哈密顿理论体系下水力发电系统稳定性研究

发布时间：2020-09-16 18:08

　　水力发电系统是由引水管道,水轮机,发电机,调速器和电力负荷五个子系统构成的典型能量交换与产生以及耗散的混杂系统。其稳定性与各子系统的动态特性直接相关,又不完全依赖于各子系统的独立行为,从能量层面可以概括为系统内部产生的能量与耗散,以及系统与外部环境能量交换之间的不平衡。因此,引入广义哈密顿系统理论,分别建立水力发电系统内部轴系统、外部水轮机调节系统和内外耦联系统广义哈密顿动力学模型,从能量角度分析水力发电系统动态特性及稳定性。本论文的主要内容包括以下几方面:(1)水力发电机组轴系哈密顿建模与动力学特性分析。以水轮发电机组转子与转轮为核心,定义广义坐标,构建主轴系统能量函数,推导广义动量建立轴系一阶微分运动方程。将附加外力作为输入激励组成机组轴系广义哈密顿理论模型。运用数值分析方法,结合实例探究在考虑不平衡磁拉力及水力不平衡力作用下,机组转速、阻尼系数等参数变化时转子与转轮系统动力学响应,以及主轴系统轴心轨迹与时、频域特性。分析结果表明,阻尼是影响系统稳定性的重要因素之一;阻尼系数较小时(0c_12×10~6N·s/m,0c_21.5×10~6N·s/m)系统运动存在明显的倍周期特性,横向振动幅值较大;当阻尼系数增大时系统表现为周期运动。最后通过理论模型对比与已有模型实验验证了模型可靠性。(2)水轮机调节系统哈密顿模型与突减负荷动态特性分析。利用广义哈密顿理论描述系统能量特性的优越性,通过正交分解实现方法,建立包含水轮机及其引水系统和发电机的水力发电机组哈密顿模型。首先,分别从理论推导和数值模拟验证所建模型的系统能量流变化与实际物理系统的一致性与正确性,和有效描述突减负荷暂态过程;进一步地探究了水力发电机组在突减负荷瞬态工况下机组的典型运行参数,流量、转速和功角等变化规律。结果表明所建哈密顿模型可以有效地描述水力发电系统瞬态过程中能量变化特征。(3)水力发电系统内外耦联暂态哈密顿建模与分析。考虑到水力发电系统多子系统耦合特性,以所建立的轴系一阶微分运动方程为主体,将机组转速作为关联因子与非线性水轮机广义哈密顿模型连接,构成水力发电系统水机电耦合暂态哈密顿模型。为了验证该模型,以机组开启过程为例,分析了不同导叶开启规律对轴系振动的影响及机组运行参数的变化特征。进一步研究了启动过程中水力发电机组内部广义能量的转换特性。结果表明,导叶初始开启速率增加一倍,机组转子轴心的最大振幅增加2.5%,转轮轴心最大振幅增加0.8%,转子振荡时长增加27%,转轮轴心振荡时长增加32%。所建模型在一定程度上能够正确地描述机组在瞬态工况下的运动规律,同时能够反映系统的能量耗散及转换,为水电站整体稳定性研究提供新的思路。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV737

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