專利名稱：一種彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，屬于水輪機及水力機組穩(wěn)定性分析和控制領域。
背景技術：
水輪機功率計算，是水輪機及水力機組穩(wěn)定分析和控制設計的核心參數(shù)。目前進行水輪機功率的計算方法有兩種形式，一是以六個傳遞系數(shù)描述的線性化模型，該類模型只能適用于小擾動。若以水輪機綜合特性曲線折算每一工況點的六個傳遞系數(shù)，則該方法也可用于大波動計算。但是計算量大，應用不方便。而且由于水輪機模型綜合特性曲線是水輪機穩(wěn)態(tài)特性，這種算法的本質(zhì)是以穩(wěn)態(tài)特性近似計算動態(tài)參數(shù)，是一種近似方法。二是IEEE Working Group及其相似的非線性水輪機模型，該類模型中，水力系統(tǒng)動態(tài)采用傳遞函數(shù)描述，在計算出水力動態(tài)參數(shù)水頭和流量之后，采用水輪機功率功率的代數(shù)方程計算。在第二類非線性水輪機模型中，在剛性水擊條件下，已能導出水輪機功率的微分方程計算模型，而在彈性水擊下，由于水力系統(tǒng)動態(tài)傳遞函數(shù)分子階次大于分母階次，不能采用傳統(tǒng)的非線性系統(tǒng)理論轉(zhuǎn)化為微分方程模型。因此，在涉及彈性水擊的分析研究中，水力系統(tǒng)動態(tài)只能采用傳遞函數(shù)形式來描述，在水輪機及水力機組非線性分析和控制設計中應用不便。由于水輪機近似為剛性元件，水輪機力矩計算的代數(shù)和微分方程在描述水輪機力矩暫態(tài)時是等價的，其動態(tài)實際上是由水力系統(tǒng)動態(tài)決定的。水力系統(tǒng)對水輪機的作用主要以水輪機進口端面的水頭和流量來產(chǎn)生影響。因此彈性水擊下水輪機功率的計算由水力系統(tǒng)動態(tài)和水輪機功率的代數(shù)方程組成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，為研究水力機組暫態(tài)過程及其穩(wěn)定性，以及為水力機組非線性控制設計中提供一種便捷的水輪機功率的計算方法和手段。同時該方法可應用于涉及水力機組穩(wěn)定分析的商業(yè)軟件中。本發(fā)明的技術方案是將彈性水擊下管道水力動態(tài)的增量形式的傳遞函數(shù)模型，轉(zhuǎn)化為相對值形式的微分方程形式，使得水力動態(tài)變?yōu)榉蔷€性微分方程模型，能夠適用于大波動和小波動暫態(tài)的非線性分析。在轉(zhuǎn)化中，利用水輪機流量、水頭和導葉開度的本構方程，替換水力暫態(tài)中水輪機水頭的表達式。同時，將可控變量導葉開度引入水力系統(tǒng)動態(tài)模型中，建立水輪機可控參數(shù)與水力系統(tǒng)之間的聯(lián)系。進而以建立以微分方程為基礎的水輪機暫態(tài)功率模擬計算方法。具體包含以下步驟
步驟一計算水力系統(tǒng)特征參數(shù)，具體采用以下公式進行計算
水力涌浪阻抗的規(guī)格化值
AgHt管道彈性時間常數(shù)7 = 土
J- _ r/ ^Qi \2 I
管道的摩擦損失系數(shù)rp = " I I Wj K
{4D)
其中Zn是管道的水力涌浪阻抗的規(guī)格化值^是重力加速度(米/秒2)，〃是水擊波速(米/秒)，^是管道斷面面積(米2)，A是水輪機額定流量(米3/秒)，Ht是水輪機額定水頭(米)，7；是管道彈性時間常數(shù)(秒)，L是管道長度(米)，/p是圓形斷面管道的摩擦損失系數(shù)，#是粗糙系數(shù)，鋼管取0. 012 - 0. 014，舊鋼管可以取到0. 018，D為圓管直徑(米)。 采用額定工況參數(shù)計算水輪機增益常數(shù)
Pr
IrJ)
其中為水輪機增益常數(shù)，^nl為水輪機空載流量相對值，即^nl=仏i/A -,Pt是額定工況下水輪機輸出功率相對值，Qt是水輪機額定流量的相對值，乂是水輪機水頭的相對值。步驟二 采用以下微分方程組計算暫態(tài)過程中水輪機流量和主接力器位移的變化
N
X = / (JC) + gu
^r2IV2. 2「Ol
/(傘 S f，，
-IfI2X2 + —— [A0-(/ +^y)^]g =
ZtX0
-^T(Wo)—
_ 7JLyJ
其中是中間變量，無具體意義，Z4=<7，<7是水輪機流量相對值，即<7=必從，0是水輪機流量(米3/s)沐5=7，_7是水輪機主接力器位移相對值，即_F=17T_，7是主接力器位移(厘米)，rmax是主接力器位移最大值(厘米)，九是主接力器位移初值相對值，即九=70/7max，V0是主接力器位移初值(厘米)，A是額定工況下主接力器的相對值，即A=l；/7max，Vt是額定工況下的導葉開度(厘米)'Ty是主接力器時間常數(shù)(秒)。假定從主接力器位移到導葉開度之間為線性環(huán)節(jié)，則導葉開度的相對值與主接力器位移相對值在數(shù)值上是相等的。則控制《是調(diào)速器控制單元的輸出。上述微分方程的數(shù)值計算，可采用各種常規(guī)數(shù)值計算方法進行計算，如龍格庫塔法等。在輸入U變化的情況下，利用微分方程組計算出變量A (流量)、七(主接力器位移)的變化。采用下式計算暫態(tài)過程中水輪機水頭的變化
權利要求
1.一種彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，其特征在于利用水輪機水頭、流量和導葉開度的基本關系，將彈性水擊下增量形式的傳遞函數(shù)描述的水力系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)化成相對值形式的微分方程，引入水輪機主接力器運動微分方程，與水力動態(tài)方程一起構成水輪機暫態(tài)力矩計算的微分方程模型，模擬計算水輪機暫態(tài)功率；具體步驟如下 步驟一計算水力系統(tǒng)特征參數(shù)，具體采用以下公式進行計算 水力涌浪阻抗的規(guī)格化值
2.根據(jù)權利要求I所述的彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，其特征在于步驟二中的暫態(tài)過程中水輪機流量和主接力器位移的變化中的微分方程的數(shù)值計算，可采用如龍格庫塔法的各種常規(guī)數(shù)值計算方法進行計算；在輸入u變化的情況下，利用微分方程組計算出變量A (流量)、七(主接力器位移)的變化。
3.根據(jù)權利要求I或者2所述的彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，其特征在于所述的方法通過如下水輪機力矩的計算公式，同樣適用于水輪機力矩的計算
全文摘要
本發(fā)明涉及一種彈性水擊下水輪機暫態(tài)功率的模擬計算方法，屬于水輪機及水力機組穩(wěn)定性分析和控制領域。本發(fā)明利用水輪機水頭、流量和導葉開度的基本關系，將彈性水擊下增量形式的傳遞函數(shù)描述的水力系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)化成相對值形式的非線性微分方程。引入水輪機主接力器運動微分方程，并與水力動態(tài)方程一起構成了水力動態(tài)計算的微分方程模型，該模型首先計算出暫態(tài)過程中水輪機流量和主接力器位移的變化值，采用代數(shù)方程計算水輪機水頭和水輪機功率的暫態(tài)變化。本發(fā)明的微分方程模型可與勵磁控制器、調(diào)速控制器、發(fā)電機及電網(wǎng)系統(tǒng)微分方程相結(jié)合，研究控制器的非線性控制策略設計，以及分析水力機組、機組及電網(wǎng)的穩(wěn)定性，適用于大擾動和小擾動的分析。
文檔編號G06F19/00GK102663241SQ201210087268
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者姚激, 張立翔, 徐天茂, 曾云, 李澤, 武亮, 王文全, 閆妍 申請人:昆明理工大學