侧斜坝水力发电系统、多级联系统、新能源系统、电力方法与流程

1.本发明属于水力发电技术领域，尤其涉及中、小流域的水力发电系统。


背景技术：

2.有很多的中、小流域主干径流基本上一年四季多有水流，但由于沿河道二侧居民集中，河道较小、考虑雨季泄洪要求，采用蓄水坝形式难度大、成本高，基本为原生态未开发状态。
3.现在对这种流域径流河道主要的利用方式仅是适当的保水利用，对这些中、小流域的溪流河道，存在自然的坡度，不利于保水，为考虑农田灌溉和生活用水的稳定给以蓄水，这种保水必须做一些蓄水坝，而这些常规蓄水坝全为选择在溪流河道较窄处的横坝，巨大的水流对横坝形成巨大的冲击力，根据流体动力学方程，流体流动速度减小，流体的静压将增加，特别是考虑洪水的冲击力，这个横坝必须有相当的工程强度，对于“现代”以水泥浇筑为基础的坝基材料，大流量冲击水流很容易损坏坝基形成坝体损坏，需要花费大额修复费用，在这些而普通建设的横坝建设成本高、使用维护成本高。
4.应该说，溪流河道上、下游的水平面坡度差越小，洪水的冲击力越小，河道护堤越安全，水坝高度，可使坝体上游河道的水平面坡度差变小，增加河道上游蓄水能力，如何使的这些径流水力综合利用价值最大化。
5.传统适用于低水头的发电机系统有轴流式和贯流式，其中轴流式的转轴是垂直于水面，发电机是垂直设置的，这种模式的发电机，出水和转轮的尺寸面积应和水头(坝高)无关，但常规的进水方式是采用圆形进水口孔和圆形蜗管压水方式，这种方式的进水量(流量)取决于圆形空直径，而这个直径会受到水头和坝高的影响，因此间接变为和水头(坝高)有关；贯流式的的转轴是水平于水面，发电机是水平设置，这种模式的发电机，出水和转轮的尺寸面积和水头(坝高)直接有关，这种方式的进水量(流量)取决于转轮的圆形空直径，而这个直径会受到水头和坝高的制约。
6.另一个低水头重要技术问题是水流的流速低，造成的直接后果是转轮的转速低，如采用传统的三相异步发电机直接并网发电，必须用变速箱提速，变速箱投入成本很高，对贯流式可增设增速齿轮箱解决；而对轴流式的发电机，无法通过增设增速齿轮箱的方法解决，只有通过大转子的专用发电机解决，建设成本会很高，无法发挥大流量的发电效果。
7.传统蓄水坝发电，上游水流的流速动能全部被坝体消纳为提高水头，发电的利用主要为静压重力流速，为提高水力发电效益，用部分蓄水加引流渠的方法，提高水头的静压流速，造成坝体下游河道长距离的干河情况，影响河道的生态环境，在现代环境保护的政策下，这种形式的水流资源应用基本没有可能。
8.根据这个传统的水力发电的做法，现存的那些大流域河道坡度小、距离长、径流水量大的水力资源就不能很好的利用，造成大量的水资源的浪费。
9.绿色减碳是地球人类能源发展的永恒目标，水能、风能、太阳能作为地球三大基础绿色能源，其中风电、太阳能多具有输出电能不稳定的缺点，特别是风能，单独一项风能、太
阳能输出、或风光互补输出都不能提供有计划的稳定电能并网输出，水能具有一定时间稳定输出电能的优势，如何利用创新水能利用技术，用流域可利用水能直接作为并网稳定输出绿色电能的调节手段，把一定区域的不稳定绿色能源给以全部利用，特别是对山、水相连的大、中、下流域区域，基础水能利用技术的创新突破，具有巨大的经济和社和效益。


技术实现要素：

10.(一)为了解决大流域面积的径流水量大的中小河道中建设蓄水坝蓄水和安全泄洪的技术问题，以及低水位、大流量水力流速慢的技术问题；
11.本发明提供一种侧斜坝水力发电系统，包括：
12.侧斜坝，所述侧斜坝两端连接河道两岸，所述侧斜坝的与河道一侧岸形成锐角；
13.一组以上自动引水闸单元，位于侧斜坝下游端对应的河道一侧，每一所述自动引水闸单元；
14.一组以上水力发电单元，每一水力发电单元位于每一引水闸后端，并独立连接，每一水力发电单元包括水轮机和一级以上发电机，所述水轮机连接所述发电机，所述水轮机的转轴与水流方向垂直；
15.智能控制单元，与所述引水闸和所述水力发电单元通信连接，控制所述引水闸和水力发电机的运行。
16.可选的，所述侧斜坝的坝体长度为河道宽度1.5倍以上，坝体蓄水高度1米以上。
17.可选的，包括两组以上水轮机，水轮机的进水口水位低于转轴安装高度。
18.所述水轮机包括水平方向滚筒形布置的矩形叶片轮组，所述矩形叶片轮组的转轴连接发电机。
19.可选的，所述一级以上发电机包括双机模式或单机模式；
20.单机模式，水轮机的水平转轴一端连接一发电机；
21.双机模式，所述水轮机的水平转轴两端分别连接一发电机。
22.所述双机模式下水平转轴与发电机通过自动离合器连接，自动离合器包括同轴连接件，所述同轴连接件转动连接所述发电机和水平转轴，所述自动离合器接收控制指令，所述控制指令包括单台运行指令和双台运行指令。
23.可选的，包括相互独立的两组所述自动引水闸单元，每组所述自动引水闸单元对应连接一组水轮机，以及连接分别与两组水轮机连接的两组发电机。
24.可选的，还包括大功率ac/dc/ac并网转换器单元，
25.所述大功率ac/dc/ac并网转换器单元包括三相ac/dc电路和dc/ac电路；
26.所述三相ac/dc电路的三相ac连接发电机的交流输出口，所述dc/ac电路连接电网，所述发电机的ac/dc电路的直流输出端电气并联成一组公共输出端，所述公共直流输出端电气连接一组蓄电池组，所述连接电网输出的dc/ac电路包括多个并联dc/ac电路模组，所述每个并联dc/ac电路模组接收控制指令。
27.(二)为了解决河道单个低水头坝蓄水库容小、发电持续时间短的技术问题，本发明提供一种多级联侧斜坝水力发电系统，包括上述侧斜坝低水头水力发电系统，包括多级联设置的侧斜坝，以及与侧斜坝相对应的自动引水闸单元、水力发电单元和智能控制单元，以及
28.蓄水发电厂，
29.所述蓄水发电厂位于河道各支流上游端，所述侧斜坝低水头水力发电系统串联安装在河道支流下端，下级侧斜坝的坝面高度低于上级坝底的水底面。
30.(三)为了解决单一水、风、光绿色能源应用时间短、不稳定、成本高、计划并网困难的利用难题。本发明提供一种新能源系统，包括上述多级联侧斜坝低水头水力发电系统，还包括：
31.风电系统，
32.基础水电系统，
33.光伏电系统，
34.所述风电系统、基础水电系统、光伏电系统和多级联侧斜坝低水头水力发电系统都设有独立电能输出线路，并联于流域高压专线上；
35.所述风电系统、基础水电系统、光伏电系统和多级联侧斜坝低水头水力发电系统的电能输出线路设有多组合并网线路，若干并网线路并联于所述流域高压专线上。
36.可选的，还包括水制氢设备，所述水制氢设备并联在所述高压专线上。
37.基于所述新能源系统，本发明还提供一种电力调度方法，采用上述新能源组合系统，包括以下方法：
38.第一输电方法，风电系统、基础水电系统、山地光伏电系统和所述多级联侧斜坝低水头水力发电系统实时输出电能，全部启动所述水制氢设备；
39.第二输电方法，风电系统和光伏电系统实时输出电能，并根据高峰用电情况调节多级联侧斜坝低水头水力发电系统的启动数量，以及每一侧斜坝低水头水力发电系统的发电机的启动数量，关闭所述水制氢设备；用电低峰期，按比例开启所述水制氢设备；
40.第三输电方法，风电系统和光伏电系统实时输出电能，并根据高峰用电情况按比例关闭部分所述水制氢设备。
41.本发明的有益效果：
42.本发明专利涉及一种中、小流域缓坡河道低水头全水量水力发电装置，采用流域径流河道多级、多机布局方案发电的水电利用系统，并利用水流发电具有较长时间输出电能稳定的特性，并通过主动控制调节稳定输出的电能功率，实时组合流域内风电、光伏电和水制氢一体的智能绿色能源的组合输出功率，达到1000-3000平方流域面积内各种绿色能源长时间稳定并网输出的目的。
43.本发明利用在河道较宽区域设置长度为河道宽度1.5倍以上的侧斜坝的长度优势形成大的泄洪截面积，相对于仅在原有河道仅增加一个侧斜坝截面积几平方的泄洪阻断面积，解决了河道坝体高度和泄洪流量截面的矛盾，同时通过加长侧斜坝的长度，在有利于解决河道泄洪流量的情况下，可以进一步提高侧斜坝的发电蓄水高度，通过选择河道中上、下侧斜坝的建筑位置、长度和高度，使下游侧斜坝的最高水位抬升至上一级坝低位置，从而使河道水能利用效益最高、泄洪水流有害冲击最小的有益效果。
44.本发明利用侧斜坝体形成的倒梯形水流加压加速区，能够充分利用上游水的动能和动压，提高小水电发电效益η的取值。
45.本发明可利用全流域河道多级侧斜坝体组成自然河道的蓄水量，为下级坝体提供了全径流大流量的连续发电水流的需要，更可以直接在河道上游的各个支流河道设置多级
相同类型的传统低成本小蓄水坝体，从而形成大区域全径流流量的所有水量一次全部发电利用。
46.本发明在发电机输出和电网之间串接一组大功率ac/dc/ac并网转换器，发电机不需要和电网直接同步输出，因此减少了发电机对水流的流速要求，对于大流量、低水头的水力特点是流速慢，如采用传统发电机输出直接并网，必须通过机械变索速箱增速发电，或直接研发新型的大直径的永磁多极发电机，相对的建设成本很高，而采用发电机输出电能通过大功率ac/dc/ac转换并网，降低了发电机的要求，可以利用现有的设备直接使用，成本低，见效快。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1是侧斜坝水力发电系统结构示意图；
49.图2(a)是单机模式下的水力发电单元示意图；
50.图2(b)是双机模式下的水力发电单元示意图；
51.图3是水平方向滚筒形布置的矩形叶片轮组俯视图；
52.图4是另一种侧斜坝水力发电系统结构示意图；
53.图5是干流、支流下的多级联侧斜坝水力发电系统示意图。
54.附图标记：
55.1-侧斜坝；2-堤内自动引水闸；3-水轮机；4-自动离合器，5-永磁发电机；6-1-ac/dc整流器；6-2-蓄电池；6-3-dc/ac并网逆变器；7-自动控制器；l1-河道宽；l2-侧斜坝长，l-引水渠宽；h-引水渠水深。
具体实施方式
56.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
57.一种侧斜坝低水头水力发电系统，如图1包括：
58.侧斜坝1，所述侧斜坝两端连接河道两岸，所述侧斜坝的与河道一侧岸形成锐角；图中l1是河道宽；l2是侧斜坝长，l是引水渠宽；h是引水渠水深。
59.一组以上自动引水闸单元2，位于侧斜坝下游端对应的河道一侧，每一所述自动引水闸单元；
60.一组以上水力发电单元，每一水力发电单元位于每一引水闸后端，并独立连接，每一水力发电单元包括水轮机3和一级以上发电机5(低水头水力发电机)，所述水轮机连接所述发电机，所述水轮机的转轴与水面平行设置(水平放置)，且转轴与水流方向垂直；
61.智能控制单元7，与所述引水闸和所述水力发电单元通信连接，控制所述引水闸和水力发电机的运行。其为远程控制单元，在图中不做展示。
62.具体的，该侧斜坝沿河道较宽区域一侧的上坝端斜向拦至河道的另一侧的下坝
端，所述下坝端的堤内设置自动引水闸单元，自动引水闸单元可设置多个独立单元，每一组独立自动引水闸单元后端水渠分别安装水力发电单元。其中，所述侧斜坝的与河道一侧岸形成锐角；将河流在正常流速的基础上向一侧岸引流加压，在该河道一侧岸配置自动引水闸单元和水力发电单元。并在引水渠的末端设置出水口，有效利用了河道水流资源。
63.具体的，所述侧斜坝的坝体长度为河道宽度1.5倍以上，坝体蓄水高度1米以上。该坝体高度的考虑主要是针对大流域面积的径流水量大的中小河道，在不影响周边人文居住环境的情况下设置的坝体高度。
64.这种形式的侧斜坝和河岸边内侧的发电设施基础设施对河道泄洪基本没有阻碍作用，特别是坝体，可以根据实际环境需要采用各种不同的结构方式：河道沙石垒积式、钢筋笼石式、树柱木板式、钢架浇筑式和多功能式坝体，建设成本低，实施方便。
65.水力发电单元包括两组以上水轮机，水轮机的进水口水位低于转轴安装高度。如图3，所述水轮机包括水平方向滚筒形布置的矩形叶片轮组，所述矩形叶片轮组的转轴连接发电机。其转轴垂直于水流，引水渠水流冲击水轮叶片，所述水流通过垂直冲击叶片后流出，叶片转轴带动水力发电机发电输出。
66.如图2，所述一级以上发电机包括双机模式或单机模式；
67.单机模式，水轮机的水平转轴一端连接一发电机5-1；
68.双机模式，所述水轮机的水平转轴两端分别连接一发电机5-1,5-2。
69.水平转轴与发电机通过自动离合器4连接，自动离合器4包括同轴连接件，所述同轴连接件转动连接所述发电机和水平转轴，所述自动离合器接收控制指令，所述控制指令包括单台运行指令和双台运行指令。
70.本实施例中所述自动引水闸单元为相互独立的两组，每组所述自动引水闸单元连接两组水轮机组单元和分别与两组水轮机组单元连接的两组发电机；
71.具体的，如图4，堤内自动引水闸单元为双独立自动引水闸单元2-1,2-2，其连接的二组水轮机组单元3-1,3-2为转轴垂直于水流水平放置的滚筒形布置的矩形叶片轮组，水轮机组单元根据上述的单机模式和双机模式选择性配置，单机模式每一水轮机组连接一发电机，共两个；若采用双机模式每一水轮机组连接两个发电机，共四个。进一步的，双机模式下的连接结构也可以通过控制程序实现单机运行，即仅控制其中一台发电机启动。
72.本实施例中，侧斜坝低水头水力发电系统还包括大功率ac/dc/ac并网转换器单元6；
73.所述大功率ac/dc/ac并网转换器单元包括三相ac/dc电路和dc/ac电路；
74.所述三相ac/dc电路的三相ac连接发电机的交流输出口，所述dc/ac电路连接电网，所述发电机的ac/dc电路的直流输出端电气并联成一组公共输出端，所述公共直流输出端电气连接一组蓄电池组，蓄电池组可保证多机调节过程中瞬间输出电能的稳定作用，所述连接电网输出的dc/ac电路包括多个并联dc/ac电路模组，所述每个并联dc/ac电路模组接收控制指令。
75.实施例2：
76.如图5所示，本实施例公开一种多级联侧斜坝低水头水力发电系统，包括实施例1所述的侧斜坝低水头水力发电系统，以及
77.蓄水发电厂，
78.所述蓄水发电厂位于河道支流上游端，所述侧斜坝低水头水力发电系统串联安装在河道支流下端。
79.实施例1所述侧斜坝低水头水力发电系统依次设置在较宽的河道位置，形成串联，通过远程网络连接控制侧斜坝低水头水力发电系统的堤内自动引水闸单元、并网电气输出单元实现发电时间和发电功率的控制。优选的，侧斜坝低水头水力发电系统安装在河道弯流位置，该位置水流湍急，直冲动能大，更有利于能源利用。
80.对多支流的流域，更可以通过调节各支上游蓄水电厂的发电时间和水量，提供各种稳定功率等级需求的并网专线电能。
81.实施例3
82.一种新能源组合系统，包括实施例2多级联侧斜坝低水头水力发电系统，如图6，还包括：
83.风电系统，
84.基础水电系统，
85.光伏电系统，
86.所述风电系统、基础水电系统、光伏电系统和多级联侧斜坝低水头水力发电系统的设有独立电能输出线路，并联于流域高压专线上；
87.所述风电系统、基础水电系统、光伏电系统和多级联侧斜坝低水头水力发电系统的电能输出线路设有多组合并网线路，若干并网线路并联于所述流域高压专线上。
88.适用于1000-3000平方公里流域范围内的所述风电系统、基础水电系统、光伏电系统和多级联侧斜坝低水头水力发电系统组合一体的综合利用系统，所述基础水电系统为传统蓄水发电厂，传统蓄水发电厂安装在支流上端，所述水能系统的多级侧斜坝低水头水力系统串级安装在支流下端，多级联侧斜坝低水头水力发电系统中的侧斜坝低水头水力发电系统的串联最高密度为下级坝面最高平水面高度至上级坝底的水底面为基准，所述流域范围风电、水电、山地光伏电场通过流域高压专线电气并联在一起。还包括水制氢设备，所述水制氢设备并联在所述高压专线上。
89.基于上述系统的输电调度方法，包括以下方法：
90.第一输电方法，风电系统、基础水电系统、山地光伏电系统和所述多级联侧斜坝低水头水力发电系统实时输出电能，全部启动所述水制氢设备；
91.第二输电方法，风电系统和光伏电系统实时输出电能，并根据高峰用电情况调节多级联侧斜坝低水头水力发电系统的启动数量，以及每一侧斜坝低水头水力发电系统的发电机的启动数量，关闭所述水制氢设备；用电低峰期，按比例开启所述水制氢设备；
92.第三输电方法，风电系统和光伏电系统实时输出电能，并根据高峰用电情况按比例关闭部分所述水制氢设备。
93.实施例3：
94.本实施例还提出了一种基于实施例2的可以实现抽水的发电系统。
95.其中，所述蓄水发电厂位于河道支流上游端，所述侧斜坝低水头水力发电系统串联安装在河道支流下端，下级侧斜坝的坝面高度低于上级坝底的水底面。即所述侧斜坝低水头水力发电系统多级侧斜坝的串联最高密度为下级坝面最高平水面高度至上级坝底的水底面为基准。可以实现抽水回流。
96.由于侧斜坝低水头水力发电系统的特殊安装方式，即多级级连，且每一级级连的下坝体水平面到达上坝体坝底，特别在每一级连的其中之一引水闸后侧设置发电和蓄水双用的轴流水轮机组，由远程控制系统控制其发电和抽水，可以实现抽水和发电的双重功能。
97.基于此，还实现一种新的能源利用场景。
98.1)枯水期，风电系统和光伏电系统实时输出电能，并根据高峰用电情况调节多级联侧斜坝低水头水力发电系统的启动数量，以及每一侧斜坝低水头水力发电系统的发电机的启动数量，关闭所述水制氢设备；用电低峰期，按比例开启所述水制氢设备；如有余电，开启抽水和发电一体机的抽水功能，将下游水提到上游蓄水蓄能。
99.2)一般水能期间，风电系统和光伏电系统实时输出电能，在用电高峰期，关停部分水制氢设备；用电低峰期，开启全部水制氢设备，如有余电，开启抽水和发电一体机的抽水功能,把下游水提到上游蓄水蓄能。
100.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。