Важное место в энергетике мира по запасам и масштабам использования занимает энергия потоков воды. Объясняется это высокой энергетической плотностью потока воды и относительной временной стабильностью режима стока большинства рек. Большая плотность воды по сравнению с воздухом (в 846 раз) определяет, при прочих равных условиях, соответствующее уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей рабочего колеса гидротурбины по сравнению с ветроколесом. Стабильность потока воды и широкие возможности по регулированию его энергии позволяют использовать более простые и дешевые системы генерирования и стабилизации параметров производимой электроэнергии. В итоге гидроэлектростанции производят более дешевую электроэнергию по сравнению с ветроэлектростанциями, а также с энергоустановками, использующими другие виды возобновляемых энергоресурсов.
Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагрегатов.
В настоящее время принята следующая классификация: электростанции мощностью до 100 кВт – микроГЭС, от 100 до 1000 кВт – миниГЭС, от 1000 до 10000 кВт – малые ГЭС и свыше 10000 кВт – крупные гидроэлектростанции. Конструкция и принципы построения этих классов энергоустановок могут существенно отличаться.
Станции класса «мини» и более мощные обычно используют в своей конструкции плотину, обеспечивающую запас воды в водохранилище и необходимый напор воды на гидротурбине.
МикроГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Они могут строиться, как и более мощные станции, с использованием плотины, могут быть деривационного типа – с использованием напорного трубопровода или канала. Наконец, микроГЭС могут устанавливаться в речной поток без всяких гидротехнических сооружений – так называемые свободопоточные микроГЭС.
Исторически первые гидроэлектростанции относились к классу микроГЭС, и время их появления совпадает с успехами в промышленном освоении электромашинных генераторов. Такие простейшие, часто полукустарные установки имели широкое распространение, особенно в сельской местности. В частности, в СССР в 1937 году доля гидроэнергии в сельскохозяйственном электроснабжении достигала 11% [63].
До войны малая гидроэнергетика развивалась у нас главным образом путем индивидуального строительства электростанций из элементов выпускавшегося в то время специального оборудования и путем использования подходящих узлов и деталей от автомобилей, сельскохозяйственной техники и т.д.
Гидротурбины выпускались на заводах им. Калинина (Москва), им. Сталина (Бобруйск), «Штампметиз» (Ленинград), на Благовещенском заводе и на некоторых других заводах местной промышленности. Зачастую использовались самодельные, в том числе деревянные и деревометаллические, конструкции гидротурбин. В качестве редукторов использовались задние мосты автомобилей, а в качестве гидрогенераторов - серийные генераторы постоянного и переменного тока [63].
Основные теоретические и опытно-конструкторские разработки проводились во Всесоюзном институте гидромашиностроения (Москва) под руководством профессора Квятковского, в Ленинградском индустриальном институте, во Всесоюзном институте гидротехники и мелиорации (Москва) и других организациях. Результатом этих работ явилась первая отечественная серия автоматизированных микроГЭС из 22 типов, спроектированная и принятая к производству на ленинградском заводе «Электросила». В этих микроГЭС использовались турбины типов «Каплан» и «Френсис» с вертикальной осью вращения с диаметром рабочих колес от 200 до 500 мм. Турбины были рассчитаны на рабочие напоры от 2 до 35 метров при расходах воды от 50 до 1200 л в секунду. Заводская марка этих турбин имела обозначение «К». Мощность агрегатов составляла ряд от 0,7 до 55,2 кВт. Станции снабжались генераторами завода «Электросила»: мощностью менее 8 кВт – типа «П» и более 8 кВт – генераторами переменного тока 220/380 В типа «МСВ». МикроГЭС имели автоматические регуляторы частоты вращения на базе масляного насоса, которые воздействовали на угол поворота лопастей турбины и угольные регуляторы возбуждения электромашинных генераторов [63].
Эта серия микроГЭС впервые имела полный набор автоматических устройств, необходимых для стабилизации параметров производимой электроэнергии в любых режимах работы станции. Однако уровень развития техники того времени не позволил обеспечить приемлемых потребительских и производственно-технологических качеств станций. В этом смысле полностью автоматизированные микроГЭС опережали технический уровень своего времени. Изготовление и опытная эксплуатация первых образцов серии микроГЭС завода «Электросила» показали относительную сложность их конструкции, затруднявшую широкое развертывание заводского производства и трудности эксплуатационного характера. По результатам испытаний пришлось признать необходимость свести автоматизацию агрегатов к немногочисленным, хотя и грубым, но надежно действующим деталям [63].
Следует отметить, что упрощение конструкции микроГЭС прежде всего сводилось к использованию нерегулируемых гидротурбин и, соответственно, совершенствованию электрической части станций, в первую очередь генераторов. Так, в ВЭИ С. Б. Юдицким были разработаны самовозбуждающиеся синхронные генераторы марки СОГ-Ю/4 и СО Г-16/6, возбуждение которых осуществлялось с помощью селенового выпрямителя. Выпуск этих, по существу одних из первых, образцов вентильных электрических машин был освоен на заводе «Вольта» города Баранча [63].
Дальнейшие работы над микроГЭС затормозила война 1941-1945 годов. После войны успехи вобласти большой, в том числе ядерной, энергетики привели к практически полному прекращению в СССР работ по микрогидроэнергетике. Гидроэнергия использовалась путем построения крупных ГЭС, которые, наряду с известными достоинствами, обладают рядом существенных недостатков, особенно с экологической точки зрения. И только в последние годы интерес к возобновляемым энергоисточникам, в том числе и микроГЭС, вновь усилился. В нашей стране, в отличие от большинства зарубежных, где развитие микрогидроэнергетики осуществлялось параллельно с другими энергоисточниками, эти работы приходилось начинать практически с нуля. За время длительного игнорирования малой энергетики вообще и микроГЭС в частности был утрачен даже имевшийся опыт использования энергии малых рек, ликвидированы многие из имевшихся гидроэлектроустановок и свернуто производство оборудования для них.
В то же время создание современных автоматизированных микроГЭС требует проведения глубоких исследований, необходимость которых объясняется сложностью процессов преобразования потока воды в электроэнергию со стабильными параметрами. Эта область исследований объединяет такие разделы науки и техники, как гидротехника, электромашиностроение, теория автоматического регулирования, преобразовательная техника, вопросы электроснабжения.
Между тем современные достижения в области электромашиностроения, полупроводниковой и преобразовательной техники привели к появлению нового класса электрических машин, который получил название вентильных. Вентильные машины обладают принципиально новыми свойствами и позволяют решать ранее недоступные задачи. Например, вентильные электрические машины позволяют строить на их основе автономные источники электропитания, обеспечивающие генерирование высококачественной электроэнергии при минимальных требованиях к приводному двигателю. Применительно к микроГЭС это дает возможность строить автоматизированные гидроагрегаты с нерегулируемыми турбинами. Как показал еще довоенный опыт, именно это направление развития микроГЭС в наибольшей степени отвечает как производственно-технологическим, так и эксплуатационным требованиям. Обзор зарубежной информации также показывает, что микроГЭС с применением вентильных электрических машин получают в настоящее время наибольшее распространение во всем мире [107].
Тенденция к упрощению гидротехнической части станций существенно повышает требования к устройствам генерирования электроэнергии и стабилизации ее параметров. Соответственно, вопросы, связанные с исследованиями режимов работы электромашинных генераторов микроГЭС в комплексе со статическими полупроводниковыми системами регулирования величины и частоты выходного напряжения, приобретают первостепенное значение для создания современных микрогидроэлектростанций.
Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обязательные элементы, как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т.д.
В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного валагенератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиально-осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и наклонной осями вращения и т.д. [63,145].
Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидротехнических сооружений – плотин. Поэтому их турбины устанавливаются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в основном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы. Достоинством активных турбин является их максимальная простота и относительная жесткость механических характеристик. Тем не менее низкая частота вращения и малый коэффициент полезного действия активных гидродвигателей ограничивает их применение в гидроэнергетике.
Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего потока воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивного типа. Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из выражения:
,
где 
– вес единицы объема воды; 
– расход воды; 
– рабочий напор; 
– угловая частота вращения; 
– полный КПД турбины.
Очевидно, что мощность гидротурбины с напорным трубопроводом не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диаметр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точкой определяют расчетную мощность станции.
Трубопровод микроГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость существенно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность применения микроГЭС, прежде всего в горных районах, с большими уклонами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а также простейшие сооружения типа деривационных каналов во многих случаях позволяют уменьшить длину, и соответственно, стоимость напорного трубопровода.
Следует отметить, что мощность и частота вращения гидротурбины определяют расчетную мощность генератора, его массу, габариты и стоимость. В общем случае эти параметры связаны соотношением [23, 126]:
,
где 
– внутренний диаметр статора электрической машины; 
– расчетная длина воздушного зазора; 
– расчетная полная мощность; 
– частота вращения; 
– линейная нагрузка; 
– магнитная индукция в воздушном зазоре; 
– коэффициент пропорциональности.
При относительно постоянных значениях расчетной мощности и электромагнитных нагрузок генератора его объем, характеризующийся произведением, определяется частотой вращения . С этой точки зрения, быстроходные гидротурбины позволяют использовать генераторы, обладающие хорошими массогабаритными показателями и низкой стоимостью.
В случае, когда частота вращения гидротурбины микроГЭС мала (практически менее 400 об/мин), целесообразно применение мультипликаторов. Это позволяет добиться максимального КПД преобразования и минимальной массы установки в целом.
Применительно к низконапорным микроГЭС преимущественное распространение получили реактивные гидротурбины пропеллерного типа с номинальной частотой вращения от 1000 до 3000 об/мин. Этот тип турбин позволяет исключить мультипликатор из состава гидроэнергоустановки. На рис. 12.11 показаны экспериментальные мощностные и механические характеристики нерегулируемой пропеллерной гидротурбины типа К-245, диаметром 289 мм, при напоре =9 м, для двух положений открытия направляющего аппарата (а).
Рисунок 12.11 – Характеристики гидротурбины типа К-245, =289 мм, =9м
Как видно из рис. 12.11, мощность, развиваемая гидротурбиной, равна нулю в двух случаях:
- при =0, когда происходит протекание воды, но нет вращения, и, следовательно, работа не совершается – энергия воды растрачивается на гидравлическое сопротивление;
- при = 
, когда под действием напора воды турбина развивает максимальные обороты, растрачивая энергию на гидравлические и механические сопротивления. Угонная частота вращения гидротурбины пропеллерного типа достигает 2-2,5 номинальной частоты. С уменьшением открытия направляющего аппарата мощность турбины и максимальная частота вращения уменьшаются, поскольку падают расход воды и энергия потока.
Следовательно, частота вращения гидроагрегата может существенно изменяться в зависимости от энергии рабочего потока воды и колебаний величины мощности нагрузки, уравновешивающей мощность, развиваемую гидродвигателем.
Очевидно, что особое внимание при создании микроГЭС необходимо обращать на системы стабилизации ее рабочих режимов.
Уравнение движения системы «гидротурбина – генератор» имеет вид:
,
где 
– механический момент, развиваемый гидротурбиной; 
– момент сопротивления генератора; 
– момент инерции вращающихся частей; – угловая частота вращения гидроагрегата.
Статическая устойчивость системы «гидротурбина – генератор» и погрешность стабилизации частоты ее вращения определяются суммарным коэффициентом саморегулирования микроГЭС:
,
,
где 
, 
– коэффициенты саморегулирования генератора и гидротурбины соответственно; 
, 
– номинальные (расчетные) значения моментов генератора и гидротурбины в точке номинального режима; 
– номинальная частота вращения гидроагрегата.
Для устойчивой работы гидроагрегата суммарный коэффициент саморегулирования должен иметь положительное значение.
В зависимости от условий в микрогидроэлектростанциях применяются практически все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиально-осевые, ковшовые, капсульные и др. Для максимального упрощения и удешевления гидроагрегатов достаточно широко используется стандартное насосное оборудование. Насосы отличаются от традиционных гидротурбин тем, что у них нет устройств регулирования расхода воды и, следовательно, мощности [85]. Насосы предназначены для работы в одном режиме, что определяет их простоту и меньшую стоимость по сравнению с регулируемыми турбинами, мощность которых приводится в соответствие с мощностью нагрузки путем регулирования расхода воды или поворотом рабочих лопастей. Оптимизацию условий работы насоса в турбинном режиме несложно выполнить с помощью простейших гидротехнических сооружений, например, напорного трубопровода и системы стабилизации электрической мощности гидроагрегата.
Генератор является важнейшим элементом электрооборудования автономной энергоустановки. Кроме основного назначения, заключающегося в генерировании электрической энергии, генератор должен выполнять определенные функции по стабилизации или регулированию параметров, характеризующих ее качество. Поэтому одним из требований, предъявляемых к генератору автономной электроустановки, является управляемость. Конструктивное выполнение генератора должно обеспечить возможность его эксплуатации на открытом воздухе с высокой степенью надежности в течение длительного времени.
В агрегатах микроГЭС в основном применяются генераторы переменного тока синхронного или асинхронного типов. Преимуществами асинхронных генераторов являются высокая надежность, малые габариты, низкая стоимость, простота включения на параллельную работу. К основным их недостаткам
относятся необходимость в конденсаторной батарее для самовозбуждения и относительная сложность регулирования выходного напряжения. Синхронные машины имеют несколько большие габариты и массу, а также более дороги, чем асинхронные. Тем не менее меньшая мощность возбуждения и простота возбуждающих и регулирующих устройств в ряде случаев делают более предпочтительным применение в микроГЭС синхронных генераторов.
В зависимости от условий работы энергоустановки можно рекомендовать применение асинхронных генераторов, если станция работает на мощную электрическую сеть или на пассивную автономную нагрузку. При автономном режиме работы на нагрузку с изменяющимся коэффициентом мощности преимущества имеют микроГЭС, построенные на основе синхронных генераторов [15,88].
За рубежом выпускаются различные модификации генераторов, специально предназначенных для работы в составе микроГЭС [65,107]. Среди них имеются как синхронные, так и асинхронные машины. В России и странах содружества специальных генераторов для рассматриваемых целей не выпускается, поэтому следует обратить внимание на общепромышленные электрические машины, автотракторное электрооборудование и некоторые типы синхронных генераторов серий ЕСС, ГО, ГСФ, СГВ и др., применяемых в передвижных электростанциях с двигателями внутреннего сгорания и в ветроэлектроустановках. Заслуживает внимания также опыт использования в генераторном режиме асинхронных двигателей с емкостным возбуждением.
К основным показателям качества источников электропитания относятся параметры выходного напряжения, характеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому важнейшим элементом энергоустановки является система стабилизации, обеспечивающая статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабилизацию его выходного напряжения.
Методы построения системы стабилизации частоты переменного тока автономного источника электропитания можно разделить на две группы: стабилизация частоты вращения приводного двигателя и генерирование переменного тока стабильной частоты при изменяющейся скорости привода. Основные варианты построения стабилизирующих систем показаны на рис. 12.12.
Регулирование частоты вращения турбины заключается в изменении угла поворота рабочих лопастей или регулировании расхода воды. При этом происходит выравнивание мощности, развиваемой турбиной, и мощности нагрузки. В микрогидроэлектростанциях наибольшее распространение получило регулирование расхода воды путем изменения величины открытия направляющего аппарата. Схема энергоустановки с регулированием частоты вращения турбины путем изменения энергии рабочего потока или угла атаки рабочих лопастей показана на рис. 12.12, а.
Основными недостатками регулируемых турбин являются усложнение их конструкции, а также необходимость в электромеханической системе регулирования частоты вращения установки. Из-за наличия в системе регулирования инерционных элементов частота выходного напряжения может изменяться в широких пределах. В литературе приводятся данные, что время регулирования для малых гидротурбин равно 1,5-3 с [145].
Рисунок 12.12 – Варианты построения системы стабилизации:
– энергия потока воды, 
– гидротурбина, 
– генератор, – полезная нагрузка, 
– автобалластная нагрузка, 
– привод постоянной скорости, 
–машинно-вентильный источник
Упростить конструкцию турбин и добиться большего быстродействия регуляторов частоты возможно путем регулирования величины нагрузки энергоустановки. Такая возможность определяется зависимостью частоты вращения турбины от развиваемой ею мощности, которая в автономной системе электроснабжения потребляется электрической нагрузкой. Следовательно, выбирая соответствующую нагрузку источника электропитания, можно стабилизировать частоту вращения генератор-приводная турбина. Изменять величину нагрузки микроГЭС возможно включением на выход генератора регулируемой балластной нагрузки.
Если под балластной понимать некоторую полезную нагрузку, то данный способ стабилизации подразумевает автоматическое перераспределение электрической мощности между некоторыми потребителями, часть из которых допускает снижение величины питающего напряжения или его отключение.
Схема энергоустановки с автобалластным регулированием выходных параметров представлена на рис. 12.13.
Достоинством данного способа является полное исключение электромеханических устройств из системы стабилизации частоты вращения гидродвигателя. Замена их статическим регулятором весьма выгодна и с точки зрения улучшения характеристик микроГЭС, и с точки зрения чисто экономической Так, по данным [65,120], стоимость регулятора автобалласта может составлять лишь 20% от механического регулятора гидротурбины.
Системы с автобалластным регулированием имеют высокое быстродействие, что положительно сказывается на качестве выходного напряжения. За счет стабилизации частоты вращения гидроагрегав рассматриваемом типе энергоустановок могут применяться общепромышленные генераторы без запаса механической прочности, а в качестве гидродвигателя - насос в турбинном режиме. Кроме того, автобалластный способ стабилизации хорошо сочетается с регулированием выходных параметров асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением, что позволяет применять в автономных микроГЭС как синхронные, так и асинхронные машины [117,118,120].
Одним из способов стабилизации частоты вращения электрического генератора, входящего в состав энергоустановки с нерегулируемым двигателем, является применение приводов постоянной скорости (ППС), которые обеспечивают постоянство частоты вращения выходного вала при изменяющейся в определенных пределах частоты вращения приводной турбины. Схема такой установки показана на рис. 12.13, в. ППС применительно к микроГЭС является аккумулятором механической энергии, которая запасается в виде воды, поднятой в резервуар. В гидроэнергоустановках подобные системы могут применяться при малых кинетических энергиях потока, когда для создания необходимого напора вода поднимается в бак, расположенный на определенной высоте относительно турбины.
Машинно-вентильные источники электропитания позволяют стабилизировать частоту генерируемого переменного тока при изменяющейся в широком диапазоне частоте вращения привода (системы типа «переменная скорость – постоянная частота», «ПС–ПЧ»). Достоинствами таких устройств являются высокое качество выходного напряжения и независимость электрических параметров генератора от режима работы турбины. Недостатки подобных систем заключаются в их сложности, а значит, более высокой стоимости. Кроме того, нерегулируемая турбина определяет повышенные требования к механической мощности генератора. Для пропеллерных турбин угонное число оборотов в 2,5 раза превышает частоту вращения при номинальном режиме. В то же время для общепромышленных электрических машин допускается превышение номинальной частоты вращения не более чем на 30%. Поэтому возникает необходимость использовать либо специальные электрические машины, способные работать в широком диапазоне изменения частоты вращения, либо ограничивать частоту вращения гидротурбины. Схема установки, содержащей машинно-вентильный источник электропитания (МВИ), показана на рис. 12.13, г.
Таким образом, способ построения и стабилизации выходных электрических параметров микроГЭС зависит от напора воды, характеристик двигателя и от структуры и состава нагрузок.
В результате обзора существующих конструкций микроГЭС можно сделать вывод, что наиболее перспективным вариантом автономной станции является установка, содержащая машинно-вентильный источник электропитания. Среди различных машинно-вентильных систем существенными преимуществами обладают системы стабилизации автобалластного типа.
Опыт разработки и эксплуатации микроГЭС доказал, что наиболее перспективным вариантом построения станций является бесплотинная конструкция с автобалластной системой стабилизации напряжения. Именно по этому принципу выполнено большинство автономных систем электроснабжения, которое успешно эксплуатируются во многих странах мира: США, Японии, Китае, Дании, Швеции и т.д. Также следует отметить, что микроГЭС автобалластного типа могут выполняться в различных модификациях.
В настоящее время основные усилия разработчиков микроГЭС направлены на совершенствование систем стабилизации выходного напряжения энергоустановки, что позволяет использовать максимально простое и дешевое гидротехническое оборудование. В результате стоимость микроГЭС снижается при одновременном повышении ее надежности.
В результате обзора существующих конструкций микроГЭС можно сделать вывод, что автобалластне системы стабилизации применимы для любого типа генератора и могут выполняться на основе тиристорных коммутаторов или схем регуляторов с фазовым управлением. Обычно фазовые регуляторы балластной нагрузки проще и дешевле дискретных коммутаторов, но вносят больше искажений в форму фазных токов и напряжений генератора. В ряде конструкций, например предложенной авторами [86], удается удачно сочетать балластную нагрузку с механическими регулирующими устройствами путем использования балластного тока для управления затвором турбины.
Результаты исследований в области автономной микрогидроэнергетики, проведенных в Томском политехническом университете, позволили разработать и внедрить в производство некоторые типы микроГЭС. МикроГЭС мощностью 16 кВт выпускается заводом «Тяжэлектромаш» (город Бишкек) с 1988 года. Конструкторскую проработку станции, включая гидротурбину, осуществлял проектноконструкторский и технологический институт (ПКТИ) «Водоавтоматика и метрология» (город Бишкек).Система стабилизации напряжения и частоты автобалластного типа разработана в Томске и доведена до серийного производства в результате совместных усилий ТПУ и ПКТИ «Водоавтоматика и метрология».
В данной станции использована нерегулируемая гидротурбина пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения, рассчитанная на рабочий напор воды 7,5-15 м и максимальный расход воды 0,5 м3/сек. Номинальная частота вращения -1035 об/мин.
В качестве генератора микроГЭС использован серийный асинхронный двигатель серии 4А с конденсаторным возбуждением. Функции стабилизации выходных электрических параметров осуществляетавтобалластная система. Кроме того, имеются модификации с дополнительным каналом регулирования возбуждения асинхронного генератора с помощью управляемого тиристорного преобразователя, разработанного специалистами Самарского политехнического университета. Погрешность стабилизации величины выходного напряжения не превышает 10%, а его частоты – 2% относительно номинальных значений 230/400 В и 50 Гц.
Эффективность и относительная простота схемных решений автоматических регуляторов балласта, реагирующих на величину тока полезной нагрузки, определили выбор именно этого типа автобалластной системы стабилизации.