水机电耦合系统建模及其相互影响研究

【摘要】： 在目前水电系统的研究中,由于水力、机械、电气三个系统涉及的装置相当复杂、覆盖的知识面广,所以很难建起详细的水机电耦合系统模型。因此对于水力系统、机械系统和电气系统常是由相互独立地各个领域中的专家分别研究。在这些研究中,通常没有计入水机电系统之间各电气耦合关系,所采用的模型精度也不够,其结果是水力、机械、电气三者间的相互影响被简化。水力系统与电力系统模型精度失配、缺乏全面的水机电数学模型是制约水机电系统动态过程研究和提高仿真精度的主要原因。 针对这一情况,本文应用Matlab/Simulink仿真软件构建了水电站水机电整体耦合系统。基于此系统模型,仿真研究了各系统之间的相互影响,并给出相应的分析结果。主要研究内容有以下几点: (1)对水电机组的水力、机械、电气系统的数学模型进行了研究,建立了包含水力瞬变过程、机械运动过程和电气过渡的耦合模型。该模型为后续的水机电过渡过程研究打下了基础。该模型可单独研究水电站的水力系统、机械系统和电气系统,也可方便地进行水机电整体过渡过程的研究,有着重要的意义。 (2)提出了一种压力管道等效新方法,将不同长度的压力引水管道采用1个或多个π型模型等效,从而得到整个引水管道的等值电路模型。该方法可用于压力管道的快速建模,建立入流和出流2个断面的流量—水头压力的状态框图,便于研究者构建整个水力系统的模型以研究水电站过渡过程中水机电之间的相互影响。对不同类型水击和不同长度的压力钢管进行仿真,并将电路等值方法和特征线方法比较。仿真结果表明电路等值方法正确、有效。 (3)基于整体模型对单机无穷大系统进行了仿真,研究了电气系统对水机电耦合系统的影响,其中包括电气系统扰动对水力系统的影响、恒定机械功率模型对系统的影响以及励磁系统参数对系统的影响。对仿真结果进行了分析后给出相关结论。 (4)基于整体模型对单机无穷大系统进行了仿真,研究了水力系统对水机电耦合系统的影响,其中包括水力扰动、水力系统模型和水力系统参数对耦合系统的影响,对仿真结果进行了分析,给出了相关结论。 (5)研究了水轮机调速器的特性和调速器的PID控制规律。通过分析提出了两种改进的调速器控制模式,并比较几种调节方式的特点以及调节品质。最后对PID调速器的调节参数进行了分析,通过仿真研究出各个参数对系统的影响,并定性给出分析结果。