径流式水电站前池水位自动控制研究

□王利卿 □刘志强

（1河南省郑州水利学校；2郑州大学水利与环境学院）

0 引言

径流式小型水电站的实际运行中，经常出现以下两个问题：一是水电站增加机组出力，引水渠道的来水量小于电站引用流量，使引水渠水面形成较大坡降；二是前池水位在正常高水位附近反复波动，引起机组出力的不稳。上述问题，特别是低水头电站，严重影响电站的出力，不仅使水力资源不能得到充分利用，而且还有可能导致压力管道进气，危及电站设备的正常运行。因此对前池水位自动控制研究具有很强的工程应用价值。

1 径流式水电站特点

对于径流式水电站，其调节性能较差，且装机规模普遍偏小，电站人员素质较低，其往往难以有效掌握电站优化运行规则。在电站的实际操作运行中，其机组开机多根据经验而定，缺乏科学性，盲目性较大，且由于缺乏相应的监测及控制系统，前池水位未能与电站运行进行有效匹配，导致机组未能最优利用水能资源。电站现有的自动化系统多以保护为主，未能参与到机组的自动优化中。

2 壅高前池水位电站的出力增加

通过人为调节前池水位，使前池水位从Zt雍高到Z0，则电站的水头增加量为：

电站的发电水头为：

由式（2）知，通过壅高前池水位，电站水头增加，由电站出力公式：

式中：η为电站的综合效率。

由式（2）和（3）知，通过壅高前池水位，电站的出力增加：

由以上分析可知，对于径流式电站，在渠道来流情况一定的情况下，通过人为壅高前池水位，电站的出力有所增加。

3 前池水位自动控制实现

3.1 算法理论推导

水电站在大部分运行时间内，上游的来水量基本上保持不变。要求水位维持在前池设计高水位，即要求水电站能根据给定的前池水位进行发电。

水电站稳定运行在某一水头H下时，且各台机组的效率近似相等时，水电站总的流出流量Qout与水电站总输出功率基本上成正比，则令：

根据水量平衡原理，对前池水量进行分析：

当水头变化较小的情况下，水电站上游库区的水平面面积S基本上保持不变，因此水流体积dV等于:

由（6）（7）式得：

令水电站的出水量为Qout1时的水头变化率为dH1/dt，水电站的出水量为Qout2时的水头变化率为dH2/dt，则有：

由(7)式得：

K即为出力变化和水头变化率的斜率，由K值推导水位控制策略。

3.2 水位控制策略

前池水位自动控制发电就是尽可能地使水电站运行在前池设计高水位附近，当前池水位运行值偏离设计高水位时，前池水位自动策略的目的是快速平稳的使前池水位调节到设计高水位附近。

前池水位的误差：

式中Hs为前池设计高水位，H为前池水位的测量值。

设定死区值ε和水位调节分界点δ，将前池水位误差的绝对值He与死区值ε和水位调节分界点δ相比较可分为三个阶段，对各个阶段采用不同的控制策略:

①当|He|小于死区值ε时，出力不变。

②当|He|大于水位调节分界点δ时，第n次计算的出力P（n）为:

式中s为水位变化率，水位比设定值低时，s是正值，水位升高；水位比设定值高时，s是负值，水位降低。P（n-1）是前一次计算的出力给定值，△H（n-1）是上一计算周期内水位的变化量，T是水位控制的计算周期时间。

③当ε≤|He|<δ时，令水位的平均变化率与|He|/δ成正比，即水位误差越小，变化就越慢。全厂总的功率给定值为：

在计算出出力给定值P（n）之后，先判断P（n）是否在所能允许的出力范围内，若不在该范围内则取范围内的最大或最小限值，若在该范围内，进行修正后并调用机组的LCU实现功率闭环控制，使实际出力趋于设定值。最后将P（n）存于P（n-1），将△H(n)存于△H(n-1)，为下一轮的水位调节做好准备。

4 结语

文章对径流式小型水电站的前池水位自动控制进行了探讨，通过理论分析电站的壅高前池水位的发电出力增加，建立了前池水位自动控制的模型，并提出前池水位自动控制策略，实现小型径流式水电站微机监控系统下开停机及机组开度的自动化控制，避免电站的误动及运行操作的盲目，可有效改善电站的运行性能，提高其发电效益。