【摘要】：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(xué)模型并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。常規(guī)水電站和抽水蓄能電站作為水機(jī)電耦合復(fù)雜系統(tǒng),典型狀態(tài)變量隨時間演進(jìn)而具有不同動態(tài)響應(yīng),因此兩者均可描述為復(fù)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(yùn)行參數(shù)變化劇烈且內(nèi)部耦聯(lián)關(guān)系復(fù)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(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水電站系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制”從動力學(xué)角度出發(fā)將水力發(fā)電系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)進(jìn)行分塊獨(dú)立建模,考慮水力、機(jī)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(jī)制,實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)建模并探究其穩(wěn)定性機(jī)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(jié)果如下:(1)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水力、機(jī)械和電氣三個子系統(tǒng)組成,其各子系統(tǒng)響應(yīng)時間存在尺度差異,因此水輪機(jī)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(yīng)。為了研究水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在多時間尺度下瞬態(tài)動力學(xué)行為及穩(wěn)定機(jī)理,首先考慮機(jī)械系統(tǒng)中慣性和間隙影響將其作為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慢子系統(tǒng),通過引入標(biāo)度因子對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)度,建立存在多時間尺度效應(yīng)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。利用數(shù)值模擬分析了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在時間尺度變化下動力學(xué)行為演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在顯著快慢效應(yīng)(高頻小幅振動和低頻大幅振動交替出現(xiàn))。當(dāng)標(biāo)度因子大于0且小于1時,通過增大標(biāo)度因子可以有效減弱或避免系統(tǒng)的快慢效應(yīng)。為了探究水輪機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞系數(shù)隨工況運(yùn)行而改變,通過引入周期激勵形式傳遞系數(shù)建立水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多頻率尺度動力學(xué)模型。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)多頻率尺度水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在典型快慢動力學(xué)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(jī)理。研究成果為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程多尺度耦合動力學(xué)建模及穩(wěn)定性分析方面提供理論參考。(2)水輪機(jī)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(xué)模型適用性關(guān)鍵因素。為了更加準(zhǔn)確描述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程動態(tài)特性,首先通過改進(jìn)獲得水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)力矩和流量表達(dá)式,針對甩負(fù)荷關(guān)機(jī)過渡過程建立了可以反映水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)特性的動力學(xué)模型。利用數(shù)值模擬分析了導(dǎo)葉直線關(guān)閉和折線關(guān)閉規(guī)律對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響規(guī)律,揭示了導(dǎo)葉折線關(guān)閉規(guī)律中折點(diǎn)設(shè)置對水輪機(jī)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(xué)響應(yīng)及受力特征,基于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)耦聯(lián)關(guān)系,建立水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)瞬態(tài)耦合動力學(xué)模型。在開機(jī)過渡過程中分析了導(dǎo)葉直線開啟和折線開啟規(guī)律對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和軸系系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)特性影響,揭示兩系統(tǒng)在開機(jī)過程相互作用機(jī)理及對軸系瞬態(tài)響應(yīng)和受力特征影響規(guī)律。研究成果豐富了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與軸系系統(tǒng)耦合動力學(xué)建模理論,為探究其瞬態(tài)穩(wěn)定機(jī)理奠定理論基礎(chǔ)。(3)變頂高尾水水電站系統(tǒng)尾水結(jié)構(gòu)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(fù)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(jìn)行動力學(xué)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(xué)模型,利用正交分解法將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)哈密頓系統(tǒng)形式,通過分解哈密頓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fù)荷擾動和隨機(jī)負(fù)荷擾動下動力學(xué)響應(yīng)。在機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)小波動過渡過程中,從動力學(xué)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(jī)在運(yùn)行過程中受到多種隨機(jī)因素影響,使其瞬態(tài)特性及其穩(wěn)定性機(jī)理更加復(fù)雜。為了研究水泵水輪機(jī)系統(tǒng)在隨機(jī)因素作用下瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定條件,首先建立了水泵水輪機(jī)系統(tǒng)在發(fā)電工況下動力學(xué)模型,利用數(shù)值模擬分析隨機(jī)負(fù)荷擾動下PI控制參數(shù)對水泵水泵水輪機(jī)瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)影響規(guī)律。考慮長壓力引水管道水流慣性在瞬態(tài)過程存在隨機(jī)性變化,采用切比雪夫多項(xiàng)式逼近方法建立水泵水輪機(jī)系統(tǒng)在甩負(fù)荷過渡過程隨機(jī)動力學(xué)模型,分析水流慣性隨機(jī)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(diǎn)穩(wěn)定性影響規(guī)律。研究成果為水泵水輪機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)過程隨機(jī)動力學(xué)建模理論和穩(wěn)定機(jī)理研究提供理論參考。
【圖文】：

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文的交替運(yùn)動會改變尾水洞中水流慣性；另一方面機(jī)組響。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為各變量的相對偏差值，下轉(zhuǎn)速， 表示變頂高尾水洞頂坡角，B表示變頂高尾示明滿流分界面處水深，c表示明流段明渠波速，gM力矩， 是尾水洞斷面系數(shù)，aT 表示機(jī)組慣性時間增益，pK表示比例增益。

況區(qū)瞬態(tài)特性影響規(guī)律，選擇隨機(jī)強(qiáng)度作為分岔參數(shù)分別對壓力管道流量、尾水流量、調(diào)壓室水位和轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，仿真結(jié)果如圖 5-14 所示。圖5-14為水泵水輪機(jī)系統(tǒng)在不同隨機(jī)強(qiáng)度下動力學(xué)響應(yīng)。當(dāng)隨機(jī)強(qiáng)度 D 0.32時，系統(tǒng)各狀態(tài)變量處于臨界狀態(tài)。隨著壓力引水管道隨機(jī)強(qiáng)度增加，水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各狀態(tài)變量逐漸趨于失穩(wěn)狀態(tài)。對比分析圖 5-14（a）和圖 5-14（b）可知，壓力管道流量相對偏差和尾水隧洞流量相對偏差變化趨勢相似，當(dāng)隨機(jī)強(qiáng)度 D 0.32時，壓力管道流量相對偏差臨界值達(dá)到 0.005 而尾水隧洞流量相對偏差臨界值達(dá)到 0.02。仿真結(jié)果說明，與壓力管道流量相比，壓力管道水流慣性隨機(jī)變化強(qiáng)度的增加對尾水隧洞流量影響更加顯著。分析圖 5-14（c）可知，調(diào)壓室內(nèi)水位波動相對偏差臨界值與尾水隧洞流量相對偏差臨界值較為接近
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV734

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