1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 千瓦级水力发电机的建模与仿真 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电 气 学生姓名： XXXXXXXX 指导教师： XXXXXXXX I 摘 要 本文 首先通过介绍当今世界能源短缺的现状，引出了要研究的千瓦级水力发电。千瓦级水力发电属于微型水力发电的范畴，因此本文又介绍了水力发展现状和微型水力发电 的技术进展与市场调研。在千瓦级水力发电机的建模前，我还根据水轮发电机的分类对其中的各部分进行了选型，并分析了水轮发电机组各部分，引水系统，水轮机，发电机励磁系统等的数学模型。然后运用 MATLAB 软件对水轮发电机的各部分分别建模后再依据互相之间的关系建立整个系统
2、的模型，最后在动态的条件下对水轮发电机的运行状态进行仿真分析。 论文主要研究了 水轮发电机的工作原理和水轮发电机的建模仿真 。研究结果表明 ,在动态的情况下，所设计的水轮发电机组的运行状态基本能够保持稳定，满足用电的基本要求 。本文的特 色 通过反馈同步发电机的运行 状态来控制水轮发电机，最后让发电机运行状态基本保持稳定 。 关键词： 千瓦级水力发电 ； 水轮发电机 ； 数学模型 ； MATLAB 建模仿真 II Abstract Firstly, by introducing the worlds energy shortage situation, this article leads t
3、o the need to study kilowatt hydroelectric power. Kilowatt hydroelectric power belongs to the category of micro- hydro, so this article describes the technical progress and status of hydro and micro- hydro development and market research. Before modeling kilowatt hydroelectric, I also according to t
4、he classification of the various parts of hydro which conducted the selection and analysis of the various parts of hydroelectric generating set, such as water systems, turbine, generator excitation systems, etc. mathematical model. Then use MATLAB software for modeling each part separately and then
5、build hydro entire system based on the model of the relationship between each other , and finally under dynamic conditions ,I simulation analysis the running state of my machine.Thesis is mainly on the working principle and the modeling and simulation of hydro turbine generator.The results show that
6、: In the dynamic case, the design of the operational status of hydro-generating unit can maintain the basic stability of electricity and meet the basic requirements. Features of this article: synchronous generator through feedback to control the hydro, and let the generator run status remained stabl
7、e. Key Words： kilowatt hydroelectric power ; hydro ; mathematical model ; MATLAB modeling and simulation 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 选题的目的与意义 . 1 1.2 国内外水力发电现状 . 1 1.2.1 国内外水力发电发展现状 . 1 1.2.2 小水电发展现状 . 2 1.2.3 微水电开发利用技术进展 . 4 1.3 千瓦级水力发电 微水电 . 4 1.3.1 水力发电原理 . 4 1.3.2 微水电简介 . 4 1.3.3 微型水力发电的市场调研 . 6 1.4 根据
8、水流信息的发电容量的计算方法 . 6 第 2 章 千瓦级水力发电机组的选型 . 8 2.1 微型水力发电机组的选型 . 8 2.2 水轮机的类型及选择 . 8 2.3 发电机的类型及选择 . 9 第 3 章 千瓦级水力发电机组的数学模型 . 10 3.1 引水系统的数学模型 . 10 3.2 水轮机调节系统数学模型 . 11 3.2.1 水轮机的数学模型 . 11 3.2.2 调节器的数学模型 . 12 3.3 发电机系统数学模型 . 13 3.4 负载数学模型 . 14 第 4 章 千瓦级水力发电机组的建模与仿真 . 16 4.1MATLAB 软件简介 . 16 4.2 仿真模型建立 . 1
9、7 4.2.1 水轮机系统建模 . 17 4.2.2 发电机及励磁控制系统建模 . 18 4.2.3 千瓦级水力发电机组系统模型 . 19 4.2 仿真分析 . 20 4.3.1 正常运行时发电机运行状态 . 20 4.3.2 突甩负载和突加负载时发电机运行状态 . 21 第 5 章 结论 . 23 参考文献 . 24 附录 . 25 致 谢 . 26 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 选题的目的与意义 水能是目前世界上可大 规模开发的可再生能源之一。我国的水能总蕴藏量、经济可开发量和技术可开发量均居世界第一 , 但开发率却远远低于世界水平。由于这种原因 , 我国可再
10、生能源发展“十一五”规划指出 , 未来我国将加大激励措施的力度以及政策扶持来促进可再生能源开发利用的发展。农村的能源开发利用更应该在有条件情况下 ,顺应全球能源发展态势 ,把握好优先考虑开发清洁、技术成熟、经济性好的水能资源，来促进农村的全面发展。中国是一个农业大国 , 农村能源已成为解决三农问题的重要一环 1。 由于能源的需求及环境问题的日益严峻，越来越多的国家已将节能 、开发可再生能源和清洁能源作为生产发展的长期发展战略。例如水力发电、风力发电和光伏发电等，微型水力发电 (简称微水电 )作为水力发电的重要组成部分，是偏远或远离电网地区的重要微电源之一 2。 微水能资源在我国分布范围很广 ,
11、 包括天然瀑布、天然跌水、急滩、小溪、小河、河湾、泉水、高山湖泊、灌渠跌水、潮汐等 , 只要能满足机组所需流量和水头要求即可构成可利用的微水力 3。 微型水力发电作为一种具有良好经济性、无污染、安装使用便捷的小型可再生能源项目逐渐被关注。本文中研究的微水电主要指功率在 100 kW 以下的水力 发电系统，它能够利用电力负荷附近的微型水力资源发电，离网独立运行，无需变电，直接向用户供电 4。 本文通过对微型水力发电的发展现状及基本工作原理的调查研究，并结合自己所学的有关发电机方面的专业知识，运用 MATLAB 软件对千瓦级的微型水力发电机在静态和动态的情况下进行建模和仿真，观察比较发电机的运行状
12、态会随着哪些因素改变，讨论优化方案让自己在应用过程中对专业知识的理解更加深刻，也为大学生涯划上完整的句号。 1.2 国内外水力发电现状 1.2.1 国内外水力发电发展现状 全世界可开发的水力资源约为 22.61 亿 kW，分布不均匀，各国开发的程度亦各异。世界上最大的发电站是三峡水电站，他的总装机容量 1820 万千瓦，年平均发电量 846.8 亿千瓦时。美国水电装机容量居世界第一位，加拿大水电比重占全国总装机容量的一半以上，巴西水电装机容量居世界第四位，挪威能源消费中水电占一半 5。 中国水力发电现状有以下几个特点： （ 1）总量十分丰富，而人均资源量并不富裕 实际可开发量按规划数据统计近
13、3.8 亿千瓦、 2.25 万亿千瓦时左右，居世界第一位。以电量计，约占世界总量的 15%，而我国人口却占世界的 21%，因此人均资源并不富裕。到 2050 年后，我国达到中等发达国家水平，如按人均装机 1 千瓦计，全国电力总装机为武汉理工大学毕业设计（论文） 2 15 亿千瓦 16 亿千瓦。常规水电即使全部开发出来，加上抽水蓄能电站，水电比例也只占 30% 40%左右。 （ 2）分布极不均衡，与经济发展的现状更不匹配 资源集中在经济相对滞后的西部，尤其是西南。西部云、贵、川、渝、陕、甘、宁、青、新、藏等 10 个省 (自治区，直辖市 )的水能资源占 71%，其中西南的云、川、藏三省 (自治区
14、 )就占全国总资源量的 60%，经济发达的东部 13 个省 (直辖市 )(辽、吉、黑、京、津、冀、鲁、苏、浙、皖、沪、粤、闽 )仅占 7%左右 。 （ 3）总开发率很低，东西开发差异极大 全国平均开发率仍以规划数据统计，按电量算仅 9.12%，位居世界第 83 位，排在很多发展中国家如印度、越南、泰国、巴西、埃及等国家之后，与中国是发展中大国的位置极不相称。但在东部，水电开发率很高，除国际界河外，已开发 70%以上，可开发的大型水电站只剩下 4 座，共 161 万千瓦，即黑龙江的尼尔基电站 (25 万千瓦 )、浙江的摊坑电站 (60万千瓦 )、大均电站 (46 万千瓦 )和福建的街面电站 (3
15、0 万千瓦 )。 西部各省 (自治区、直辖市 )从长远看，能输出水电的主要是云、川、青、藏四省 (自治区 )，近期鄂、黔、桂三省 (自治区 )也可以根据自身的经济发展和开发情况适当输出。从河流看，能输出电能的主要是金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、澜沧江、怒江和黄河上游青海段。近期长江干流、乌江、红水河 (含上游 )均可视情况适量外送。 1.2.2 小水电发展现状 世界 小水电 发展报告 (WSHPDR 2013)显示，全球范围的小水电潜在资源约为173GW。世界已知的水电潜在资源中，超过一半位于亚洲，三分之一左右分布于欧洲和美洲。非洲和美洲大陆未来潜力较大。 2011 至 2012 年，全球小水电
16、装机总容量 (10 兆瓦以上 )约为 75 万 千瓦，占小 水电资源 的 43%。下图为全球小水电装机容量。 图 1-1 全球小水电潜在资源分布图 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 世界各大洲的小水电装机和资源开发情况 表 1-1 欧洲小水电装机和资源开发情况 东欧 西欧 北欧 南欧 小水电装机 2735.10MW 5809.00MW 3643.30MW 5625.00MW 小水电资源 3495.30MW 6644.00MW 3841.30MW 12239.00MW 开发比例 78% 87% 95% 46% 表 1-2 亚洲小水电装机和资源开发情况 东亚 东南亚 南亚 西亚 中亚 小水电装机
17、40485.00MW 1251.80MW 3562.70MW 488.86MW 183.50MW 小水电资源 75312.00MW 6682.50MW 18077.18MW 7753.81MW 4880.00MW 开发比例 54% 19% 20% 6% 4% 表 1-3 非洲小水电装机和资源开发情况 北非 西非 南非 小水电装机 115.00MW 82.49MW 43.12MW 小水电资源 184.00MW 742.52MW 383.50MW 开发比例 63% 11% 11% 表 1-4 美洲小水电装机和资源开发情况 南美洲 中美洲 北美洲 小水电装机 1734.80MW 598.50MW 7
18、842.70MW 小水电资源 9390.00MW 4116.30MW 9098.70MW 开发比例 18% 15% 86% 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 表 1-5 澳大利亚、新西兰、太平洋国家和地区小水电装机和资源开发情况 澳大利亚和新西兰 太平洋国家和地区 小水电装机 310.00MW 102.10MW 小水电资源 932.00MW 305.70MW 开发比例 33% 33% 中国小 水电开发状况是 经过多年的努力，中国拥有 249GW 的水电装机容量，位居世界第一。其中，小水电拥有 45,000 台机组和 65GW 的装机容量，年装机容量占水力发电的27%，年发电量占水力发电的 25
19、%，在水力发电中占有重要的地位。 1.2.3 微水电开发利用技术进展 近年来 , 奥地利研制了微型活动水电站 , 俄罗斯设计了可自行调节的微型水电站机组 , 法国投产了虹吸管式微水电发电装置 , 挪威生产了箱式微水电发电机组 , 英国 WPE 公司推出了组合式微型水电站 , 美国 JAMES LEFFEL 公司生产了配有简易控制装置的微型整装机组。此外 , 日本、瑞士等国家都在产品的使用可靠性和自动化控制技术方面也有了很大的突破。微水电技术不仅广泛用于边远偏僻地区的农业生产 ,而且在城市绿化、私家庭院建设方面也有一定的应用。 在我国 , 关于小水电的相关研究较多 , 技术也相对成熟。小水电的规
20、划设计方法、水轮发电机组的选型都有相应的规范可依。而对微水电 , 政府引导和政策扶持力度相对较弱 , 投入的科研经费也非常有限 , 微水电的研究一直鲜有人问津。微水电设备价格偏低 , 利润很薄 , 生产厂家对技术改造投入过少。长期以来 , 微水电的设计方法以及水轮机组都直接由小水电的成熟的办法缩小比例套用而来。但实际上 , 由于显著的比尺效应 , 这种简单的处理会使得水能利用效率极低 , 系统效率往往只能达到 40%左右 , 所集中的水能资源又被白白浪费。微水电系统的设计、选型不能简单套用小水电的方法 , 必须有一套相对独立的设计理论和方法。 1.3 千瓦级水力发电 微水电 1.3.1 水力发
21、电原理 水力发电的基本原理是利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等 ，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。为实现将水能转换为电能，需要兴建不同类型的水电站。 1.3.2 微水电简介 流动的和落下的水拥有潜在的能量，可以通过水力发电系统转化为电能。小河、小溪武汉理工大学毕业设计（论文） 5 以及涌泉形成的流水、跌水也可能建设微型水力发电系统简称微水电，微型水力发电系统由微型水力发电机组、微型水力发电水工建筑及机房等两大部分组成。微型水力发电系
22、统一般定义为发电功率小于 100KW 的系统。在中国，微型水力发电的覆盖范围为单机容量500KW 以下的水力发电系统。微型水力发电系统不仅为无电地区提供用电 解决方案，而且是重要的清洁可再生能源。 以下是介绍微型水力发电的几个专业名词。 水头 (Water Head)又称为落差，它是指上水位和下水位之差。通常把建站前测得的上下水位之差称为毛水头；把进入水轮机之前的水工建筑所占用的落差统称为引水水头；机组排水的尾水渠和电站防洪所需要留出的高度，统称为尾水水头。水头单位为米 . 流量 (Discharge)是一定时间内流过的水的体积。对微型水力发电来说，就是单位时间内流过水轮机的水量。流量单位为立
23、方米 /小时。 微水力资源 (Micro Hydro Power Resources)是指小溪、小河在一定河段长度内水所具有的位能（势能）。微水力资源由水头和流量两个基本要素组成，每处微水力资源都具有特定的唯一性。 微型水力发电机组 (Micro Hydro Generator Unit)微型水力发电机组是指将微水力资源的势能转化成符合供电标准的电能的水力发电设备，它主要由微型水轮机、发电机、控制器三个部件组成。将微型水力发电机组的三个部件由生产厂在产地组装、调试，整体供应的机组，称为整装机组。 微水电是微型水力发电的简称 , 是指利用电力负荷附近的微小水能资源发电的水力发电系统。微水电一 般
24、离网独立运行 , 无需变电 , 可以直接向用户供电或者与地方农网并网运行。在我国 , 一般认为微水电的覆盖范围为单机容量 500 kW 以下的水力发电系统 , 包括户用型 ( 0. 1 3 kW) , 村用型 ( 3 30kW) 和乡用型 ( 30 500 kW) 。大中型水力发电需要拦截河道 , 建筑大量水工建筑物 , 不可避免的对生态环境产生一定改变。而微水电只需简单的水工建筑物 , 直接利用天然微小水能发电 , 无水量消耗 , 不造成自然生态改变和环境污染等负面影响。国家“十二五”规划多次强调能源问题 , 提出“在保 护生态的前提下积极发展水电”。因此 , 发展环境友好的微水电符合国家大力开发清洁能源的战略需求。 微水电的技术和市场运作在可再生能源中相对成熟 , 其电能转化率远远高于其他可再生能源 ( 微水电约 50%, 太阳能约 20%) , 单位千瓦造价远低于风能和太阳能 ( 户用太阳能5 万元左右 , 户用风力发电 2 万元左右 , 微小型水力发电 1 万元左右 ) 。微型水力发电的主要特点是 : 机组设备简单、建设工期短、一次性投资成本低、安装使用方便、管理维修容易。所以 ,在条件具备地区 , 优先发展微水电是最为经济可行的。
