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水轮机模型综合特性建模及机组过渡过程计算研究

金橹  
【摘要】:水轮机是电力生产中的重要动力设备之一,水轮机的运行状态直接关系到水电站的安全运行。我国是水电大国,拥有众多投产发电或者正在建设的大中型水电站,对水轮机的特性进行全面细致的研究具有重要的工程意义。水轮机内部的水力流动非常复杂,通过模型试验得到的模型综合特性曲线主要反映了水轮机在高效率工况区的静态特性,而水轮发电机组控制与水电站过渡过程计算等研究中需要考虑水轮机全特性,这就要求对模型综合特性曲线进行延伸和高精度数学建模。根据水轮机高效率区域的特性曲线、飞逸特性曲线和零开度时的转矩特性曲线,结合混流式水轮机的流场分析理论和大量的模型试验得到水轮机特性参数之间的数学关系,在此基础上扩展水轮机高效率区的特性,并建立基于双三次B样条的水轮机全特性数学模型。混流式水轮机最为常见,应用上述理论与方法获得典型比转速的混流式水轮机全特性并建立了混流式水轮机全特性通用数据库,进而应用最优工况点一致原则实现了对任意比转速混流式水轮机的特性适用。水轮机组的过渡过程计算包括建模与求解两部分。水轮机非线性模型、压力引水管道时滞模型、发电机运动方程以及执行机构方程可以在数学上抽象成一个由常微分方程和代数方程组成的微分-代数方程组,即DAE(differential algebraic equation)。从而将过渡过程计算的求解问题转换成求解DAE的问题,运用直接离散化方法、消元法或者直接调用ODE求解器的方法来求解这类Hessenberg-1型DAE问题。考虑到不同DAE系统的刚性强弱,深入研究最有效的求解方法。为方便过渡过程计算,开发出基于Matlab GUI平台的水电站过渡过程仿真计算模拟可视化平台,包含了混流式水轮机特性通用数据库,并考虑几种典型的引水系统,设计了水电站过渡过程计算参数输入界面和动态实时显示GUI界面。以某一具体电站为例,对两种典型的大波动过渡过程如机组甩负荷过程和开机过程进行仿真计算,可以清晰地观察到水轮机过渡过程中各参数变化以及在全特性上的轨迹。


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