徑流式水電站前池水位自動控制研究

□王利卿 □劉志強

（1河南省鄭州水利學校；2鄭州大學水利與環境學院）

0 引言

徑流式小型水電站的實際運行中，經常出現以下兩個問題：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波動，引起機組出力的不穩。上述問題，特別是低水頭電站，嚴重影響電站的出力，不僅使水力資源不能得到充分利用，而且還有可能導致壓力管道進氣，危及電站設備的正常運行。因此對前池水位自動控制研究具有很強的工程應用價值。

1 徑流式水電站特點

對于徑流式水電站，其調節性能較差，且裝機規模普遍偏小，電站人員素質較低，其往往難以有效掌握電站優化運行規則。在電站的實際操作運行中，其機組開機多根據經驗而定，缺乏科學性，盲目性較大，且由于缺乏相應的監測及控制系統，前池水位未能與電站運行進行有效匹配，導致機組未能最優利用水能資源。電站現有的自動化系統多以保護為主，未能參與到機組的自動優化中。

2 壅高前池水位電站的出力增加

通過人為調節前池水位，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

3.1 算法理論推導

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

水電站穩定運行在某一水頭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：

根據水量平衡原理，對前池水量進行分析：

當水頭變化較小的情況下，水電站上游庫區的水平面面積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值推導水位控制策略。

3.2 水位控制策略

前池水位自動控制發電就是盡可能地使水電站運行在前池設計高水位附近，當前池水位運行值偏離設計高水位時，前池水位自動策略的目的是快速平穩的使前池水位調節到設計高水位附近。

前池水位的誤差：

式中Hs為前池設計高水位，H為前池水位的測量值。

設定死區值ε和水位調節分界點δ，將前池水位誤差的絕對值He與死區值ε和水位調節分界點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|He|小于死區值ε時，出力不變。

②當|He|大于水位調節分界點δ時，第n次計算的出力P（n）為:

式中s為水位變化率，水位比設定值低時，s是正值，水位升高；水位比設定值高時，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）是上一計算周期內水位的變化量，T是水位控制的計算周期時間。

③當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，若不在該范圍內則取范圍內的最大或最小限值，若在該范圍內，進行修正后并調用機組的LCU實現功率閉環控制，使實際出力趨于設定值。最后將P（n）存于P（n-1），將△H(n)存于△H(n-1)，為下一輪的水位調節做好準備。

4 結語

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，實現小型徑流式水電站微機監控系統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，提高其發電效益。