h）①按照水源的性质――常规水电站和抽水蓄能电站。②按水电站集中水头的手段――堤坝式、引水式和混合式水电站。③按水电站利用水头的大小――高水头（70m以上）、中水头（15～70m）和低水头（低于15m）水电站。④按水电站装机容量的大小――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）。⑤按照水库的调节性能――具有调节水量的调节水库水电站和无水库调节能力的径流式水电站。4.2.1水电站的分类4.2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）水力发电机组：水轮机、发电机、主轴及控制系统等组成。3）厂房：生产发电、输电和生活的建筑。4）变电所：主要包括变压器、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路。1、典型水电站的组成4.2.2水电站的组成水电站的大坝水电站发电机房机械工业出版社水力发电站发电原理示意图1－挡河大坝2－打开导管的阀门3－水轮机的叶轮4－发电机常规水电站利用天然河流、湖泊等水源发电。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。常规水力发电流程图2、常规水电站的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

抽水蓄能水力发电流程图抽水蓄能发电为目前实现负载管理、调节系统用电高峰和低谷时电量的最佳方式。3、抽水蓄能电站的组成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。1、小水电的定义与特点

4.2.3小水电的特点（1）定义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；4）小水电站的电力生产规模小，单位装机容量成本较高；5）小水电站存在着丰枯矛盾。（2）特点堤坝式（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，如利用天然瀑布、急滩、河段跌水、河流弯道、高山湖泊等，这是利用山区小河自然坡降的一种较为经济的开发方式。一般采用梯级开发。2、小水电的类型

引水式混合式坝后式水电站示意图河床式水电站示意图引水式水电站示意图混合式水电站示意图小型水电站主要由四大部分组成：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）电站厂房（包括发电设备、尾水渠、升压站）3、小型水电站的组成小水电发电机组主要应用的新技术有：

4.2.4小水电的新技术及其应用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；4）水力发电机组的自动控制；5）采用计算机远程监控新技术。1、水力发电机组的构成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。水轮机发电机调速器励磁系统冷却系统电站控制设备4.3小水力发电机组及工作原理一般组成：4.3.1小水力发电机组的构成及工作原理（1）水轮机

（2）发电机

常用的水轮机有冲击式和反击式两种。（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。发电机大部分采用同步发电机，一般转速较低，水力发电机组的安装型式上有立式和卧式两种。（5）冷却系统

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。（6）电站控制设备（7）制动装置

额定容量超过一定值的水轮发电机均设有制动装置。小型水轮发电机的冷却主要采用空气冷却，大容量水轮发电机采用了定、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。2、水力发电机组的工作原理

具体过程为：在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的位能转换为机械能；水轮机又带动同轴相连的发电机旋转，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在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于水流不间断地作用于水轮机，水轮机从水流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某以恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。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，其结构和适用范围不甚相同。水轮机是水涡轮机的简称。水轮机是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。4.3.2水轮机及其工作原理

Q=Av式中A——水轮机的过水断面的面积，单位m

²；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m³/s，通常用Q来表示，即4.3.2.1水轮机的主要工作参数式中ηs——水轮机的效率；Pi——水流输入水轮机的功率（kW）。

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Ps=9.81QH式中Ps——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2、水轮机的比转速

水轮机比转速：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。

水轮机比转速是衡量水轮机技术性能和经济指标合理性的综合参数。提高比转速可减小机组尺寸、降低机组制造难度和造价、节约厂房土建费用。4.3.2.2水轮机的分类水轮机

反击式

冲击式

混流式轴流式斜流式贯流式水斗式（切击式）斜击式双击式轴流定浆式轴流转浆式全贯流式半贯流式根据水能转换的特征分根据水流流经转轮的方式不同分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变化，主要是压力能的转换。

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。能量转换水流流态转轮主要组成部件冲击式动能自由射流大气压喷嘴、折流板、转轮、机壳反击式势能（动能）压力有压蜗壳、导水部件、转轮、尾水管冲击式水轮机主要组成部件：1）喷嘴（将水流压能变为动能，形成射流并以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成能量转换）2）针阀（调节进水流量，以调节水轮机出力）3）转轮（将射流动能转变为旋转机械能）4）折流板（当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在1-2s内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀可在5-10s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力）5）机壳（把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游）反击式水轮机主要组成部件：1）蜗壳（使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机）2）座环（水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶）3）导水机构（根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩）4）转轮（水能转变为机械能）5）尾水管（将通过水轮机的水流泄向下游）

水斗式水轮机a）水斗式水轮发电机组b）双喷嘴水斗式水轮机转轮a）b）水斗式水轮机又称培尔顿(Petion）水轮机。（1）水斗式水轮机1、冲击式水轮机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，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。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。（2）斜击式水轮机斜击式水轮机斜击式水轮机c）斜击式水轮机转轮结构1－射流2—喷嘴3—转轮4—斗叶喷嘴与转轮平面成大约22.5º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。

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）双击式水轮机射流特点适用水头H（M）适用电站切击式切线方向40-2000广泛斜击式侧面50-400小型双击式二次冲击6-150小型在反击式水轮机中，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。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

a）b）（1）混流式水轮机混流式水轮机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。混流式水轮机c）混流式水轮机工作原理示意图1－导叶2—转轮3—水轮机轴混流式水轮机

水流径向进入导水机构，轴向流出转轮，带动转轮转动。a）b）

轴流式水轮机a）轴流式水轮发电机组b）轴流式水轮机转轮轴流式水轮机又可分为转桨式和定桨式水轮机。（2）轴流式水轮机轴流式水轮机轴流式水轮机c）轴流式水轮机导水机构d）轴流式水轮机工作原理示意图1—导叶2—轮叶3—转毂在轴流式水轮机中，水流径向进入导水机构中的导叶，轴向进入和流出转轮，带动转轮转动。a)贯流式水轮发电机组b）灯泡贯流式水轮发电机组剖面图（3）贯流式水轮机c）灯泡贯流式水轮机结构和原理示意图１－尾水管２－转轮３－活动导叶４－固定导叶５－发电机６－灯泡体贯流式水轮机斜流式水轮机

a)斜流式水轮机转轮b)斜流式水轮机工作原理示意图1－导叶2—轮叶3—水轮机轴a)b)（4）斜流式水轮机反击式水流流经转轮适用水头单机容量适用电站流入流出H（M）KW混流式径向轴向30-700几十-几十万广泛轴流式轴向轴向3-88几十-几十万低水头大流量河床式斜流式斜向斜向40-120抽水蓄能贯流式轴向轴向3-20几-几万河床式潮汐式同步发电机是交流电机的一种，其运行特点是转子旋转速度和定子旋转磁场的速度严格同步，即电能的频率与转子转速有着严格的不变的关系；同步发电机可通过调节励磁电流来改变功率因数和稳定输出电压，以改善供电质量。小型水轮发电机多数为同步发电机，异步发电机使用较少。微型水轮发电机有异步发电机、同步发电机、永磁发电机，其中又分为单相和三相发电机。4.3.3水力发电机同步发电机的励磁系统主要有两大类：供给励磁电流的整个系统称为励磁系统通过整流装置将交流电流整成直流电流以满足需要直流发电机供给直流励磁电流同步发电机按照转子的结构来分有隐