具有复杂引水管道的水轮机调节系统小波动稳定性分析
|
摘要
水轮机调节系统是一个复杂的自动控制系统，其小波动过渡过程是指水轮机调节系统在受到微小的干扰(负荷或指令信号扰动)时，系统中各参数的变化都较小，可以认为是在所讨论工况点附近作微小变化，则可将调节系统各环节加以线性化，用线性微分方程式来描述各环节及整个系统的动态特性。水轮机调节系统动态工作品质的优劣直接关系到水电站和机组运行的安全以及所生产的电能质量，因此，对水轮机调节系统的小波动动态过程分析具有重要意义。
在对水电站水轮机调节系统进行稳定性分析时，首先应建立调节系统数学模型，利用传递矩阵法构建空间矩阵，再进行计算机动态模拟，并采用R—K法求解微分方程。
本文根据南桠河姚河坝水电站的设计方案，对水轮机调节系统，按长引水管道复杂引水系统、弹性水击、调速器为PID调节规律，在小波动情况下，对包括引水道、调压井、尾水管、水轮机、发电机、调速器在内的水轮机调节系统建立数学模型，并计及引水管道水力摩阻损失，对水轮机、调速器考虑了其中的非线性，利用功能强大的MATLAB软件编制了源程序进行计算机仿真计算。通过对南桠河姚河坝水电站水轮机调节系统各种不同工况及参数组合的计算，得出了调速器最优参数组及其调整范围，保证其所在系统小波动调节稳定。
The water turbine regulation system is a complicate auto-controlling system, it's small fluctuation dynamic course means: when the water turbine regulation system is interfered by tiny disturbance of load or command signal, the change of different parameters in the system is less, we can thought they are subtle change near by the discussing conditions, so we can make each tache in the system linearization, that is, describe the dynamic specialty of each tache and the whole system by means of linear differential equation. Because the working performance of water turbine regulation system is direct related with safety operation of hydropower station and water turbine-generator unit as well as the electric-power quality generated. Therefore, it has important bearing that analysesing the small fluctuation dynamic course of water turbine regulation system.
When the stability of water turbine regulation system is analysesed, at first, the mathematical model of the regulation system must be established; then the space matrix must be build by means of transfer matrix; third, this mathematical model must be simulated by computer; and at last, the differential equation must be solved by the method of R-K.
In this paper according to the design scheme of Yao Heba Power Station in Nan
Yahe River, the mathematical model with longer and complicated conduit system, elastic water hammer and PID regulating low of voter turbine adjusting system in the case of the small fluctuation has being built, which include conduit system, surge tank, draft tube, water turbine, generator and governor. The hydraulic losses are taken into account, and nonlinearization in water turbine and the governor is also taken into account. Then the source programme is established by use of the MATLAB soft with powerful function and the emulate calculation is carried out by computer, and after calculating with all sort of condition and parameter combination of water turbine regulation system of Yao Heba Power Station in Nan Yahe river, we can obtain the optimum parameter and adjustive range of the governor to assure the electrical system that the power station belongs the small fluctuation regulation stabilization.
在对水电站水轮机调节系统进行稳定性分析时，首先应建立调节系统数学模型，利用传递矩阵法构建空间矩阵，再进行计算机动态模拟，并采用R—K法求解微分方程。
本文根据南桠河姚河坝水电站的设计方案，对水轮机调节系统，按长引水管道复杂引水系统、弹性水击、调速器为PID调节规律，在小波动情况下，对包括引水道、调压井、尾水管、水轮机、发电机、调速器在内的水轮机调节系统建立数学模型，并计及引水管道水力摩阻损失，对水轮机、调速器考虑了其中的非线性，利用功能强大的MATLAB软件编制了源程序进行计算机仿真计算。通过对南桠河姚河坝水电站水轮机调节系统各种不同工况及参数组合的计算，得出了调速器最优参数组及其调整范围，保证其所在系统小波动调节稳定。
The water turbine regulation system is a complicate auto-controlling system, it's small fluctuation dynamic course means: when the water turbine regulation system is interfered by tiny disturbance of load or command signal, the change of different parameters in the system is less, we can thought they are subtle change near by the discussing conditions, so we can make each tache in the system linearization, that is, describe the dynamic specialty of each tache and the whole system by means of linear differential equation. Because the working performance of water turbine regulation system is direct related with safety operation of hydropower station and water turbine-generator unit as well as the electric-power quality generated. Therefore, it has important bearing that analysesing the small fluctuation dynamic course of water turbine regulation system.
When the stability of water turbine regulation system is analysesed, at first, the mathematical model of the regulation system must be established; then the space matrix must be build by means of transfer matrix; third, this mathematical model must be simulated by computer; and at last, the differential equation must be solved by the method of R-K.
In this paper according to the design scheme of Yao Heba Power Station in Nan
Yahe River, the mathematical model with longer and complicated conduit system, elastic water hammer and PID regulating low of voter turbine adjusting system in the case of the small fluctuation has being built, which include conduit system, surge tank, draft tube, water turbine, generator and governor. The hydraulic losses are taken into account, and nonlinearization in water turbine and the governor is also taken into account. Then the source programme is established by use of the MATLAB soft with powerful function and the emulate calculation is carried out by computer, and after calculating with all sort of condition and parameter combination of water turbine regulation system of Yao Heba Power Station in Nan Yahe river, we can obtain the optimum parameter and adjustive range of the governor to assure the electrical system that the power station belongs the small fluctuation regulation stabilization.
引文
[1] 沈祖诒．水轮机调节．第三版．北京：中国水利水电出版社的，1998．5．
[2] 沈祖诒．水轮机调节系统分析．北京：水利电力出版社，1990．6．
[3] 陈嘉谋．水轮机调节系统计算机仿真．北京：水利电力出版社，1993．
[4] 陈嘉谋．具有复杂引水管道的水轮机调节系统数学模型．大电机技术，1992，(5)．
[5] 戴敏．具有不同引水管道的水轮机调节系统数学模型．武汉水利电力大学学报，1997，(2)．
[6] 杨开林．电站与泵站中的水力瞬变及调节．北京：中国水利水电出版社，2000．5．
[7] 廖忠、吕树清．新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用．江西水利科技，2001，(4)．
[8] 康玲、姜铁兵，基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真研究．水力发电，1999，(12)．
[9] 曹玉胜、蔡维优、陈光大．智能权函数模糊控制在水轮机调节系统中的应用．水电能源科学，2001(3)．
[10] 罗南华、杨晓菊、孟庆辉．MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用．东北水利水电，1998，(11)．
[11] 鲍克勤、完颜绍会．变结构变参数调节规律的应用．上海电力学院学报，1997，(1)．
[12] 潘家铮．引水式水电站小幅度调节过渡过程的分析．水利学报，1980，(6)．
[13] 肖天铎．水电站调节稳定曲线的比较．水利学报，1981，(2)．
[14] 索丽生．设置上下游调压室的水力机械系统的小波动稳定分析．华东水力学院学报，1984，(4)．
[15] 沈宗树等．水轮机调节系统的稳定域和运行域．华工学报，1981，
(5)．
[16] Hovey, L.M. Optimum Adjustment of Hydro Governors on Manitoba Hydro System. AIEE Trans,Vol.81,Part Ⅲ, 1962.
[17] 徐甜甜等．水电站调节系统小波动稳定性分析．
[18] Hagihara, S.etal. Stability of Hydraulic Turbine Generating Unit Controlled by PID Governor. IEEE,Vol.PAS-98,No.6,1979.
[19] 常兆堂．PID调速器真实水轮机的新稳定域图．水利学报，1985，(2)．
[20] Shen Zongshu. Water Hammer Pressure Compensation in Turbine Regulating Systems. Water Power & Dam Construction, August 1986.
[21] 孔昭年．带双调压井的水电站调节系统稳定性研究．水力机械技术，1983，(5)．
[22] 董兴林．水电站调压井稳定断面问题的研究．水利学报，1980，(4)．
[23] 肖天铎．PID弹性管路和双调压井的综合稳定临界．水利学报，1983，(8)．
[24] 耶格尔．C．水力不稳定流．清华大学出版社，1984．
[25] 孔昭年．水轮机PID调速器微分环节的设计、计算和参数测试方法．大电机技术，1983，(6)．
[26] 张建蓉、王敬民．腊庄水电站水轮机调节系统小波动数学模型．昆明理工大学学报，2000，(4)．
[27] 胡敏良、蔡维由等．东风水电站水轮机调节系统大小波动过渡过程数值分析．水力发电，1995，(4)．
[28] 张建蓉、王敬民．腊庄水电站水轮机调节系统线性仿真．昆明理工大学学报，2001，(3)．
[29] 郑源、刘德有等．水电站引水系统取消尾水调压室过渡过程计算研究河海大学学报，2000，(2)．
[30] 王希成．二滩水电站调节保证的复核计算．水电站设计，2000，(2)．
[31] 彭天波．复杂引水系统电站机组工况优化决策模型．华中电力，1997年2月，(1)．
[32] 何文才．广州抽水蓄能电站二期工程小波动计算．广东水利水电，2001年6月，(3)．
[33] 蒋传文、陶仲兵．计算机辅助技术在水轮机调节中的应用．International Journal HYDRO ELECTRIC ENERGY．1996年12月．
[34] 赵桂连、杨建东．水电站中两种尾水布置型式在超低水头下的小波动稳定性比较．武汉大学学报(工学版)，2001年4月，(2)．
[35] 廖忠、李志东．水轮机调节系统模糊控制的仿真．南昌水专学报，2001年3月，(1)．
[36] 黄顺礼、李威．水轮机稳定运行对引水系统几何参数的要求．大电机技术，2001，(2)．
[37] 何文学、李凯．调节保证计算标准分析与讨论．水电站设计，1999年3月，(1)．
[38] 黄万全．水轮发电机组调节系统调试中的常见故障分析．青海电力，2001，(1)．
[39] 张芹芬、索丽生．水电站水击与调压室涌浪随机分析研究进展．水利水电科技进展，1998年6月，(3)．
[40] 张志涌等．精通MATLAB 5.3版．第一版．北京航空航天大学出版社，2000年8月．
[41] 张平．MATLAB基础与应用简明教程．北京航空航天大学出版社，2001年1月．
[42] 薛定宇、陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用．第一版．清华大学出版社，2002年4月．
[43] 秋元德三(日)．水击与压力脉动．电力工业出版社．1981年2月．
[44] 王树人．调压室水力计算理论与方法，清华大学出版社，1983年5月．
[45] 潘家铮．水工隧洞和调压室．调压室部分．水利电力出版社．1992
年7月．
[46] 李庆扬、关治、白峰杉．数值计算原理．清华大学出版社．2000年9月．
[47] 吴持恭等．水力学．高等教育出版社，1991年2月．
[48] 解可新、韩立兴、林友联．最优化方法．天津大学出版社．1997年1月．
[49] 李德、钱颂迪、《运筹学》试用教材编写组．运筹学．清华大学出版社．1982年2月．
[50] Chandhry M.H. Governing Stability of a Hydroelectric Power Plant. Water Power, April. 1970.
[51] Ye Luqing et al. Variable Structure and Time-Varying Parameter Control for Hydroelectric Generating Unit. IEEE Trans, on Energy Conversion, Vol 4, No 3, 1989.
[52] Wylie E.B. Streeter V.L. Suo Lisheng. Fluid transients in system. Engel Wood Cliffs, Prentice-Hall, Inc, New Jersy, 1993.
[2] 沈祖诒．水轮机调节系统分析．北京：水利电力出版社，1990．6．
[3] 陈嘉谋．水轮机调节系统计算机仿真．北京：水利电力出版社，1993．
[4] 陈嘉谋．具有复杂引水管道的水轮机调节系统数学模型．大电机技术，1992，(5)．
[5] 戴敏．具有不同引水管道的水轮机调节系统数学模型．武汉水利电力大学学报，1997，(2)．
[6] 杨开林．电站与泵站中的水力瞬变及调节．北京：中国水利水电出版社，2000．5．
[7] 廖忠、吕树清．新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用．江西水利科技，2001，(4)．
[8] 康玲、姜铁兵，基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真研究．水力发电，1999，(12)．
[9] 曹玉胜、蔡维优、陈光大．智能权函数模糊控制在水轮机调节系统中的应用．水电能源科学，2001(3)．
[10] 罗南华、杨晓菊、孟庆辉．MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用．东北水利水电，1998，(11)．
[11] 鲍克勤、完颜绍会．变结构变参数调节规律的应用．上海电力学院学报，1997，(1)．
[12] 潘家铮．引水式水电站小幅度调节过渡过程的分析．水利学报，1980，(6)．
[13] 肖天铎．水电站调节稳定曲线的比较．水利学报，1981，(2)．
[14] 索丽生．设置上下游调压室的水力机械系统的小波动稳定分析．华东水力学院学报，1984，(4)．
[15] 沈宗树等．水轮机调节系统的稳定域和运行域．华工学报，1981，
(5)．
[16] Hovey, L.M. Optimum Adjustment of Hydro Governors on Manitoba Hydro System. AIEE Trans,Vol.81,Part Ⅲ, 1962.
[17] 徐甜甜等．水电站调节系统小波动稳定性分析．
[18] Hagihara, S.etal. Stability of Hydraulic Turbine Generating Unit Controlled by PID Governor. IEEE,Vol.PAS-98,No.6,1979.
[19] 常兆堂．PID调速器真实水轮机的新稳定域图．水利学报，1985，(2)．
[20] Shen Zongshu. Water Hammer Pressure Compensation in Turbine Regulating Systems. Water Power & Dam Construction, August 1986.
[21] 孔昭年．带双调压井的水电站调节系统稳定性研究．水力机械技术，1983，(5)．
[22] 董兴林．水电站调压井稳定断面问题的研究．水利学报，1980，(4)．
[23] 肖天铎．PID弹性管路和双调压井的综合稳定临界．水利学报，1983，(8)．
[24] 耶格尔．C．水力不稳定流．清华大学出版社，1984．
[25] 孔昭年．水轮机PID调速器微分环节的设计、计算和参数测试方法．大电机技术，1983，(6)．
[26] 张建蓉、王敬民．腊庄水电站水轮机调节系统小波动数学模型．昆明理工大学学报，2000，(4)．
[27] 胡敏良、蔡维由等．东风水电站水轮机调节系统大小波动过渡过程数值分析．水力发电，1995，(4)．
[28] 张建蓉、王敬民．腊庄水电站水轮机调节系统线性仿真．昆明理工大学学报，2001，(3)．
[29] 郑源、刘德有等．水电站引水系统取消尾水调压室过渡过程计算研究河海大学学报，2000，(2)．
[30] 王希成．二滩水电站调节保证的复核计算．水电站设计，2000，(2)．
[31] 彭天波．复杂引水系统电站机组工况优化决策模型．华中电力，1997年2月，(1)．
[32] 何文才．广州抽水蓄能电站二期工程小波动计算．广东水利水电，2001年6月，(3)．
[33] 蒋传文、陶仲兵．计算机辅助技术在水轮机调节中的应用．International Journal HYDRO ELECTRIC ENERGY．1996年12月．
[34] 赵桂连、杨建东．水电站中两种尾水布置型式在超低水头下的小波动稳定性比较．武汉大学学报(工学版)，2001年4月，(2)．
[35] 廖忠、李志东．水轮机调节系统模糊控制的仿真．南昌水专学报，2001年3月，(1)．
[36] 黄顺礼、李威．水轮机稳定运行对引水系统几何参数的要求．大电机技术，2001，(2)．
[37] 何文学、李凯．调节保证计算标准分析与讨论．水电站设计，1999年3月，(1)．
[38] 黄万全．水轮发电机组调节系统调试中的常见故障分析．青海电力，2001，(1)．
[39] 张芹芬、索丽生．水电站水击与调压室涌浪随机分析研究进展．水利水电科技进展，1998年6月，(3)．
[40] 张志涌等．精通MATLAB 5.3版．第一版．北京航空航天大学出版社，2000年8月．
[41] 张平．MATLAB基础与应用简明教程．北京航空航天大学出版社，2001年1月．
[42] 薛定宇、陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用．第一版．清华大学出版社，2002年4月．
[43] 秋元德三(日)．水击与压力脉动．电力工业出版社．1981年2月．
[44] 王树人．调压室水力计算理论与方法，清华大学出版社，1983年5月．
[45] 潘家铮．水工隧洞和调压室．调压室部分．水利电力出版社．1992
年7月．
[46] 李庆扬、关治、白峰杉．数值计算原理．清华大学出版社．2000年9月．
[47] 吴持恭等．水力学．高等教育出版社，1991年2月．
[48] 解可新、韩立兴、林友联．最优化方法．天津大学出版社．1997年1月．
[49] 李德、钱颂迪、《运筹学》试用教材编写组．运筹学．清华大学出版社．1982年2月．
[50] Chandhry M.H. Governing Stability of a Hydroelectric Power Plant. Water Power, April. 1970.
[51] Ye Luqing et al. Variable Structure and Time-Varying Parameter Control for Hydroelectric Generating Unit. IEEE Trans, on Energy Conversion, Vol 4, No 3, 1989.
[52] Wylie E.B. Streeter V.L. Suo Lisheng. Fluid transients in system. Engel Wood Cliffs, Prentice-Hall, Inc, New Jersy, 1993.