一种低水头坝体平流水力发电系统及控制系统的制作方法

1.本发明涉及水力发电技术领域，具体涉及一种低水头坝体平流水力发电系统及控制系统。


背景技术：

2.溪流河道存在水能，特别是现在的河道经过长期的水利建设，基本上多建有平坝系统，由于这些坝体高度受安全泄洪局限，水头普遍不高，这些平坝系统用现有的传统水力发电技术根本无法给以发电利用，其应用基本为单一蓄水，限定了所投入的构筑物的建造成本，使得坝体结构强度等级受限容易造成洪水季节的冲刷损坏，维护成本高，使用寿命短，给国家各级水利管理部门造成很大的水利工程维修资金的安排压力和浪费。
3.一种侧斜坝全径流超低水头发电利用技术，提出“自动水闸 水轮机组 直流交流变换方式”的发电解决技术，解决了低水头直接交流并网流速慢的技术问题，但对低水头坝的全径流河水利用有一些特殊技术难题情况：
4.由于径流河道小，水流流量变化快，上游河道水流流速随河道水量变化大，水量越大流速越快,其中流量变化是明面变化，流速变化是隐性变化，而对水力发电而言，传统水力发电技术为管道和水流初速基本为零的重力静态加速能量的利用，流量和流速方便控制，而对径流全流量水能的利用为开放式引水渠，水能的变化既有流量的变化，更有流速的变化，根据水力发电的计算公式，其中流速的变化对水轮机发电输出功率影响更大，因此开放式引水渠水电输出功率水量和流速变化的应对控制为水电利用需要解决的关键技术问题；
5.同时要考虑洪水期泄洪的安全要求，水电利用需要以泄洪安全为基础要求，理论上，安装的自动引水闸可以起到控制水量的作用，实际上，自动引水闸在大流量情况下只能起到全部打开和全部关闭的作用，而不能起到部分关闭调节水量的作用，当上游河道水量过大，特别是洪水期，在外界水量过大时用关小闸门减少进水量，在强大洪水压力下会增快进水的速度，控制效果不明显，需要关闭很大的水量，但这种方法，全河道水能从引水闸部分开口引出会对出水口产生巨大的冲击压力，会对部分坝体产生额外的冲击压力，同时不符合坝体河道洪水期泄洪的安全要求；
6.保证安全是径流水能利用的第一基础安全的刚性要求，在大流量的河道洪水期间，最基本的抗洪措施是打开全部自动引水闸，让大流量洪水从引流槽通过，直接把河水的有害冲击能量转换成电能输出，相对的减少坝体泄洪的压力和坝体冲刷的冲击力，因此满足安全泄洪最大流量前提下的发电组件系统连续不间断发电的过载控制和各种意外情况的应急保护技术措施，应该是低水头河道全径流水力发电需要解决的技术难题。
7.另外，户外钢结构设备容易引发直接雷击，直接雷击是有害的超高电压，水车式发电机水轮机构件体积大，一般直接是户外暴露设施，容易引发直接雷击，而且低转速水力发电机直接三相异步交流并网变速箱成本高，多机组交流异步直接交流并网输出困难，需要间接采用ac/dc和dc/ac开关电源直流交流变换系统，这种变换开关电源系统设备很容易遭
受雷击过电压的损坏，采用传统引雷泄放的富兰克林避雷针保护，增加雷击概率和隐患程度，要求起保护，就要产生直接雷击的隐患，因此必须有可靠的防雷措施给以解决，雷雨期间发电系统安全送电是系统的基础要求，否则这个系统无法保证系统雷雨天的正常运行送电，而达不成投资建设的效益发挥。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
9.一种低水头坝体平流水力发电系统，包括主坝，所述主坝的两端分别连接河道的两端，所述主坝将所述河道分隔成上游河道和下游河道，所述河道的一侧或两侧开设有引水渠，所述引水渠位于所述河道的侧岸边，所述引水渠与所述河道之间架设有河道坝体，所述引水渠的入水口与所述上游河道相通，所述引水渠的出水口与所述下游河道相通，所述引水渠的入水口设置有引水闸，所述引水渠内设置有分水墙和发电组件，所述引水渠被所述分水墙分隔为主发电水道和副发电水道，所述副发电水道靠所述引水闸的入水口设置有调水闸，所述发电组件包括设置在所述主发电水道内的主发电组件和设置在所述副发电水道内的副发电组件。
10.本发明进一步设置为所述发电组件包括水车式水轮机和发电机，所述河道坝体与所述分水墙之间及所述分水墙与所述分水墙之间均架设有安装板，所述水车式水轮机连接在所述安装板之间，所述发电机连接在所述安装板上，所述发电机与所述水车式水轮机相连接，所述水车式水轮机的输出转轴与所述主发电水道内的水流方向或所述副发电水道内的水流方向相互垂直。
11.本发明进一步设置为所述水车式水轮机的输出转轴的两端通过自动离合器和增速器连接所述发电机的输入轴。
12.本发明进一步设置为所述水车式水轮机的输出转轴的两端均设置有第一齿轮，所述第一齿轮上啮合有至少一组第二齿轮，所述第二齿轮上设置有衔接轴，所述衔接轴通过自动离合器连接所述发电机的输入轴。
13.本发明进一步设置为还包括副坝，所述副坝邻接所述河道坝体和所述主坝，所述引水渠内沿水流方向设置有级联的发电组件，所述河道坝体上开设有辅助入水口，所述辅助入水口上设置有辅助引水闸，所述辅助入水口设置在级联的所述发电组件之间。
14.本发明进一步设置为所述主坝上设置有主溢水闸，所述主溢水闸用于控制所述上游河道与所述下游河道的水平面高度差，所述副坝上设置有副溢水闸，所述副溢水闸用于控制所述上游河道与所述下游河道的高度差。
15.本发明进一步设置为所述引水渠的入水口设置有过滤网，所述过滤网的一侧连接所述主坝，所述过滤网的另一侧连接河道的河堤，所述主坝、所述副坝和所述发电组件的并网位置均设置有消雷针。
16.本发明进一步设置为所述下游河道设置有抽水机，所述抽水机将所述下游河道的河水调度到所述上游河道。
17.本发明进一步设置为所述引水渠远离所述河道坝体的一侧开设有泄洪渠，所述引水渠和所述泄洪渠之间设置有水渠坝体，所述泄洪渠的入水口与所述上游河道相通，所述泄洪渠的出水口与所述下游河道相通，所述泄洪渠的两端设置有泄洪闸。
18.一种低水头坝体平流水力发电控制系统，包括上述的低水头坝体水力发电系统，还包括水力发电控制单元、通信模块、并网逆变模块和液位检测模块，
19.所述水力发电控制单元采集各个发电组件的电信号，以获取各个发电组件的发电功率信息；
20.所述液位检测模块设置在上游河道，所述水力发电控制单元采集所述液位检测模块的液位信号，以获得上游河道的液位信息；
21.所述水力发电控制单元采集并网逆变单元的电信号，以获得并网负载用电供需信息；
22.所述水力发电控制单元通过所述通信模块与外部电力调度中心通信，以获得电力供需信息；
23.所述水力发电控制单元根据各个发电组件的发电功率信息、并网负载用电供需信息和电力供需信息，控制引水闸、泄洪闸、调水闸、辅助引水闸、主溢水闸和副溢水闸的开启和关闭；
24.所述水力发电控制单元根据各个发电组件的发电功率信息和电力供需信息，控制自动离合器的断开和接合；
25.所述水力发电控制单元根据液位信息，控制泄洪闸、主溢水闸和副溢水闸的开启和关闭；
26.所述水力发电控制单元根据电力供需信息和液位信息，控制抽水机的启动和关闭；
27.所述水力发电控制单元控制所述并网逆变模块工作，将工作的发电组件输出的直流电转变成交流电进行并网。
28.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
29.本技术方案是适用于中、小流域缓坡河道的低水头坝体水力发电系统，通过在河道侧边开设引水渠，在引水渠内设置分隔的主发电水道和副发电水道，利用引水闸和调水闸来调节主发电水道和副发电水道的水量，从而控制设置在主发电水道和副发电水道内的多发电组件工作。利用水轮机自动离合多机组的结构设计，可以完全满足径流河道在不同水量、不同流速情况下的最大程度地利用径流水流进行发电。
30.本发明的发电组件采用一带多的方式，使得一个水车式水轮机可以联动多个发电机，变相更大程度地利用了径流河道在不同水量和流速下的水能的利用。
31.本发明针对径流河道涨水期、特大洪水灾害情况，不仅在主坝和副坝上设计主、副溢流闸，还设计了配套的泄洪渠和泄洪闸，当径流河道在涨水期、特大洪水灾害时能极大地进行泄洪，保证河道流域具有强大的泄洪能力，主、副坝的加强结构模式，减少洪水期水流对坝体的冲击，增加主坝的使用寿命；同时利用主、副溢流闸和泄洪闸，在退水期和电网用电低峰期的余电增值利用。
32.本发明还在河道下游设置了抽水机，在用电低峰期进行抽水将下游的水调至上游，起到抽水蓄能高低峰的调峰作用。
33.本发明基于水力发电控制单元实现低水头坝体水力发电系统的全自动控制，实现发电系统的不间断安全发电的要求。
附图说明
34.图1为本发明实施例单侧低水头坝体水力发电系统平面示意图。
35.图2为本发明实施例单侧低水头坝体水力发电系统立体示意图。
36.图3为图1中沿副发电水道的剖面示意图。
37.图4为本发明实施例第一种发电组件示意图。
38.图5为本发明实施例第二种发电组件示意图。
39.图6为本发明实施例第三种发电组件示意图。
40.图7为本发明实施例第三种发电组件立体图。
41.图8为本发明实施例采用级联发电组件的单侧低水头坝体水力发电系统平面示意图。
42.图9为图8中副坝与副发电水道的局部示意图。
43.图10为本发明实施例双侧低水头坝体水力发电系统平面示意图。
44.图11为本发明实施例低水头坝体水力发电控制系统框图。
具体实施方式
45.为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
48.实施例1
49.结合附图1至附图9，本发明技术方案是一种低水头坝体平流水力发电系统，包括主坝1，所述主坝1的两端分别连接河道3的两端，所述主坝1将所述河道3分隔成上游河道31和下游河道32，所述河道3的一侧开设有引水渠4，所述引水渠4位于所述河道3的侧岸边，所述引水渠4与所述河道3之间架设有河道坝体5，所述引水渠4的入水口与所述上游河道31相通，所述引水渠4的出水口与所述下游河道32相通，所述引水渠4的入水口设置有引水闸41，所述引水渠4内设置有分水墙42和发电组件6，所述引水渠4被所述分水墙42分隔为主发电水道43和副发电水道44，所述副发电水道44靠所述引水闸41的入水口设置有调水闸45，所述发电组件6包括设置在所述主发电水道43内的主发电组件和设置在所述副发电水道44内的副发电组件。
50.在上述实施例中，所述引水渠4的水流受控于所述引水闸41，所述发电组件6的工作基于于进入所述引水渠4的水流。
51.在上述实施例中，所述副发电水道44的水流还受控于所述调水闸45。
52.在上述实施例中，所述主发电水道43的宽度大于所述副发电水道44的宽度，优先所述主发电水道43的宽度为所述副发电水道44的宽度的两倍；所述主发电组件和所述副发电组件整体结构一致。
53.在本实施例中，所述发电组件6包括水车式水轮机61和发电机62，所述河道坝体5与所述分水墙42之间及所述分水墙42与所述分水墙42之间均架设有安装板46，所述水车式水轮机61连接在所述安装板46之间，所述发电机62连接在所述安装板46上，所述发电机62与所述水车式水轮机61相连接，所述水车式水轮机61的输出转轴与所述主发电水道43内的水流方向或所述副发电水道44内的水流方向相互垂直。
54.在上述实施例中，所述水车式水轮机61的输出转轴与所处的水流方向相垂直，使得水流能正面冲击所述水车式水轮机的叶片，提高发电组件的发电效率。
55.在本实施例中，如附图4所示，所述水车式水轮机61的输出转轴的两端通过自动离合器63和增速器64连接所述发电机62的输入轴，这种发电组件是将所述水车式水轮机的输出转轴和所述发电机的输入轴相连接，采用增速器提高所述发电机的输入轴侧的转速，自动离合器用于断开或接合所述水车式水轮机和所述发电机之间的传动连接，当发电机处于高负载或无需发电情况下，自动离合器断开。
56.在本实施例中，所述水车式水轮机61的输出转轴的两端均设置有第一齿轮65，所述第一齿轮65上啮合有至少一组第二齿轮66，所述第二齿轮66上设置有衔接轴67，所述衔接轴67通过自动离合器63连接所述发电机62的输入轴，采用齿轮组的方式提高发电机的输入轴的转速。
57.在上述实施例中，如附图5所示，所述水车式水轮机的输出转轴两端均啮合一台发电机进行发电，即一组发电组件可以实现两台发电机的发电输出；又如附图6和附图7所示，所述水车式水轮机的输出转轴两端分别啮合两台发电机，即一组发电组件可以实现四台发电机的发电输出；在另外的实施例中，所述水车式水轮机的输出转轴两端均啮合三台发电机进行发电，即一组发电组件可以实现六台发电机的发电输出。
58.在本实施例中，还包括副坝2，所述副坝2邻接所述河道坝体5和所述主坝1，所述引水渠4内沿水流方向设置有级联的发电组件6系统，所述河道坝体5上开设有辅助入水口51，所述辅助入水口51上设置有辅助引水闸52，所述辅助入水口51设置在级联的所述发电组件6系统之间。
59.在上述实施例中，所述一个发电组件6系统包括同一位阶上主发电组件和副发电组件。
60.在上述实施例中，级联的发电组件能最大程度地利用平流河道的水能，当到达下级发电组件的水能不足时，可以通过控制辅助引水闸打开，为下级发电组件提供水能进行高效发电。
61.在本实施例中，所述主坝1上设置有主溢水闸11，所述主溢水闸11用于控制所述上游河道31与所述下游河道32的水平面高度差，所述副坝2上设置有副溢水闸21，所述副溢水闸21用于控制所述上游河道31与所述下游河道32的高度差。
62.在上述实施例中，主、副坝的加强结构模式，减少洪水期水流对坝体的冲击，增加主坝的使用寿命；在主坝和副坝上设计主、副溢流闸，同时利用主、副溢流闸和泄洪闸，在退水期和电网用电低峰期的余电增值利用。
63.在本实施例中，所述引水渠4的入水口设置有过滤网7，所述过滤网7的一侧连接所述主坝1，所述过滤网7的另一侧连接河道3的河堤，所述主坝1、所述副坝2和所述发电组件6的并网位置均设置有消雷针。
64.在上述实施例中，过滤网用于过滤垃圾和杂物，保证发电组件的工作稳定性。
65.在上述实施例中，消雷针布置在发电系统的关键点位，增加感应消雷安全防雷措施，确保雷雨季节不间断安全工作，需要说明的是，消雷针在附图中并未体现，但从文字表达中能清楚地公开了消雷针所设置的位置。
66.在本实施例中，所述下游河道32设置有抽水机8，所述抽水机8将所述下游河道32的河水调度到所述上游河道31。
67.在上述实施例中，在河道下游设置了抽水机，在用电低峰期进行抽水将下游的水调至上游，起到抽水蓄能高低峰的调峰作用。
68.在本实施例中，所述引水渠4远离所述河道坝体的一侧开设有泄洪渠9，所述引水渠9和所述泄洪渠4之间设置有水渠坝体10，所述泄洪渠9的入水口与所述上游河道31相通，所述泄洪渠9的出水口与所述下游河道32相通，所述泄洪渠9的两端设置有泄洪闸91。
69.在上述实施例中，所述引水渠4被所述分水墙42分为主发电水道43和副发电水道44，这样的设置是为了能最大可能地对径流河水加以利用，当径流河水流量和流速处于较低水平时，此时所述引水闸41打开、所述泄洪闸91关闭、所述调水闸45关闭，将进入所述引水渠4入口的水流全部从所述主发电水道43中通过，从而让主发电组件集中输出电力；当径流河水流量和流速处于较高水平时，此时所述引水闸41打开、所述泄洪闸91关闭、所述调水闸45打开，将进入所述引水渠4入口的水流分别从所述主发电水道43和所述副发电水道44中通过，从而让主发电组件和副发电组件同时发电输出电力；当径流河水流量和流速处于极高水平(洪水或高降雨量时期)时，所述引水闸41打开、所述泄洪闸91打开、所述调水闸45打开，在泄洪的同时利用大流量、高流速的水流让主发电组件和副发电组件同时发电输出电力。
70.在另外的实施例中，如附图10所示，所述河道3的两侧均开设有引水渠4，两侧的引水渠4内均设置有发电组件6系统，具体根据实际水流的流量和流速，对两侧的各个水闸及发电组件进行联动管理，对平流水的水能实现最大化利用。
71.本实施例低水头坝体水力发电系统适用于中、小流域缓坡河道的低水头坝体水力发电系统，通过在河道侧边开设引水渠，在引水渠内设置分隔的主发电水道和副发电水道，利用引水闸和调水闸来调节主发电水道和副发电水道的水量，从而控制设置在主发电水道和副发电水道内的多发电组件工作。利用水轮机自动离合多机组的结构设计，可以完全满足径流河道在不同水量、不同流速情况下的最大程度地利用径流水流进行发电。
72.实施例2
73.结合附图1至附图11，本发明技术方案是一种低水头坝体平流水力发电控制系统，包括实施例1所述的低水头坝体水力发电系统，还包括水力发电控制单元100、通信模块200、并网逆变模块300和液位检测模块400，
74.所述水力发电控制单元100采集各个发电组件6的电信号，以获取各个发电组件6的发电功率信息；
75.所述液位检测模块400设置在上游河道31，所述水力发电控制单元100采集所述液位检测模块400的液位信号，以获得上游河道31的液位信息；
76.所述水力发电控制单元100采集并网逆变单元300的电信号，以获得并网负载用电供需信息；
77.所述水力发电控制单元100通过所述通信模块200与外部电力调度中心通信，以获得电力供需信息；
78.所述水力发电控制单元100根据各个发电组件6的发电功率信息、并网负载用电供需信息和电力供需信息，控制引水闸41、泄洪闸91、调水闸45、辅助引水闸52、主溢水闸11和副溢水闸21的开启和关闭；
79.所述水力发电控制单元100根据各个发电组件6的发电功率信息和电力供需信息，控制自动离合器63的断开和接合；
80.所述水力发电控制单元100根据液位信息，控制泄洪闸91、主溢水闸11和副溢水闸21的开启和关闭；
81.所述水力发电控制单元100根据电力供需信息和液位信息，控制抽水机8的启动和关闭；
82.所述水力发电控制单元100控制所述并网逆变模块300工作，将工作的发电组件6输出的直流电转变成交流电进行并网。
83.在上述实施例中，基于水力发电控制单元实现低水头坝体水力发电系统的全自动控制，实现发电系统的不间断安全发电的要求。
84.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。