Низконапорная гидроэлектростанция
Полезная модель относится к области гидроэнергетики и может быть использована, например, для построения небольших низконапорных гидростанций (ГЭС) широкого применения. Технический результат полезной модели - создание простой, надежной и недорогой схемы ГЭС на генераторах переменного тока широкого применения, эффективно использующей энергию низконапорных водных потоков. Гидростанция содержит: гидродвигатели в виде ортогональных турбин (1) с лопастями крыловидного профиля, установленных поперек турбинных камер с поперечными выступами, генераторы (2) переменного тока, роторы которых вращают турбины (1), выпрямители (3), общую шину (4), к которой через выпрямители (3) подключены статоры генераторов (2), инвертор (5) для соединения с сетью переменного тока, к входу которого подключена общая шина (4), а также блоки (6) управления, регуляторы (7) возбуждения генераторов (2), датчики (8) частоты вращения турбин (1), датчики (9) напора на турбинных камерах. Регуляторы (7) подключены к блокам 6 своими входами, а датчики (8) и (9) своими выходами. Блоки (6) выполнены с возможностью воздействия на регуляторы (7) генераторов для поддержания соотношения
Vл=(2,8÷4,0)VT,
где VT - скорость потока воды в турбинной камере, а Vл - линейная скорость вращающихся лопастей. 1 з.п.ф., 1 ил.
Область техники
Полезная модель относится к области гидроэнергетики и может быть использована, например, для построения низконапорных гидроэлектростанций (ГЭС) широкого применения.
Уровень техники
Известны низконапорные ГЭС, использующие ортогональную турбину с крыловидными лопастями, установленную поперек турбинной камеры с поперечными выступами [RU 2391554].
Как показали проведенные исследования, для низконапорных мини-ГЭС на ортогональных турбинах мощностью в несколько десятков кВт оптимальным и экономически оправданным является использование вместо одного гидроагрегата на полную мощность мини-ГЭС нескольких менее габаритных ортогональных гидроагрегатов.
Известна гидроэлектростанция, содержащая несколько гидротурбин, приводящих во вращение генераторы переменного тока, подключенные статорами к общей шине, и преобразователь частоты, подключенный к сети переменного тока [RU 69355]. Эта ГЭС с несколькими параллельно работающими гидроагрегатами, выбрана в качестве прототипа. При переменной частоте вращения турбин она вырабатывает ток фиксированной частоты за счет вращения роторного магнитного поля асихронизированных генераторов, применение которых экономически оправдано в случае параллельной работы мощных гидротурбин, ориентированных на высокие значения водяного напора.
Недостаток прототипа - необходимость использования вместо синхронных генераторов, выпускаемых промышленностью в широком спектре типономиналов, конструктивно более сложных и специфичных асинхронизированных генераторов.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели - создание простой, надежной и недорогой схемы ГЭС на генераторах переменного тока широкого применения, эффективно использующей энергию низконапорных водных потоков. Предметом полезной модели является гидроэлектростанция, содержащая, по меньшей мере, два гидродвигателя, вращающих роторы генераторов переменного тока, статоры которых соединены через выпрямители с общей шиной, подключенной к входу инвертора, предназначенного для соединения с сетью переменного тока, при этом гидродвигатели выполнены в виде ортогональных турбин с лопастями крыловидного профиля, установленных поперек турбинных камер с поперечными выступами. Это позволяет получить указанный технический результат. Развитие полезной модели состоит в том, что гидроэлектростанция снабжена блоком управления, к которому подключены регуляторы возбуждения генераторов, датчики частоты вращения турбин и датчики напора на входе турбинных камер, при этом блок управления выполнен с возможностью воздействия на регуляторы возбуждения генераторов для поддержания соотношения
где Vт - скорость потока воды в турбинной камере, а Vл - линейная скорость вращающихся лопастей. Это позволяет обеспечить работу турбин гидроэлектростанции с максимальным значением КПД. Осуществление полезной модели с учетом ее развития На чертеже в качестве примера приведена блок-схема предлагаемой ГЭС из двух гидроагрегатов. На блок-схеме обозначено:
- гидродвигатели в виде ортогональных турбин 1 с лопастями крыловидного профиля, установленных поперек турбинных камер с поперечными выступами (эта конструкция подробно раскрыта в описании к патенту RU 2391554);
- генераторы 2 переменного тока, роторы которых вращают турбины 1;
- выпрямители 3;
- общая шина 4, к которой через выпрямители 3 подключены статоры генераторов 2;
- инвертор 5 для соединения с сетью переменного тока, к входу которого подключена шина 4.
Кроме того, на схеме показаны блоки 6 управления, регуляторы 7 возбуждения генераторов 2, датчики 8 частоты 
т вращения турбин 1, датчики 9 напора Н на турбинных камерах. Регуляторы 7 подключены к блокам 6 своими входами, а датчики 8 и 9 своими выходами.
Гидроэлектростанция работает следующим образом.
Ввод каждой турбины 1 в работу осуществляется при наличии на турбинной камере минимально статического напора Н, достаточного для вращения турбины и генерирования электроэнергии. По сигналу датчика 9 производится запуск соответствующей турбины 1 в работу либо полным открытием предтурбинного затвора, если он имеются на гидроэлектростанции, либо запуском сифона, если на ГЭС предусмотрен сифонный водозабор, либо снятием турбины 1 со стояночного тормоза при открытой турбинной камере, заполненной текущей водой.
Под действием воды, текущей через турбинную камеру, в которой установлена турбина 1, и при отсутствии электрической нагрузки на генераторе 2 ортогональная турбина 1 разгоняется и приводит во вращение ротор соответствующего генератора 2. По достижении определенной частоты вращения по сигналам датчика 8 регулятор 7 соответствующего генератора 2 создает магнитный поток возбуждения. Интенсивность разгона турбины 1 при этом уменьшается в связи с возникновением небольшой нагрузки, связанной с созданием магнитного поля генератора 2, но сам разгон продолжается. В процессе разгона регулятор 7 увеличивает магнитное поле генератора 2 до тех пор, пока не прекратится разгон турбины 1 и не стабилизируется на определенном уровне средняя за определенный промежуток времени частота т вращения этой турбины по показаниям датчика 8.
Переменное напряжение на статоре соответствующего генератора 2 устанавливаются блоком 6 с помощью регулятора 7. При распределении нагрузки между генераторами 2 они формируют равные по величине напряжения, выпрямленное значение которых устанавливается на шине 4. Частоты напряжений на статорах генераторов 2 определяются частотами вращения турбин 1 и могут быть разными. Инвертор 5 формирует из выпрямленного постоянного напряжения на шине 4 переменное напряжение заданной фиксированной частоты. Если инвертор 5 подключен к сети, содержащей другие источники переменного тока, то он выполняется по схеме инвертора, ведомого сетью и его выходное напряжение и частота определяются сетью. При работе на локальную сеть, не имеющую другого источника переменного тока, инвертор 5 выполняется с автономным управлением, задающим частоту и напряжение на выходе инвертора 5. Поскольку выходные параметры инвертора 5 поддерживаются практически независимо от рабочих частот т вращения турбин 1 и значения напряжения на шине 4, предлагаемая схема ГЭС позволяет в процессе работы оптимизировать значения т для получения максимума КПД турбин при текущих значениях Н водяного напора на турбинных камерах.
Как показали проведенные исследования, известная из [RU 2391554] низконапорная ортогональная турбина с крыловидными лопастями, установленная поперек турбинной камеры, снабженной поперечными выступами, сохраняет высокий КПД при изменении напора Н и момента нагрузки на валу турбины, если выдерживается соотношение
где VT - скорость потока воды в турбинной камере, а Vл - линейная скорость вращающихся лопастей.
Поддержание соотношения (1) между скоростями Vл и VT блок 6 осуществляет следующим образом.
Значение скорости Vл , равное Dт/2, где D - диаметр колеса турбины, а т контролируется по показания соответствующего датчика 8. Скорость VT может быть определена из выражения
где g - ускорение свободного падения, a R - коэффициент гидравлического сопротивления турбинной камеры, который увеличивается при увеличении отношения VЛ/V Т, а в пределах выражения (1) при максимальном к.п.д. можно считать постоянным.
Из (2) следует, что в оптимуме к.п.д. скорость VT практически определяется величиной напора Н, измеряемой соответствующим датчиком 9. Однако, для поддержания соотношения (1) при изменении Н (и следовательно. VT), требуются регулируемые предтурбинные затворы, усложняющие конструкцию турбинной камеры.
Вместо этого соотношение (1) может поддерживаться, изменением частоты т вращения турбин, определяющей скорость V л., поскольку предлагаемая схема ГЭС позволяет, изменяя т, сохранять фиксированную частоту переменного тока на выходе инвертора 5.
Для изменения угловой скорости т вращения турбины 1 блок 6 воздействует на соответствующий регулятор 7, изменяющий возбуждение генератора 2 и, следовательно, нагрузку на валу турбины 1. Возникающие при этом изменения постоянного напряжения на шине 4, как уже отмечалось выше, не препятствуют поддержанию сетевого напряжения на выходе инвертора 5.
Максимизацию КПД воздействиями на регулятор 7 наиболее целесообразно осуществлять при работе предлагаемой ГЭС на мощную сеть переменного тока.
1. Гидроэлектростанция, содержащая, по меньшей мере, два гидродвигателя, вращающих роторы генераторов переменного тока, статоры которых соединены через выпрямители с общей шиной, подключенной к входу инвертора, предназначенного для соединения с сетью переменного тока, при этом гидродвигатели выполнены в виде ортогональных турбин с лопастями крыловидного профиля, установленных поперек турбинных камер с поперечными выступами.
2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена блоком управления, к которому подключены регуляторы возбуждения генераторов, датчики частоты вращения турбин и датчики напора на турбинных камерах, при этом блок управления выполнен с возможностью воздействия на регуляторы возбуждения генераторов для поддержания соотношения
Vл=(2,8÷4,0)Vт,
где V т - скорость потока воды в турбинной камере;
V л - линейная скорость вращающихся лопастей.
