水力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)動力學建模與穩(wěn)定性分析

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1、 水力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)動力學建模與穩(wěn)定性分析 本論文以水力發(fā)電系統(tǒng) ( 常規(guī)水電站和抽水蓄能電站 ) 為研究對 象 , 建立其在瞬態(tài)過程動力學模型并進行穩(wěn)定性分析。常規(guī)水電站和 抽水蓄能電站作為水機電耦合復雜系統(tǒng) , 典型狀態(tài)變量隨時間演進而具有不同動態(tài)響應 , 因此兩者均可描述為復雜非線性水力發(fā)電系統(tǒng)。 水力發(fā)電系統(tǒng)在瞬態(tài)過程中運行參數(shù)變化劇烈且內(nèi)部耦聯(lián)關系復雜, 故其在瞬態(tài)過程中的穩(wěn)定性問題尤為突出。 本論文結合國家自然科學基金項目“水電站系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制” 從動力學角度出發(fā)將水力發(fā)電系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)進行分塊獨立建模 , 考慮

2、水力、機械和電磁等因素共同作用 , 針對典型瞬態(tài)過程推求水力發(fā)電系統(tǒng)各子系統(tǒng)間耦聯(lián)機制 , 實現(xiàn)水力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)動力學建模并探究其穩(wěn)定性機理 , 取得了較為完整且具有一定創(chuàng)新性的理論成果。主要研究內(nèi)容和結果如 下 :(1) 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水力、機械和電氣三個子系統(tǒng)組成 , 其各子系統(tǒng)響應時間存在尺度差異 , 因此水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程的精確化模型存在多尺度耦合效應。 為了研究水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在多時間尺度下瞬態(tài)動力學行為及穩(wěn)定機理 , 首先考慮機械系統(tǒng)中慣性和間隙影響將其作為水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慢子系統(tǒng) , 通過引入標度因子對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行重新標度 , 建立存在多時間尺度效應水輪機調(diào)

3、節(jié)系統(tǒng)。利用數(shù)值模擬分析了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在時間尺度變化下動力學行為演 化規(guī)律 , 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在顯著快慢效應 ( 高頻小幅振動和低頻大幅振動交替出現(xiàn) ) 。當標度因子大于 0 且小于 1 時, 通過增大標度因子可以有效減弱或避免系統(tǒng)的快慢效應。 為了探究水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)多頻率尺 度下瞬態(tài)特性演化 , 考慮水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞系數(shù)隨工況運行而改變 , 通過引入周期激勵形式傳遞系數(shù)建立水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)多頻率尺度動 力學模型。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)多頻率尺度水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在典型快慢動力學行為 ( 周期簇發(fā) ) 并揭示系統(tǒng)隨激勵幅值和頻率增大過程中的失穩(wěn)機理。研究成

4、果為水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程多尺度耦合動力學建模及穩(wěn)定性分析方面提供理論參考。 (2) 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程中力矩和流量特性變化劇烈 , 是決定其瞬態(tài)動力學模型適用性關 鍵因素。為了更加準確描述水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程動態(tài)特性 , 首先通過改進獲得水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)力矩和流量表達式 , 針對甩負荷關機過渡過程建立了可以反映水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)特性的動力學模 型。利用數(shù)值模擬分析了導葉直線關閉和折線關閉規(guī)律對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響規(guī)律 , 揭示了導葉折線關閉規(guī)律中折點設置對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)水頭、轉(zhuǎn)速、流量等的影響。為了深入分析常規(guī)水電站軸系系統(tǒng)在瞬態(tài)過程動力學響應及受

5、力特征 , 基于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)耦聯(lián)關系 , 建立水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)瞬態(tài)耦合動力學模型。在開機過渡過程中分析了導葉直線開啟和折線開啟規(guī)律對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)和軸系系統(tǒng)瞬態(tài)動力學特性影響 , 揭示兩系統(tǒng)在開機過程相互作用機理及對軸系瞬態(tài)響應和受力特征影響規(guī)律。 研究成果豐富了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)耦合動力學建模理論 , 為探究其瞬態(tài)穩(wěn)定機理奠定理論基礎。 (3) 變頂高尾水水電站系統(tǒng)尾水結構中存在明滿流交替現(xiàn)象 , 與常規(guī)水電站相比由于其瞬態(tài)影響因素較多且隨工況變化 , 故變頂高尾水水電站系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性更加復雜。為了從系統(tǒng) 整體角度研究變頂高尾水水電站系統(tǒng)瞬

6、態(tài)能量流動特性及其穩(wěn)定性影響因素 , 嘗試將變頂高尾水水電站系統(tǒng)納入哈密頓理論框架下進行動力學建模與瞬態(tài)能量流分析。 首先基于變頂高尾水水電站系統(tǒng)動力學模型 , 利用正交分解法將其轉(zhuǎn)化為對應哈密頓系統(tǒng)形式 , 通過分解哈密頓系統(tǒng)結構矩陣獲得系統(tǒng)能量產(chǎn)生與能量耗散影響因素并利用數(shù)值模擬獲得變頂高尾水水電站系統(tǒng)在階躍負荷擾動和隨機負荷擾 動下動力學響應。在機組負荷調(diào)節(jié)小波動過渡過程中 , 從動力學角度探究了三種尾水形式下 ( 有壓尾水、有壓尾水附帶暫態(tài)水流、變頂高尾水 ) 水電站系統(tǒng)穩(wěn)定性變化規(guī)律并揭示變頂高尾水洞洞頂坡度對水電站系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律。 研究成果為變頂高尾水水電站系統(tǒng)瞬

7、態(tài)能量流分析和安全穩(wěn)定調(diào)控提供理論支撐。 (4) 水泵水輪機在運行過程中受到多種隨機因素影響 , 使其瞬態(tài)特性及其穩(wěn)定性機理更加復 雜。為了研究水泵水輪機系統(tǒng)在隨機因素作用下瞬態(tài)響應及穩(wěn)定條件 , 首先建立了水泵水輪機系統(tǒng)在發(fā)電工況下動力學模型 , 利用數(shù)值模擬分析隨機負荷擾動下 PI 控制參數(shù)對水泵水泵水輪機瞬態(tài)動力學響應 影響規(guī)律?？紤]長壓力引水管道水流慣性在瞬態(tài)過程存在隨機性變化 , 采用切比雪夫多項式逼近方法建立水泵水輪機系統(tǒng)在甩負荷過渡過 程隨機動力學模型 , 分析水流慣性隨機變化對系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響規(guī)律 , 并給出反 S 區(qū)特性曲線對系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性影響。 對比分析了特性曲線斜率、摩阻損失、水流慣性及轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)在飛逸工況點穩(wěn)定性影 響規(guī)律。研究成果為水泵水輪機系統(tǒng)瞬態(tài)過程隨機動力學建模理論和穩(wěn)定機理研究提供理論參考。