第5章_水能、小水力发电与控制技术

（5）冷却系统 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。 （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轮发电机均设有制动装置。
图5－1、图5－2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
图5－3为水力发电站发电原理示意图
1
水流
2 水流
4
3
水流
图5－3 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
2．常规水电站的组成 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。 图5－4为常规水力发电流程图
2．水轮发电机组的工作原理 水轮发电机组的能量转换过程分为二个阶段： 水轮机在水流的冲击作用下开始旋转，将水的位能转换为 机械能。 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 的水轮发电机旋转，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轮发电机组中最关键的两个部件。
4
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。
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
（2）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7－7所示。
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 Q=Av （7－4） 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 。
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）。 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。
5.1 水能及水力资源的特点
5.1.1 水能及水力资源
水能:自然界中的水体在流动过程中产生的能量
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 全世界技术上可开发的水能资源约15万亿kW•h。
5.2.2 水电站的组成
1．典型水电站的组成
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）水轮发电机组 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。
5.3.1 水轮机
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。 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。
1.水轮机的主要工作参数 1)水轮机的基本工作参数
5.3 小水轮发电机组的构成及工作原理
1．水轮发电机组的构成 水轮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 水轮发电机 调速器 一般组成： 励磁系统 冷却系统 电站控制设备
（1）水轮机 常用的水轮机有冲击式和反击式两种。 （2）水轮发电机 水轮发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，水 轮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。
水力发电机发出的电能称为发电机的出力。 其计算公式为
P 9.81QH
（7－1）
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。
水能资源，亦称水力资源。
理论蕴藏量 水能资源分3级统计 技术可开发资源 经济可开发资源 根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资 源，潮汐能资源占小部分，波浪能利用尚处于试验阶段。
5.1.2 水力资源的特点
我国水力资源的特点主要有以下几点: 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)．水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送
2) 水轮机的比转速 水轮机比转速的的定义为：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
nP ns s5 / 4 H
1/ 2
（7－7）
式中 ns——水轮机的比转速； n——水轮机的转速（r/min）。
2. 水轮机的分类 水轮机按照工作原理可分为: 冲击式水轮机 --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。 反击式水轮机 --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。
3．小水电的类型 水电站根据其集中水头的方式来分类: 河床式 堤坝式(包括河床式、坝后式和岸式 引水式 混合式 我国的小水电站目前多半为引水式，一般采用梯级开发。 坝后式 岸式
4．小型水电站的组成 小型水电站主要由及四大部分组成： 挡水建筑物（坝） 泄洪建筑物（溢洪道或闸） 组成 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）
对于小型水电站，水力发电机的出力近似为
P (6.0 ~ 8.0)QH
年发电量的公式为
（7－2）
E PT
（7－3）
式中 E——年发电量（kW•h）；
P
——平均出力（kW）；
T——年利用小时数（h）
5.2以下几种方法： ①按照水源的性质――可分为常规水电站和抽水蓄能电站。 ②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。 ③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。 ④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）。 ⑤按照水库的调节性能――可分为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。
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 （7－5） 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
Ps s Pi
（7－6）
式中 ηs——水轮机的效率； Pi ——水流输入水轮机的功率（kW）。
开关场 变压器 发电设备
发电机 输电铁塔
水库
水 坝
引水管道
水轮机
尾水路
河川
图5－4 常规水力发电流程图
机械工业出版社
3．抽水蓄能电站的组成 图5－5为抽水蓄能水力发电流程图。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。
开关场 变压器 发电设备
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。
发电机 输电铁塔
上池
上 池 坝
引水管道
水轮机
下池
下 池 坝
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。
河川
尾水路
图5－5 抽水蓄能水力发电流程图
机械工业出版社
5.2.3 小水电
1．小水电的定义 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。 2．小水电的特点 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，单位装机容量成本较高； 5）小水电站存在着丰枯矛盾。
5.2水力发电
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”。