水力发电系统瞬态动力学建模与稳定性分析

发布时间：2020-05-27 15:38

【摘要】：本论文以水力发电系统(常规水电站和抽水蓄能电站)为研究对象,建立其在瞬态过程动力学模型并进行稳定性分析。常规水电站和抽水蓄能电站作为水机电耦合复杂系统,典型状态变量随时间演进而具有不同动态响应,因此两者均可描述为复杂非线性水力发电系统。水力发电系统在瞬态过程中运行参数变化剧烈且内部耦联关系复杂,故其在瞬态过程中的稳定性问题尤为突出。本论文结合国家自然科学基金项目“水电站系统稳定性与控制”从动力学角度出发将水力发电系统划分为多个子系统进行分块独立建模,考虑水力、机械和电磁等因素共同作用,针对典型瞬态过程推求水力发电系统各子系统间耦联机制,实现水力发电系统瞬态动力学建模并探究其稳定性机理,取得了较为完整且具有一定创新性的理论成果。主要研究内容和结果如下:(1)水轮机调节系统由水力、机械和电气三个子系统组成,其各子系统响应时间存在尺度差异,因此水轮机调节系统在瞬态过程的精确化模型存在多尺度耦合效应。为了研究水轮机调节系统在多时间尺度下瞬态动力学行为及稳定机理,首先考虑机械系统中惯性和间隙影响将其作为水轮机调节系统的慢子系统,通过引入标度因子对水轮机调节系统进行重新标度,建立存在多时间尺度效应水轮机调节系统。利用数值模拟分析了水轮机调节系统在时间尺度变化下动力学行为演化规律,发现系统中存在显著快慢效应(高频小幅振动和低频大幅振动交替出现)。当标度因子大于0且小于1时,通过增大标度因子可以有效减弱或避免系统的快慢效应。为了探究水轮机调节系统多频率尺度下瞬态特性演化,考虑水轮机调节系统传递系数随工况运行而改变,通过引入周期激励形式传递系数建立水轮机调节系统多频率尺度动力学模型。通过数值模拟发现多频率尺度水轮机调节系统存在典型快慢动力学行为(周期簇发)并揭示系统随激励幅值和频率增大过程中的失稳机理。研究成果为水轮机调节系统在瞬态过程多尺度耦合动力学建模及稳定性分析方面提供理论参考。(2)水轮机调节系统在瞬态过程中力矩和流量特性变化剧烈,是决定其瞬态动力学模型适用性关键因素。为了更加准确描述水轮机调节系统在瞬态过程动态特性,首先通过改进获得水轮机调节系统瞬态力矩和流量表达式,针对甩负荷关机过渡过程建立了可以反映水轮机调节系统瞬态特性的动力学模型。利用数值模拟分析了导叶直线关闭和折线关闭规律对水轮机调节系统瞬态特性影响规律,揭示了导叶折线关闭规律中折点设置对水轮机调节系统瞬态水头、转速、流量等的影响。为了深入分析常规水电站轴系系统在瞬态过程动力学响应及受力特征,基于水轮机调节系统与轴系系统耦联关系,建立水轮机调节系统与轴系系统瞬态耦合动力学模型。在开机过渡过程中分析了导叶直线开启和折线开启规律对水轮机调节系统和轴系系统瞬态动力学特性影响,揭示两系统在开机过程相互作用机理及对轴系瞬态响应和受力特征影响规律。研究成果丰富了水轮机调节系统与轴系系统耦合动力学建模理论,为探究其瞬态稳定机理奠定理论基础。(3)变顶高尾水水电站系统尾水结构中存在明满流交替现象,与常规水电站相比由于其瞬态影响因素较多且随工况变化,故变顶高尾水水电站系统瞬态稳定性更加复杂。为了从系统整体角度研究变顶高尾水水电站系统瞬态能量流动特性及其稳定性影响因素,尝试将变顶高尾水水电站系统纳入哈密顿理论框架下进行动力学建模与瞬态能量流分析。首先基于变顶高尾水水电站系统动力学模型,利用正交分解法将其转化为对应哈密顿系统形式,通过分解哈密顿系统结构矩阵获得系统能量产生与能量耗散影响因素并利用数值模拟获得变顶高尾水水电站系统在阶跃负荷扰动和随机负荷扰动下动力学响应。在机组负荷调节小波动过渡过程中,从动力学角度探究了三种尾水形式下(有压尾水、有压尾水附带暂态水流、变顶高尾水)水电站系统稳定性变化规律并揭示变顶高尾水洞洞顶坡度对水电站系统瞬态稳定性影响规律。研究成果为变顶高尾水水电站系统瞬态能量流分析和安全稳定调控提供理论支撑。(4)水泵水轮机在运行过程中受到多种随机因素影响,使其瞬态特性及其稳定性机理更加复杂。为了研究水泵水轮机系统在随机因素作用下瞬态响应及稳定条件,首先建立了水泵水轮机系统在发电工况下动力学模型,利用数值模拟分析随机负荷扰动下PI控制参数对水泵水泵水轮机瞬态动力学响应影响规律。考虑长压力引水管道水流惯性在瞬态过程存在随机性变化,采用切比雪夫多项式逼近方法建立水泵水轮机系统在甩负荷过渡过程随机动力学模型,分析水流惯性随机变化对系统瞬态特性影响规律,并给出反S区特性曲线对系统瞬态稳定性影响。对比分析了特性曲线斜率、摩阻损失、水流惯性及转动惯量对系统在飞逸工况点稳定性影响规律。研究成果为水泵水轮机系统瞬态过程随机动力学建模理论和稳定机理研究提供理论参考。
【图文】：

示意图,顶高,尾水,水电站

西北农林科技大学博士学位论文的交替运动会改变尾水洞中水流惯性；另一方面机组响。文中，，0 0h ( H H ) /H，0 0q (Q Q ) /Q，0 x ( n n ) /0tM，0 0( ) /g g g gm M M M为各变量的相对偏差值，下转速，表示变顶高尾水洞顶坡角，B表示变顶高尾示明满流分界面处水深，c表示明流段明渠波速，gM力矩，是尾水洞断面系数，aT 表示机组惯性时间增益，pK表示比例增益。

分析图,相对偏差,压力管道,流量

况区瞬态特性影响规律，选择随机强度作为分岔参数分别对压力管道流量、尾水流量、调压室水位和转速进行动态响应分析，仿真结果如图 5-14 所示。图5-14为水泵水轮机系统在不同随机强度下动力学响应。当随机强度 D 0.32时，系统各状态变量处于临界状态。随着压力引水管道随机强度增加，水泵水轮机调节系统各状态变量逐渐趋于失稳状态。对比分析图 5-14（a）和图 5-14（b）可知，压力管道流量相对偏差和尾水隧洞流量相对偏差变化趋势相似，当随机强度 D 0.32时，压力管道流量相对偏差临界值达到 0.005 而尾水隧洞流量相对偏差临界值达到 0.02。仿真结果说明，与压力管道流量相比，压力管道水流惯性随机变化强度的增加对尾水隧洞流量影响更加显著。分析图 5-14（c）可知，调压室内水位波动相对偏差临界值与尾水隧洞流量相对偏差临界值较为接近
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV734

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