水力發電機組也稱“水輪發電機組”。水電站上每台水輪機與配套的發電機聯合而成的發電單元，是水電站生產電能的主要動力設備。水電站引用的水流經過水輪機時，將水能轉換為驅使機械旋轉的機械能；發電機又將機械能轉換為電能而輸出。
基本介紹
- 中文名：水力發電機組
- 外文名：Hydroelectric generator
- 工作原理：將水的勢能轉換為電能
- 領域：電力工程
簡介,構成,工作原理,控制技術,
簡介
水力發電機組作用是將河川、湖泊等位於高處具有勢能的水流至低處，經水輪機轉換成水輪機的機械能，水輪機又推動發電機發電，將機械能轉換成電能。
水力發電機組中的水輪發電機由水輪機驅動。發電機的轉速決定輸出交流電的頻率，因此穩定轉子的轉速對保證頻率的穩定至關重要。可以採取閉環控制的方式對水輪機轉速進行控制，即採取發出的交流電的頻率信號樣本，將其反饋到控制水輪機導葉開合角度的控制系統中從而去控制水輪機的輸出功率，以達到讓發電機轉速穩定的目的。
構成
水力發電機組是實現水的位能轉化為電能的能量轉換裝置，一般由水輪機、發電機、調速器、勵磁系統、冷卻系統和電站控制設備等組成。
（1）水輪機：常用的水輪機有衝擊式和反擊式兩種。
（2）發電機：發電機大部分採用同步發電機，其轉速較低，一般均在750r/min以下，有的只有幾十轉/分；由於轉速低，故磁極數較多；結構尺寸和重量都較大；水力發電機組的安裝形式有立式和臥式兩種。
（3）調速和控制裝置（包括調速器和油壓裝置）：調速器的作用是調節水輪機轉速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，並實現機組操作（開機、停機、變速、增、減負荷）及安全經濟運行。為此，調速器的性能應滿足快速操作、反應靈敏、迅速穩定、運行、維修方便等要求，它還需要可靠的手動操作及事故停機裝置。
（4）勵磁系統：水力發電機一般為電磁式同步發電機，通過對直流勵磁系統的控制可實現電能的調壓、有功功率和無功功率的調節等控制，以提高輸出電能的質量。
（5）冷卻系統：小型水力發電機的冷卻主要採用空氣冷卻，以通風系統向發電機定、轉子以及鐵心表面進行冷卻。但隨著單機容量的增長，定、轉子的熱負荷不斷提高，為了在一定轉速下提高發電機單位體積的輸出功率，大容量水力發電機採用了定、轉子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉子用強風冷卻。
（6）電站控制設備：電站控制設備主要以微機為主，實現水力發電機的併網、調壓、調頻、功率因數的調節、保護和通信等功能。
（7）制動裝置：額定容量超過一定值的水力發電機均設有制動裝置，其作用是在發電機停機過程中，當轉速降低到額定轉速的30%～40%時，對轉子實施連續制動，以避免推力軸承因低轉速下油膜被破壞而燒損軸瓦。制動裝置的另一作用是在安裝、檢修和起動前，用高壓油頂起發電機的旋轉部件。制動裝置採用壓縮空氣進行制動。
工作原理
水力發電機組的能量轉換過程分為兩個階段：首先由水輪機將水失去的位能轉換為機械能，再由發電機將水輪機的機械能轉換為電能。具體的過程為：在水流的衝擊作用下，水輪機開始旋轉，將水的位能轉換為機械能；水輪機又帶動同軸相連的發電機旋轉，在勵磁電流的作用下，旋轉的轉子帶動勵磁磁場旋轉，發電機的定子繞組切割勵磁磁力線在其中產生感應電動勢，在輸出電能的同時會在轉子上產生一個與其旋轉方向相反的電磁製動轉矩。由於水流不問斷地作用於水輪機，水輪機從水流中獲得的旋轉力矩用於克服電機轉子上產生的電磁製動轉矩，當兩個力矩達到平衡時，水力發電機組將以某一恆定的轉速運轉，穩定地發出電力，實現能量的轉換。所以水輪機和發電機是水力發電機組中最關鍵的兩個部件。
控制技術
水力發電機組自動控制系統承擔的任務有：水力發電機組的自動並列，自動調節勵磁、頻率和有功功率，無功功率的補償，輔機的自動控制，水力發電機組的自動操作，自動保護等，其中以頻率及功率控制為主。
小型水力發電機組將水能轉換為電能直接供給負載或併入電網後供負載使用。對於負載來說，不僅要求供電安全可靠，而且要求供電質量要高，即要求電能的電壓和頻率應為額定值，且波動小。
發電機發出電能的電壓、頻率或併網電壓、頻率的穩定度分別取決於發電機或電網內無功與有功功率的平衡。其中頻率波動的原因是發電機輸入功率和輸出功率之間的不平衡，同步發電機發出的電能頻率與其轉速之間的關係為f=np/60，在發電機極對數P不變時，頻率 f 由轉速 n 決定。當發電機的負載增大時，發電機輸入的機械轉矩小於輸出的電磁轉矩，電機轉速下降，從而引起電能頻率的下降，反之頻率將上升。而電壓的波動主要由負載大小的變化和負載性質的變化（有功功率和無功功率的變化）引起。水力發電機組控制的基本任務就是根據負載的變化不斷調整水力發電機組的有功和無功功率輸出，並維持機組轉速（頻率）和輸出端電壓在規定的範圍內。水力發電機組頻率的控制由水輪機調速器實現，而端電壓的穩定可由發電機勵磁調節器來完成。兩者的調節相對獨立，相互影響較小。
