徑流式水電站前池水位自動控制研究

□王利卿 □劉志強

（1河南省鄭州水利學(xué)校；2鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院）

0 引言

徑流式小型水電站的實際運行中，經(jīng)常出現(xiàn)以下兩個問題：一是水電站增加機組出力，引水渠道的來水量小于電站引用流量，使引水渠水面形成較大坡降；二是前池水位在正常高水位附近反復(fù)波動，引起機組出力的不穩(wěn)。上述問題，特別是低水頭電站，嚴(yán)重影響電站的出力，不僅使水力資源不能得到充分利用，而且還有可能導(dǎo)致壓力管道進氣，危及電站設(shè)備的正常運行。因此對前池水位自動控制研究具有很強的工程應(yīng)用價值。

1 徑流式水電站特點

對于徑流式水電站，其調(diào)節(jié)性能較差，且裝機規(guī)模普遍偏小，電站人員素質(zhì)較低，其往往難以有效掌握電站優(yōu)化運行規(guī)則。在電站的實際操作運行中，其機組開機多根據(jù)經(jīng)驗而定，缺乏科學(xué)性，盲目性較大，且由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)測及控制系統(tǒng)，前池水位未能與電站運行進行有效匹配，導(dǎo)致機組未能最優(yōu)利用水能資源。電站現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)多以保護為主，未能參與到機組的自動優(yōu)化中。

2 壅高前池水位電站的出力增加

通過人為調(diào)節(jié)前池水位，使前池水位從Zt雍高到Z0，則電站的水頭增加量為：

電站的發(fā)電水頭為：

由式（2）知，通過壅高前池水位，電站水頭增加，由電站出力公式：

式中：η為電站的綜合效率。

由式（2）和（3）知，通過壅高前池水位，電站的出力增加：

由以上分析可知，對于徑流式電站，在渠道來流情況一定的情況下，通過人為壅高前池水位，電站的出力有所增加。

3 前池水位自動控制實現(xiàn)

3.1 算法理論推導(dǎo)

水電站在大部分運行時間內(nèi)，上游的來水量基本上保持不變。要求水位維持在前池設(shè)計高水位，即要求水電站能根據(jù)給定的前池水位進行發(fā)電。

水電站穩(wěn)定運行在某一水頭H下時，且各臺機組的效率近似相等時，水電站總的流出流量Qout與水電站總輸出功率基本上成正比，則令：

根據(jù)水量平衡原理，對前池水量進行分析：

當(dāng)水頭變化較小的情況下，水電站上游庫區(qū)的水平面面積S基本上保持不變，因此水流體積dV等于:

由（6）（7）式得：

令水電站的出水量為Qout1時的水頭變化率為dH1/dt，水電站的出水量為Qout2時的水頭變化率為dH2/dt，則有：

由(7)式得：

K即為出力變化和水頭變化率的斜率，由K值推導(dǎo)水位控制策略。

3.2 水位控制策略

前池水位自動控制發(fā)電就是盡可能地使水電站運行在前池設(shè)計高水位附近，當(dāng)前池水位運行值偏離設(shè)計高水位時，前池水位自動策略的目的是快速平穩(wěn)的使前池水位調(diào)節(jié)到設(shè)計高水位附近。

前池水位的誤差：

式中Hs為前池設(shè)計高水位，H為前池水位的測量值。

設(shè)定死區(qū)值ε和水位調(diào)節(jié)分界點δ，將前池水位誤差的絕對值He與死區(qū)值ε和水位調(diào)節(jié)分界點δ相比較可分為三個階段，對各個階段采用不同的控制策略:

①當(dāng)|He|小于死區(qū)值ε時，出力不變。

②當(dāng)|He|大于水位調(diào)節(jié)分界點δ時，第n次計算的出力P（n）為:

式中s為水位變化率，水位比設(shè)定值低時，s是正值，水位升高；水位比設(shè)定值高時，s是負值，水位降低。P（n-1）是前一次計算的出力給定值，△H（n-1）是上一計算周期內(nèi)水位的變化量，T是水位控制的計算周期時間。

③當(dāng)ε≤|He|<δ時，令水位的平均變化率與|He|/δ成正比，即水位誤差越小，變化就越慢。全廠總的功率給定值為：

在計算出出力給定值P（n）之后，先判斷P（n）是否在所能允許的出力范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則取范圍內(nèi)的最大或最小限值，若在該范圍內(nèi)，進行修正后并調(diào)用機組的LCU實現(xiàn)功率閉環(huán)控制，使實際出力趨于設(shè)定值。最后將P（n）存于P（n-1），將△H(n)存于△H(n-1)，為下一輪的水位調(diào)節(jié)做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)語

文章對徑流式小型水電站的前池水位自動控制進行了探討，通過理論分析電站的壅高前池水位的發(fā)電出力增加，建立了前池水位自動控制的模型，并提出前池水位自動控制策略，實現(xiàn)小型徑流式水電站微機監(jiān)控系統(tǒng)下開停機及機組開度的自動化控制，避免電站的誤動及運行操作的盲目，可有效改善電站的運行性能，提高其發(fā)電效益。