[科普中国]-水力发电机组

水力发电机组也称“水轮发电机组”。水电站上每台水轮机与配套的发电机联合而成的发电单元，是水电站生产电能的主要动力设备。水电站引用的水流经过水轮机时，将水能转换为驱使机械旋转的机械能；发电机又将机械能转换为电能而输出。1

简介水力发电机组作用是将河川、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，经水轮机转换成水轮机的机械能，水轮机又推动发电机发电，将机械能转换成电能。

水力发电机组中的水轮发电机由水轮机驱动。发电机的转速决定输出交流电的频率，因此稳定转子的转速对保证频率的稳定至关重要。可以采取闭环控制的方式对水轮机转速进行控制，即采取发出的交流电的频率信号样本，将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中从而去控制水轮机的输出功率，以达到让发电机转速稳定的目的。

构成水力发电机组是实现水的位能转化为电能的能量转换装置，一般由水轮机、发电机、调速器、励磁系统、冷却系统和电站控制设备等组成。

（1）水轮机：常用的水轮机有冲击式和反击式两种。

（2）发电机：发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，一般均在750r/min以下，有的只有几十转/分；由于转速低，故磁极数较多；结构尺寸和重量都较大；水力发电机组的安装形式有立式和卧式两种。

（3）调速和控制装置（包括调速器和油压装置）：调速器的作用是调节水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电要求，并实现机组操作（开机、停机、变速、增、减负荷）及安全经济运行。为此，调速器的性能应满足快速操作、反应灵敏、迅速稳定、运行、维修方便等要求，它还需要可靠的手动操作及事故停机装置。

（4）励磁系统：水力发电机一般为电磁式同步发电机，通过对直流励磁系统的控制可实现电能的调压、有功功率和无功功率的调节等控制，以提高输出电能的质量。

（5）冷却系统：小型水力发电机的冷却主要采用空气冷却，以通风系统向发电机定、转子以及铁心表面进行冷却。但随着单机容量的增长，定、转子的热负荷不断提高，为了在一定转速下提高发电机单位体积的输出功率，大容量水力发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。

（6）电站控制设备：电站控制设备主要以微机为主，实现水力发电机的并网、调压、调频、功率因数的调节、保护和通信等功能。

（7）制动装置：额定容量超过一定值的水力发电机均设有制动装置，其作用是在发电机停机过程中，当转速降低到额定转速的30%～40%时，对转子实施连续制动，以避免推力轴承因低转速下油膜被破坏而烧损轴瓦。制动装置的另一作用是在安装、检修和起动前，用高压油顶起发电机的旋转部件。制动装置采用压缩空气进行制动。2

工作原理水力发电机组的能量转换过程分为两个阶段：首先由水轮机将水失去的位能转换为机械能，再由发电机将水轮机的机械能转换为电能。具体的过程为：在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的位能转换为机械能；水轮机又带动同轴相连的发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于水流不问断地作用于水轮机，水轮机从水流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某一恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。所以水轮机和发电机是水力发电机组中最关键的两个部件。2

控制技术水力发电机组自动控制系统承担的任务有：水力发电机组的自动并列，自动调节励磁、频率和有功功率，无功功率的补偿，辅机的自动控制，水力发电机组的自动操作，自动保护等，其中以频率及功率控制为主。

小型水力发电机组将水能转换为电能直接供给负载或并入电网后供负载使用。对于负载来说，不仅要求供电安全可靠，而且要求供电质量要高，即要求电能的电压和频率应为额定值，且波动小。

发电机发出电能的电压、频率或并网电压、频率的稳定度分别取决于发电机或电网内无功与有功功率的平衡。其中频率波动的原因是发电机输入功率和输出功率之间的不平衡，同步发电机发出的电能频率与其转速之间的关系为f=np/60，在发电机极对数P不变时，频率 f 由转速 n 决定。当发电机的负载增大时，发电机输入的机械转矩小于输出的电磁转矩，电机转速下降，从而引起电能频率的下降，反之频率将上升。而电压的波动主要由负载大小的变化和负载性质的变化（有功功率和无功功率的变化）引起。水力发电机组控制的基本任务就是根据负载的变化不断调整水力发电机组的有功和无功功率输出，并维持机组转速（频率）和输出端电压在规定的范围内。水力发电机组频率的控制由水轮机调速器实现，而端电压的稳定可由发电机励磁调节器来完成。两者的调节相对独立，相互影响较小。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学