一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，利用電路等效法建立抽水蓄能機組的有壓管道模型、調(diào)壓室模型和水泵水輪機模型；根據(jù)上述模型形成抽水蓄能機組過水系統(tǒng)等效電路模型；并根據(jù)多維基爾霍夫電壓和電流定理，建立過水系統(tǒng)的等效電路網(wǎng)絡(luò)的常微分矩陣方程；本發(fā)明提出的建模方法，通過基于電路等效法的抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真方法進行了驗證，驗證結(jié)果表明所建立的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)模型可更大程度地滿足水電能源系統(tǒng)仿真和電力系統(tǒng)分析的精細化建模要求。
【專利說明】
-種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)水力發(fā)電機組的建模與過渡過程分析領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及 一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 抽水蓄能電站W(wǎng)其調(diào)峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻、調(diào)相等快速響應(yīng)的特性，在電 網(wǎng)中發(fā)揮著調(diào)節(jié)負荷、促進電力系統(tǒng)節(jié)能和維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的功能，逐步成為解決 電力系統(tǒng)調(diào)峰問題W及確保安全可靠運行的有效手段。與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站 具有高水頭、工況轉(zhuǎn)換頻繁及過水系統(tǒng)復(fù)雜且具有雙向水流等特性，在對其過水系統(tǒng)建模 時既要考慮壓力管道的復(fù)雜彈性水擊影響，又要計及調(diào)壓室、分叉管、球閥、水累水輪機組 等復(fù)雜邊界特性影響。
[0003] 傳統(tǒng)的解決抽水蓄能機組過水系統(tǒng)過渡過程計算的方法為特征線法，此方法可計 入阻力損失、調(diào)壓室及機組特性，計算精度高，但是特征線法編程復(fù)雜，管道結(jié)點數(shù)過多導(dǎo) 致計算過于復(fù)雜，難W與電力系統(tǒng)仿真軟件接口，限制了特征線法在電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究過 程中的廣泛應(yīng)用。一種壓力管道的電路等值模擬新方法也被廣泛應(yīng)用于水電機組過水系統(tǒng) 建模，該方法用n型二端口電路對壓力管道進行等效，但建立的模型簡單且對過水系統(tǒng)水機 特性的仿真精度低;另外，該方法僅建立了壓力管道的等效模型，未對調(diào)壓室、閥口、分叉管 和水累水輪機機組等模塊進行等效建模，不能準確反映調(diào)壓室、等效等過水系統(tǒng)部件對水 體和壓力管道彈性及水流阻力特性的影響，難W將水力系統(tǒng)的彈性水擊影響精確計入到電 力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng) 的建模方法，其目的在于解決現(xiàn)有抽水蓄能機組過水系統(tǒng)建模復(fù)雜、水擊特性描述不準確 的技術(shù)問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的 建模方法，包括如下步驟：
[0006] (1)采用等效T型電路建立有壓過水管道的第一電路等效模型；
[0007] (2)依據(jù)阻抗式調(diào)壓室的基本方程建立調(diào)壓室的第二電路等效模型；
[000引（3)根據(jù)水輪機全特性曲線建立水累水輪機的第=電路等效模型；
[0009] (4)根據(jù)上述第一電路等效模型、第二電路等效模型W及第=電路等效模型進行 疊加，獲得包括電壓源、電感、電容和可變電阻的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的電路等效模型。
[0010] 優(yōu)選地，上述抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，其步驟(1)包括如下子步驟：
[0011] (1-1)將整段有壓過水管道劃分成n個長度為dx的有壓微管段;n為正整數(shù)；
[0012] (1-2)對各有壓微管段建模，獲取各有壓微管段的T型電路；
[0013] (1-3)獲取有壓微管段的T型電路的參數(shù)，包括等效電容C\等效電感1/和等效電 阻R/;
[0014] 其中，駕 [001引等效電 [0016] 等效電
[0017]其中，Q為流量，D為管道直徑，A為管道斷面積，g為重力加速度，a為水擊波速，入為 摩阻系數(shù);[?]表示C'、L'和R'的單位，其中S為秒、m為米；
[0018] (1-4)將n個有壓微管段的T型等效電路進行級聯(lián)，獲得整段有壓過水管道的第一 等效電路模型。
[0019] 優(yōu)選地，上述抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，其步驟(2)具體為：（2-1)建立阻 抗式調(diào)壓室的基本方程；
[0020] 其基本方程j
[0021] 其中，報、化為調(diào)壓室底部壓強、流量，Al為阻抗孔口面積，A2為調(diào)壓室的面積，出為 調(diào)壓室水面高程，Kr為底部孔口流量損失系數(shù)，化為阻抗孔的水頭損失，Ks為流量進入調(diào)壓 室底部孔口阻抗系數(shù)，g為重力加速度，dt為時間微分；
[0022] (2-2)根據(jù)阻抗式調(diào)壓室的基本方程建立調(diào)壓室的第二電路等效模型，由電容Cs 與電阻Rs組成；電路等效模型的參數(shù)為:Cs=A2 ,Rs = Ks I Qs I。
[0023] 優(yōu)選地，上述抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，其步驟(3)包括如下子步驟：
[0024] (3-1)采用由Suter數(shù)值變換公式，用無量綱相似參數(shù)WH和WM對水累水輪機全特性 曲線進行描述，具體為：
[0025]
[0026] 量、水頭和轉(zhuǎn)矩的相對值，X為相對流量角，y為導(dǎo)葉 相對開f
[0027] (3-2)將流入水累水輪機的水流所具有的慣性等效電感為Lpt,將水累水輪機的特 性等效為可變電壓源，建立水累水輪機的第=電路等效模型;其中，可變電壓源電壓由水累 水輪機的全特性曲線H(WH(y，q，a))插值計算獲得。
[0028] 優(yōu)選地，上述抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，其步驟（4)之后還包括W下步 驟：
[0029] (a)根據(jù)多維基爾霍夫電壓和電流定律對所述電路等效模型進行結(jié)點分析和回路 分析，建立等效電路的矩陣方程；
[0030] (b)根據(jù)所述矩陣方程獲得過水系統(tǒng)的N階非線性常微分狀態(tài)方程;所述N階非線 性常微分矩陣方程中的狀態(tài)變量X為過水系統(tǒng)各個分段點處的流量和水壓；當機組發(fā)生工 況轉(zhuǎn)換時，狀態(tài)變量X的值隨著過渡過程的變化而變化，反應(yīng)過水系統(tǒng)斷面流量及水壓特 性。
[0031] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系 統(tǒng)的建模方法，具體為：
[0032] 利用n時刻工況參數(shù)(9。，亂，曲，1。）、過水系統(tǒng)各個斷面流量、過水系統(tǒng)各個斷面水 壓和(n+1)時刻調(diào)速器控制輸出的導(dǎo)葉開度yn+i;
[0033] 根據(jù)過水系統(tǒng)、水累水輪機、發(fā)電機之間的非線性禪合關(guān)系，對水累水輪機相對流 量q和機組相對轉(zhuǎn)速a分別進行迭代計算，獲取(n+1)時刻系統(tǒng)各模塊的響應(yīng)結(jié)果;根據(jù)響應(yīng) 結(jié)果獲取抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；其中，也是指流量，Nn是指轉(zhuǎn)速，Hn是指水頭，Mn 是指力矩Mn。
[0034] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0035] (1)本發(fā)明提供的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，提供了一種可W模擬有壓 管道、調(diào)壓室W及水累水輪機過渡過程的T型電路等效建模方法建模方便直觀，能充分反映 抽水蓄能電站過水系統(tǒng)彈性水擊對水、機、電禪合系統(tǒng)的影響，精確度高；
[0036] 采用電路等效法建模，由于分段長可變，收斂性更好，具有更好的靈活性和穩(wěn)定 性，適用于抽水蓄能電站調(diào)節(jié)保證計算、暫態(tài)過程分析研究W及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等領(lǐng) 域，具有較高的普適性；
[0037] 通過本發(fā)明運種方法所建立的過水系統(tǒng)模型，所計算出來的機組轉(zhuǎn)速、蝸殼水壓、 尾水管水壓和調(diào)壓室水位過程線與傳統(tǒng)的特征線法模型的計算結(jié)果吻合度高，極值的大小 與出現(xiàn)時刻非常接近;且該方法易于與電力系統(tǒng)仿真軟件接口，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究過程 中可W得到廣泛應(yīng)用與推廣；
[0038] (2)本發(fā)明提供的過水系統(tǒng)各個斷面流量及水壓特性的獲取方法，由于所采用的 微分方程組可W隨著狀態(tài)變量的變化呈現(xiàn)非線性，可W準確仿真抽水蓄能機組過水系統(tǒng)各 種動態(tài)過程，準確描述過水系統(tǒng)的水、機、電的復(fù)雜非線性，與過水系統(tǒng)實際運行狀態(tài)的匹 配度高；
[0039] (3)本發(fā)明提供的抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模方法，該方法對水累水輪機相對 流量q和機組相對轉(zhuǎn)速a分別進行迭代計算，因此所獲得的抽水蓄能機組甩負荷過程結(jié)果匹 配，精度高，為研究抽水蓄能機組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響奠定了良好的模型基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明提供的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)建模方法的流程圖；
[0041 ]圖2為本發(fā)明實施例中的均勻傳輸線微分元等效電路圖；
[0042] 圖3為本發(fā)明實施例中整段壓力管道的T型等效電路圖；
[0043] 圖4為本發(fā)明實施例中的調(diào)壓室示意圖；其中（a)為阻抗式調(diào)壓室平面示意圖；（b) 為阻抗式調(diào)壓室的等效電路模型圖；
[0044] 圖5為本發(fā)明實施例中的水累水輪機全特性曲線；其中，（a)為水累水輪機全特性 的流量特性曲線；（b)為水累水輪機全特性的力矩特性曲線；
[0045] 圖6本發(fā)明實施例中Suter變換得到曲線；其中，（a)為經(jīng)Suter變換得到的WH(x，y) 曲線；（b)為經(jīng)Suter變換得到的麗(X，y)曲線；
[0046] 圖7為本發(fā)明實施例中的水累水輪機組電路等效模型；
[0047] 圖8為本發(fā)明實施例中的機組流量和轉(zhuǎn)速迭代計算流程圖；
[0048] 圖9為本發(fā)明實施例中的某抽水蓄能電站單機管路布置示意圖；
[0049] 圖10為本發(fā)明實施例中的抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速變化過程響應(yīng)曲線；
[0050] 圖11為本發(fā)明實施例中的抽水蓄能機組蝸殼末端水壓變化過程響應(yīng)曲線；
[0051] 圖12為本發(fā)明實施例中的抽水蓄能機組尾水管水壓變化過程響應(yīng)曲線；
[0052] 圖13為本發(fā)明實施例中的抽水蓄能機組上游調(diào)壓室水位變化過程響應(yīng)曲線；
[0053] 圖14為本發(fā)明實施例中的抽水蓄能機組下游調(diào)壓室水位變化過程響應(yīng)曲線。
【具體實施方式】
[0054] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0055] 圖1所示為本發(fā)明提供的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法的流程圖，具體包括 W下步驟：
[0056] 步驟1:建立有壓過水管道電路等效模型；
[0057] (1-1)將整段有壓過水管道劃分成n個長度為dx的有壓微管段;n為正整數(shù)；
[0058] (1-2)對各有壓微管段建模，獲取各有壓微管段的T型電路;具體地，將有壓微管段 基本方程類比等效成參數(shù)電路方程，如式（1)所示：
[0化9]
M )
[0060] 其中，等效電容C'刃反映水體和菅壁弾巧的參數(shù)；等效電感L'為反映水流慣性的 參數(shù);等效電阻R'為反映水流受到的摩擦阻力的參數(shù);等效漏電導(dǎo)G'為零；[0061 ]有壓過水管道非恒定流的基本方程為：
[0062] ；)
[0063] 其中，Q為流量，H為研究點水頭，D為管道直徑，A為管道斷面積，a為水擊波速，入為 摩阻系數(shù)；
[0064] 圖2所示為均勻傳輸線微分元等效電路，根據(jù)回路的基爾霍夫電壓定律化化)方程 和節(jié)點的甚戊霜豐由流吿佳(KH)節(jié)趙.浩卸均勻傳輸線的偏微分方程如式（3)所示：
[00 化]
!
[0066] 其中，i為位置X處的電流;U為位置X處電壓；Ro為去線與回線單位長度的導(dǎo)線電 阻;Lo為去回線單位長度上的電感;Co為去回線之間單位長度上的電容;Go為去回線之間單 位長度上的漏電導(dǎo)；
[0067] 對上述有壓過水管道非恒定流的基本方程(2)與均勻傳輸線微分元等效電路的偏 微分方程(3)進行類比，有壓過水管道與均勻傳輸線具有類同的數(shù)學(xué)模型，均為雙曲型偏微 分方程，將過水管道模型類比等效電路模型；
[0068] (1-3)確定有壓微管段模型的等效參數(shù)；
[0069] 將上述有壓過水系統(tǒng)的偏微分方程與均勻傳輸線偏微分方程進行比較，獲取有壓 微管段等效電路模型的等效參數(shù)，包括等效電容、等效電感1/和等效電阻R/ ;
[0070] 其中，等：
[0071] 等效電慰
[0072] 等效電巧
[0073] 式中，Q為流量，D為管道直徑，A為管道斷面積，g為重力加速度，a為水擊波速，入為 摩阻系數(shù)，[?]為C'、L'和R'的單位，其中S為秒、m為米；
[0074] (1-4)建立整段有壓過水管道的模型；
[0075] 將n個T型等效電路進行級聯(lián)獲得整段有壓過水管道的等效電路；圖3所示為實施 例中的整段有壓過水管道的T型等效電路示意圖，由n個T型等效電路組成，其中，電阻R = R' dx，電感L = L'dx，電容C = C'dx。
[0076] 步驟2:建立調(diào)壓室的電路等效模型；
[0077] 如圖4(a)所示為阻抗式調(diào)壓室的平面示意圖，阻抗式調(diào)壓室通過一個小阻抗孔與 過水管道系統(tǒng)相連，能夠在阻抗孔口處減小水流的動能，有效地降低調(diào)壓室的涌浪幅度和 持續(xù)時間，其基本方程如式(4)所示：
[007引
[0079] 其中，報、化為調(diào)壓室底部壓強、流量，Al為阻抗孔口面積，A2為調(diào)壓室的面積，出為 調(diào)壓室水面高程，Kr為底部孔口流量損失系數(shù)，圖4(a)中化、Qw分別為調(diào)壓室阻抗孔入口與 出口的流量；
[0080] 根據(jù)式(4)獲取阻抗式調(diào)壓室的等效電路模型；圖4(b)所示為阻抗式調(diào)壓室的等 效電路模型，由電容Cs與電阻Rs組成，該電路等效模型的參數(shù)為:Cs=A2，Rs = Ks I Qs I，Ks為流 量進入調(diào)壓室底部孔口阻抗系數(shù)，A2為調(diào)壓室的面積，Qs為調(diào)壓室底部流量。
[0081] 步驟3:建立水累水輪機的電路等效模型，具體包括W下子步驟：
[0082] (3-1)對水累水輪機全特性曲線進行數(shù)值處理；
[0083] 圖5(a)為水累水輪機全特性的流量特性曲線化1-化1，圖5(b)為和轉(zhuǎn)矩特性曲線 化1-化1;從全特性曲線上可W看出，流量特性曲線和力矩特性曲線在第1和第4象限呈現(xiàn)"S" 特性，對化1和Mii進行插值會產(chǎn)生多值性問題，因此，本發(fā)明采用由Suter數(shù)值變換公式，用 無量綱相似參數(shù)WH和WM對水累水輪機全特性曲線進行描述，如式(5)所示：
[0084]
(5)
[0085] 其中，a、q、h、m分別為轉(zhuǎn)速、流量、水頭和轉(zhuǎn)矩的相對值
[0086] 圖6(a)所示為經(jīng)Suter變換得到的WH(x，y)曲線，圖6(b)所示為經(jīng)Suter變換得到 的WMU，y)曲線；由圖6可知，全特性曲線經(jīng)Suter變換后兩頭被相對拉平，有效地消除多值 性給插值帶來的困難；
[0087] (3-2)建立水累水輪機的電路等效模型；
[0088] 將水累水輪機的特性等效為一個將水能轉(zhuǎn)化為機械能的可變電壓源;將流入水累 水輪機的水流所具有的慣性等效為電感；
[0089] 實施例中，水累水輪機組電路等效模型如圖7所示，用一個等效的可變電壓源代替 其電路等效模型中的等效電阻，可變電壓源電壓由水累水輪機的全特性曲線H(WH(y，q，a)) 插值計算得到，流入水累水輪機的水流所具有的慣性用等效電感Lpt反映。
[0090] 步驟4:獲取整個過水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變量的常微分矩陣方程；
[0091] 根據(jù)上述有壓過水管道電路等效模型、調(diào)壓室的電路等效模型和水累水輪機的電 路等效模型，疊加組合構(gòu)成過水系統(tǒng)的等效電路模型；
[0092] 利用多維基爾霍夫電壓和電流定律，對等效電路進行結(jié)點分析和回路分析，建立 其矩陣方巧，巧取輕個討水系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)獻杰變量的常微分矩陣方程，如式(6)所示：
[0093]
[0094] 其中，狀態(tài)變量X取各個分段點處的流量和水壓;A、B為系數(shù)矩陣，與管道參數(shù)和邊 界條件有關(guān)。
[00M]步驟5:抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型求解；
[0096] 根據(jù)已知的n時刻的工況參數(shù)流量Qn，轉(zhuǎn)速Nn，水頭Hn，力矩Mn和(n+1)時刻調(diào)速器 控制輸出的導(dǎo)葉開度yn+1，求解抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)各工況下仿真模型;各個模塊的數(shù)學(xué) 計算模型分述如下：
[0097] 有壓過水系統(tǒng)狀態(tài)方程如式(7)所示：
[009引
[0099] 式(8)所示：
[0100]
[0101] 民：
[0102]
[0103] 其中，X為狀態(tài)變量，A、B為系數(shù)矩陣，qn為n時刻的相對流量，qn+i為n+1時刻的相對 流量，hn+l為n + 1時刻的相對水頭，yn+l為n+1時刻的相對導(dǎo)葉開度，Hln為n時刻的相對力矩， mn+i為n+1時刻的相對力矩，an+i為n+1時刻的機組轉(zhuǎn)速，Ein為n時刻的機組轉(zhuǎn)速，X為相對流量 角，mg,n為n時刻的負載力矩，mg,n+l為n+1時刻的負載力矩，Ta為機組慣性參數(shù)，eJn為機組自調(diào) 節(jié)系數(shù)，T為水鍵波從過水系統(tǒng)一端到另一端的往返傳播時間。
[0104] 由于有壓過水系統(tǒng)與水累水輪機，發(fā)電機/電動機與水累水輪機之間均存在禪合 關(guān)系，在對抽水蓄能機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行仿真時，對流量q和轉(zhuǎn)速n進行迭代計算，圖8所示 為迭代計算流程示意圖。
[0105] 圖9所示為實施例的抽水蓄能電站單機管路的示意圖，由上水庫、上水庫與上游調(diào) 壓室之間有壓管道LrU上游調(diào)壓室、上游調(diào)壓室與水累水輪機之間有壓管道Lr2、水累水輪 機、水累水輪機與下游調(diào)壓室之間有壓管道Lr3、下游調(diào)壓室與下水庫之間有壓管道Lr4和 下水庫組成;對實施例的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，具體包括W下步驟：
[0106] 步驟1:建立有壓過水管道電路等效模型，將有壓過水管道非恒定流的基本方程類 比等效成參數(shù)電路方程;并將長度為dx的有壓微管段，等效為T型電路，實施例中，各管段參 數(shù)如表1所列，
[0107] 表1管道參數(shù)表 [010 引 LU luy」 巧獄Z :'化化阻化;tv調(diào)圧全的萃奪乃
主，逆^調(diào)圧全的電蹄寺鄉(xiāng)?俠坐，頭MWJ的調(diào) 壓室參數(shù)如表2所列；
[0110] 表2調(diào)壓室參數(shù)表
[0111]
[0112] 步驟3:建立水累水輪機電路等效模型，包括W下子步驟：
[0113] (3-1)采用由Suter數(shù)值變換公式，用無量綱相似參數(shù)WH和WM對水累水輪機全特性 曲線進行描述；
[0114] (3-2)將流入水累水輪機的水流所具有的慣性等效為電感，將水累水輪機的特性 等效為一個將水能轉(zhuǎn)化為機械能的電壓源，建立水累水輪機的電路等效模型；
[0115] 步驟4:利用多維基爾霍夫電壓和電流定律，對電路網(wǎng)絡(luò)進行結(jié)點分析和回路分析 建立其矩陣方程，并求解出整個過水系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變量的常微分矩陣方程；
[0116] 步驟5利用已知的n時刻工況參數(shù)(Qn，Nn，Hn，Mn)和(n+1)時刻調(diào)速器控制輸出的導(dǎo) 葉開度yn+1，建立抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
[0117] 實施例中，仿真參數(shù)如下：仿真時間步長dt = 0.02s;分段時間基準dT特征線法取 0.02s，電路等效法分別取0.02s和0.1 s進行計算;發(fā)電機參數(shù)Ta = S. 503，en = 0;
[0118] 初始工況參數(shù)：上庫水位Hu = 733m，下庫水位扣=181111，初始流量9〇 = 62.09111^3， 凈水頭水頭化= Hu-出-A H=545.77m，初始開度yo= 100 %，初始功率P = 306麗;仿真總時長 100s，導(dǎo)葉按直線規(guī)律40s關(guān)閉完全。
[0119] 利用特征線法和實施例的電路等效法仿真抽水蓄能機組甩全負荷工況下的過渡 過程，圖10至圖14所示分別為抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速、蝸殼末端水壓、尾水管水壓、上游調(diào)壓室 水位、下游調(diào)壓室水位變化過程的響應(yīng)曲線。根據(jù)仿真過程曲線計算調(diào)節(jié)性能參數(shù)及相應(yīng) 出現(xiàn)時刻，結(jié)果如表3所列；
[0120] 表3調(diào)節(jié)性能參數(shù)及出現(xiàn)時刻
[0121]
[0122]
[0123]根據(jù)圖10至圖14和表3可W看出，電路等效法與特征線法計算出來的機組轉(zhuǎn)速、蝸 殼末端水壓、尾水管水壓、上游調(diào)壓室水位和下游調(diào)壓室水位過程線非常吻合，極值的大小 和出現(xiàn)時刻也非常接近;驗證表明，利用電路等效方法計算出的抽水蓄能機組甩負荷過程 結(jié)果匹配，精度高，是正確、有效且實用的方法;并且，電路等效法建模簡單直觀，分段長可 變，收斂性更好，具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。
[0124]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的建模方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 采用等效T型電路建立有壓過水管道的第一電路等效模型； (2) 依據(jù)阻抗式調(diào)壓室的基本方程建立調(diào)壓室的第二電路等效模型； (3) 根據(jù)水栗水輪機全特性曲線建立水栗水輪機的第三電路等效模型； (4) 將所述第一電路等效模型、第二電路等效模型、第三電路等效模型進行疊加，獲得 包括電壓源、電感、電容和可變電阻的抽水蓄能機組過水系統(tǒng)的電路等效模型。2. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(1)包括如下子步驟： (1-1)將整段有壓過水管道劃分成η個長度為dx的有壓微管段;η為正整數(shù)； (1-2)對各有壓微管段建模，獲得各有壓微管段的Τ型電路； (1-3)獲取各有壓微管段的Τ型電路的參數(shù)，包括等效電容C'、等效電感1/和等效電阻 R7 ;其中，Q為流量，D為管道直徑，Α為管道斷面積，g為重力加速度，a為水擊波速，λ為摩阻 系數(shù)； (1-4)將η個有壓微管段的Τ型等效電路進行級聯(lián)，獲得整段有壓過水管道的第一等效 電路模型。3. 如權(quán)利要求1或2所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(2)包括如下子步驟： (2-1)建立阻抗式調(diào)壓室的基本方程；其中，Hs、Qs為調(diào)壓室底部壓強、流量Α為阻抗孔口面積，Α2為調(diào)壓室的面積，為調(diào)壓 室水面高程，KR為底部孔口流量損失系數(shù)，Hr為阻抗孔的水頭損失，Ks為流量進入調(diào)壓室底 部孔口阻抗系數(shù)，g為重力加速度； (2-2)根據(jù)阻抗式調(diào)壓室的基本方程建立調(diào)壓室的由電容Cs與電阻Rs組成的第二電路 等效模型，電路等效模型的參數(shù)為:Cs = A2，Rs=Ks | Qs |。4. 如權(quán)利要求1或2所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(3)包括如下子步驟： (3-1)采用由Suter數(shù)值變換公式，用無量綱相似參數(shù)WH和WM對水栗水輪機全特性曲線 進行描述，具體為：其中，a、q、h、m分別為轉(zhuǎn)速、流量、水頭和轉(zhuǎn)矩的相對值，x為相對流量角，y為導(dǎo)葉相對 開度(3-2)將流入水栗水輪機的水流所具有的慣性等效為電感Lpt，將水栗水輪機的特性等 效為可變電壓源，根據(jù)所述電感和可變電壓源建立水栗水輪機的第三電路等效模型； 所述可變電壓源的電壓根據(jù)水栗水輪機的全特性曲線H(WH(y，q，a))插值計算獲得。5. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步驟(4)之后，還包括以下步驟： (a) 根據(jù)多維基爾霍夫電壓和電流定律對所述電路等效模型進行結(jié)點分析和回路分 析，建立等效電路的矩陣方程； (b) 根據(jù)所述矩陣方程獲得過水系統(tǒng)的N階非線性常微分狀態(tài)方程;所述N階非線性常 微分矩陣方程中的狀態(tài)變量X為過水系統(tǒng)各個分段點處的流量和水壓；當機組發(fā)生工況轉(zhuǎn) 換時，狀態(tài)變量X的值隨著過渡過程的變化而變化，反應(yīng)過水系統(tǒng)斷面流量及水壓特性。6. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，其步驟(4)之后，還包括抽水蓄能機組調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的建模步驟，具體為： 利用η時刻工況參數(shù)、過水系統(tǒng)各個斷面流量、過水系統(tǒng)各個斷面水壓和(n+1)時刻調(diào) 速器控制輸出的導(dǎo)葉開度yn+1，根據(jù)過水系統(tǒng)、水栗水輪機、發(fā)電機之間的非線性耦合關(guān)系， 對水栗水輪機相對流量q和機組相對轉(zhuǎn)速a分別進行迭代計算，獲取(n+1)時刻系統(tǒng)各模塊 的響應(yīng)結(jié)果； 根據(jù)響應(yīng)結(jié)果獲取抽水蓄能機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其中，工況參數(shù)包括流量Qn、轉(zhuǎn) 速Nn，水頭Hn和力矩Μη。
【文檔編號】G06F17/50GK105956350SQ201610521828
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】周建中, 許顏賀, 趙威, 鄭陽, 張云程, 張楚, 付文龍, 胡弦, 李超順, 胡肇偉, 趙志高, 張楠, 武越越
【申請人】華中科技大學(xué)