專利名稱：一種彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，屬于水輪機(jī)及水力機(jī)組穩(wěn)定性分析和控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水輪機(jī)功率計(jì)算，是水輪機(jī)及水力機(jī)組穩(wěn)定分析和控制設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。目前進(jìn)行水輪機(jī)功率的計(jì)算方法有兩種形式，一是以六個(gè)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(jī)綜合特性曲線折算每一工況點(diǎn)的六個(gè)傳遞系數(shù)，則該方法也可用于大波動計(jì)算。但是計(jì)算量大，應(yīng)用不方便。而且由于水輪機(jī)模型綜合特性曲線是水輪機(jī)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(jì)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(jī)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(jì)算出水力動態(tài)參數(shù)水頭和流量之后，采用水輪機(jī)功率功率的代數(shù)方程計(jì)算。在第二類非線性水輪機(jī)模型中，在剛性水擊條件下，已能導(dǎo)出水輪機(jī)功率的微分方程計(jì)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(jī)及水力機(jī)組非線性分析和控制設(shè)計(jì)中應(yīng)用不便。由于水輪機(jī)近似為剛性元件，水輪機(jī)力矩計(jì)算的代數(shù)和微分方程在描述水輪機(jī)力矩暫態(tài)時(shí)是等價(jià)的，其動態(tài)實(shí)際上是由水力系統(tǒng)動態(tài)決定的。水力系統(tǒng)對水輪機(jī)的作用主要以水輪機(jī)進(jìn)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(jī)功率的計(jì)算由水力系統(tǒng)動態(tài)和水輪機(jī)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(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，為研究水力機(jī)組暫態(tài)過程及其穩(wěn)定性，以及為水力機(jī)組非線性控制設(shè)計(jì)中提供一種便捷的水輪機(jī)功率的計(jì)算方法和手段。同時(shí)該方法可應(yīng)用于涉及水力機(jī)組穩(wěn)定分析的商業(yè)軟件中。本發(fā)明的技術(shù)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(jī)流量、水頭和導(dǎo)葉開度的本構(gòu)方程，替換水力暫態(tài)中水輪機(jī)水頭的表達(dá)式。同時(shí)，將可控變量導(dǎo)葉開度引入水力系統(tǒng)動態(tài)模型中，建立水輪機(jī)可控參數(shù)與水力系統(tǒng)之間的聯(lián)系。進(jìn)而以建立以微分方程為基礎(chǔ)的水輪機(jī)暫態(tài)功率模擬計(jì)算方法。具體包含以下步驟
步驟一計(jì)算水力系統(tǒng)特征參數(shù)，具體采用以下公式進(jìn)行計(jì)算
水力涌浪阻抗的規(guī)格化值
AgHt管道彈性時(shí)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(jī)額定流量(米3/秒)，Ht是水輪機(jī)額定水頭(米)，7；是管道彈性時(shí)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(jì)算水輪機(jī)增益常數(shù)
Pr
IrJ)
其中為水輪機(jī)增益常數(shù)，^nl為水輪機(jī)空載流量相對值，即^nl=仏i/A -,Pt是額定工況下水輪機(jī)輸出功率相對值，Qt是水輪機(jī)額定流量的相對值，乂是水輪機(jī)水頭的相對值。步驟二 采用以下微分方程組計(jì)算暫態(tài)過程中水輪機(jī)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(jī)流量相對值，即<7=必從，0是水輪機(jī)流量(米3/s)沐5=7，_7是水輪機(jī)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(dǎo)葉開度(厘米)'Ty是主接力器時(shí)間常數(shù)(秒)。假定從主接力器位移到導(dǎo)葉開度之間為線性環(huán)節(jié)，則導(dǎo)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(jì)算，可采用各種常規(guī)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，如龍格庫塔法等。在輸入U(xiǎn)變化的情況下，利用微分方程組計(jì)算出變量A (流量)、七(主接力器位移)的變化。采用下式計(jì)算暫態(tài)過程中水輪機(jī)水頭的變化
權(quán)利要求
1.一種彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，其特征在于利用水輪機(jī)水頭、流量和導(dǎo)葉開度的基本關(guān)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(jī)主接力器運(yùn)動微分方程，與水力動態(tài)方程一起構(gòu)成水輪機(jī)暫態(tài)力矩計(jì)算的微分方程模型，模擬計(jì)算水輪機(jī)暫態(tài)功率；具體步驟如下 步驟一計(jì)算水力系統(tǒng)特征參數(shù)，具體采用以下公式進(jìn)行計(jì)算 水力涌浪阻抗的規(guī)格化值
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，其特征在于步驟二中的暫態(tài)過程中水輪機(jī)流量和主接力器位移的變化中的微分方程的數(shù)值計(jì)算，可采用如龍格庫塔法的各種常規(guī)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算；在輸入u變化的情況下，利用微分方程組計(jì)算出變量A (流量)、七(主接力器位移)的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，其特征在于所述的方法通過如下水輪機(jī)力矩的計(jì)算公式，同樣適用于水輪機(jī)力矩的計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明涉及一種彈性水擊下水輪機(jī)暫態(tài)功率的模擬計(jì)算方法，屬于水輪機(jī)及水力機(jī)組穩(wěn)定性分析和控制領(lǐng)域。本發(fā)明利用水輪機(jī)水頭、流量和導(dǎo)葉開度的基本關(guān)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(jī)主接力器運(yùn)動微分方程，并與水力動態(tài)方程一起構(gòu)成了水力動態(tài)計(jì)算的微分方程模型，該模型首先計(jì)算出暫態(tài)過程中水輪機(jī)流量和主接力器位移的變化值，采用代數(shù)方程計(jì)算水輪機(jī)水頭和水輪機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)，以及分析水力機(jī)組、機(jī)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(quán)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(xué)