水利毕业论文水电机组调节系统建模与仿真研究

２０２０年第１２期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ１２水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.１２.０１２收稿日期:２０２０－０９－０５作者简介:柳呈祥ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水电站励磁㊁直流系统调试㊁检修㊁维护工作ꎮ某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析柳呈祥ꎬ张元栋ꎬ程诗龙ꎬ黄柯维(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂ꎬ湖北宜昌㊀４４３１３３)摘要:以某电站５０ＭＷ水轮发电机组为研究对象ꎬ对电机进行了模型参数计算ꎬ建立了发电机的数学模型ꎻ应用Ｍａｔｌａｂ软件中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具ꎬ以建立的数学模型为基础搭建了凸极水轮发电机仿真模型ꎬ并对所建模型并网后的运行特性进行仿真研究ꎬ验证了所建模型的正确性ꎮ关键词:水轮发电机ꎻ参数计算ꎻＭａｔｌａｂꎻ数学模型中图分类号:ＴＭ３１２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)１２－００４９－０５ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ５０ＭＷＨｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＵｎｉｔＬＩＵＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇꎬＣＨＥＮＧＳｈｉｌｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＫｅｗｅｉ(ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔꎬＣｈｉｎａＹａｎｇｔｚｅＰｏｗｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３１３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒａ５０ＭＷｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｎꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＳｉｍｕｌｉｎｋｔｏｏｌｂｏｘｉｎＭａｔｌａｂｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔꎻｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻＭａｔｌａｂꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ㊀㊀同步发电机是电力系统的心脏ꎬ直接影响电力系统的的稳定运行ꎮ由于电机非线性㊁强耦合㊁多变量的特点ꎬ电机的动态特性复杂ꎬ而电机的动态性能对电力系统的动态稳定非常重要ꎬ所以对电机的模型进行深入的研究是十分必要的[１]ꎮ对于同步电机的数学模型主要有ａｂｃ轴和ｄｑ轴两种参考坐标系ꎬａｂｃ坐标系可以完整反映气隙基波和谐波磁场的电磁关系ꎬ但是电感参数变化会给此坐标系下的计算和分析造成不便ꎻｄｑ轴坐标系只计基波磁场的作用ꎬ可以实现定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电感解耦ꎬ目前来说ꎬ通常采用ｄｑ轴坐标进行电机建模ꎮ本文以某电站凸机同步发电机为例ꎬ建立了发电机在ｄｑ轴下的数学模型ꎬ并对此模型进行了Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真ꎬ最后对仿真波形进行分析ꎬ验证了模型的正确性ꎮ１㊀发电机数学模型１.１㊀ｄｑ坐标系下的电机有名值方程为了建立同步发电机模型ꎬ必须对实际电机作必要的简化假设:１)定子三相绕组结构上完全相同ꎬ在空间上相差１２０ʎ电角度ꎮａｂｃ三相绕组对其轴线而言结构对称ꎮ２)电机转子在结构上是完全对称的ꎮ转子各绕组如果有电流ｉ流过ꎬ只考虑正弦基波分量ꎮ３)对于电机沿直轴或交轴的磁路ꎬ如果磁势波是对称于直轴或交轴正弦分布的ꎬ则磁密波也对称于直轴或者交轴正弦分布ꎬ或者说对于磁密波只计其基波分量[２]ꎮｄｑ坐标系下的电机暂态方程适应转子的旋转和凸极效应ꎬ所以一般选用ｄｑ坐标系建模ꎮ电压和磁链方程如下ꎮ９４水电与新能源２０２０年第１２期电压方程:ｕｄ＝ｐψｄ－ωψｑ－ｒｉｄｕｑ＝ｐψｑ＋ωψｄ－ｒｉｑｕｆ＝ｐψｆ＋ｒｆｉｆ０＝ｐψＤ＋ｒＤｉＤ０＝ｐψＱ＋ｒＱｉＱ(１)式中:ｕｄ㊁ｕｑ㊁ｕｆ分别为ｄｑ轴电压和励磁绕组的电压ꎻψｄ㊁ψｑ㊁ψｆ㊁ψＤ㊁ψＱ分别为各绕组磁链ꎻｉｄ㊁ｉｑ㊁ｉｆ㊁ｉＤ㊁ｉＱ分别为各绕组中流过的电流瞬时值ꎻｒ㊁ｒｆ㊁ｒＤ㊁ｒＱ分别为各绕组电阻ꎻω为转子电角速度ꎻｐ为微分算子ꎬｐ＝ｄｄｔꎮ磁链方程:㊀ψｄψＦψＤæèçççöø÷÷÷＝ＬｄＭｆＭＤＫＭｆＬｆＭＲＫＭＤＭＲＬＤéëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúú㊀ψｑψＱæèçöø÷＝ＬｄＭＱＫＭＱＬＱéëêêùûúú－ｉｄｉＱéëêêùûúú(２)式中:Ｌｄ㊁Ｌｑ分别为ｄｑ同步电感系数ꎻＬｆ㊁ＬＤ㊁ＬＱ分别为励磁和阻尼绕组自感系数ꎻＭＲ为励磁和阻尼Ｄ绕组自感系数ꎻＭｆ㊁ＭＤ㊁ＭＱ分别为定子和转子绕组互感系数幅值ꎮ１.２㊀ｄｑ坐标系下的标幺值方程用有名值来进行同步电机的分析时ꎬ存在量级差异较大的情况ꎬ用归算到自身容量基值下的标幺值表示则更加合理ꎮ因此ꎬ对电机有名值方程还需进行标幺化ꎮ对有名值方程进行规范化的过程就是标幺化的过程ꎬ首先要确定有关变量的基准值ꎮ发电机定子侧基准电压ＵＢ㊁基准电流ＩＢ㊁基准容量ＳＢ㊁基准频率ｆＢ和基准角频率ωＢ为[３]㊀㊀ＵＢ＝２ＵＲ㊀㊀ＩＢ＝２ＩＲ㊀㊀ＳＢ＝ＳＲ＝３ＵＲＩＲ＝３２ＵＢＩＢ㊀㊀ｆＢ＝５０Ｈｚ㊀㊀ωＢ＝２πｆｂ式中:ＵＲ为发电机额定相电压有效值ꎻＩＲ为发电机额定相电流有效值ꎻＳＲ为发电机额定容量ꎮ定子侧绕组基准磁链ψＢ㊁基准自感系数ＬＢ和时间基准值ｔＢ关系为ψＢ＝ＵＢｔＢψＢ＝ＬＢＩＢ转子ｆ㊁Ｄ和Ｑ各绕组变量分别取以下基准值ＵｆＢ＝ＫＦＵＢＵＤＢ＝ＫＤＵＢＵＱＢ＝ＫＱＵＢüþýïïïψｆＢ＝ＫＦψＢψＤＢ＝ＫＤψＢψＱＢ＝ＫＱψＢüþýïïïＩｆＢ＝３２１ＫＦＩＢＩＤＢ＝３２１ＫＤＩＢＩＱＢ＝３２１ＫＱＩＢüþýïïïïïïïＳＦＢ＝ＳＤＢ＝ＳＱＢ＝ＳＲ式中:ＫＦ㊁ＫＤ为励磁和阻尼Ｄ绕组对定子ｄ绕组的等效匝比ꎻＫＱ为阻尼Ｑ绕组对定子ｑ绕组的等效匝比ꎮ经过规范化后的磁链方程为ψｄψＢψｆψｆＢψＤψＤＢæèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷＝ＬｄＬＢＭｆ２３ＫＦＬＢＭＤ２３ＫＤＬＢ２３ＭｆＫＦＬＢＬｆ２３ＫＦ２ＬＢＭＲ２３ＫＤＫＦＬＢ２３ＭＤＫＤＬＢＭＲ２３ＫＦＫＤＬＢＬＤ２３ＫＤ２ＬＢéëêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúú－ｉｄＩＢｉｆ３２１ＫＦＩＢｉＤ３２１ＫＤＩＢéëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúψｑψＢψｑψＱＢæèççççöø÷÷÷÷＝ＬｑＬＢＭＱ２３ＫＱＬＢ２３ＭＤＫＱＬＢＬＱ２３ＫＱ２ＬＢＬＱéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú－ｉｑＩＢｉＱ３２１ＫＱＩＢéëêêêêêêùûúúúúúú(３)由于电感标幺值与电抗标幺值相等ꎬ可以不区分ꎬ上式可改写为ψｄ∗ψｆ∗ψＤ∗æèçççöø÷÷÷＝Ｘｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘｆ∗ＸＲ∗Ｘａｄ∗ＸＲ∗ＸＤ∗éëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúúψｑ∗ψＱ∗æèçöø÷＝Ｘｑ∗Ｘａｑ∗Ｘａｑ∗ＸＱ∗éëêêùûúú－ｉｑｉＱéëêêùûúú(４)电压方程为０５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月ｕｄ∗＝ｄｄｔ∗(ψｄ∗)－ω∗ψｑ∗－ｒ∗ｉｄ∗ｕｑ∗＝ｄｄｔ∗(ψｑ∗)＋ω∗ψｄ∗－ｒ∗ｉｑ∗ｕｆ∗＝ｄｄｔ∗(ψｆ∗)＋ｒｆ∗ｉｆ∗ｕＤ∗＝ｄｄｔ∗(ψＤ∗)＋ｒＤ∗ｉＤ∗＝０ｕＱ∗＝ｄｄｔ∗(ψＱ∗)＋ｒＱ∗ｉＱ∗＝０(５)由于后续分析的电气量均为标幺值ꎬ将∗省略ꎮ电机参数一般以运算电抗和实用参数给出ꎬ其中ｄｑ轴运算电抗为Ｘｄ(ｐ)＝ψｄ－ｉｄＸｑ(ｐ)＝ψｑ－ｉｑ由式(４)和(５)可求得:㊀㊀Ｘｄ(ｐ)＝Ｘｄ－Ｂ(ｐ)Ａ(ｐ)Ａ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤＸｆ－Ｘａｄ２)＋ｐ(ＸＤｒｆ＋ＸｆｒＤ)＋ｒＤｒｆＢ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤ＋Ｘｆ－２Ｘａｄ)Ｘａｄ２＋ｐ(ｒｆ＋ｒＤ)Ｘａｄ２㊀㊀Ｘｑ(ｐ)＝Ｘ１＋Ｘａｑ(ＸＱ１＋ｒＱｐ)Ｘａｑ＋(ＸＱ１＋ｒＱｐ)(６)除以上电磁方程ꎬ还有转子运动方程２Ｈｄωｄｔ＝Ｔｍ－ＴｅＴｅ＝ψｄｉｑ－ψｑｉｄ(７)式中:Ｈ为机组惯性时间常数ꎻＴｍ为机械力矩ꎻＴｅ为电磁转矩ꎮ２㊀标幺值选定和仿真参数计算表１为某电站发电机主要电气参数ꎬ由式(４)(５) (７)搭建电机模型需知道发电机定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电抗值㊁电阻值ꎬ还需知道机组惯性时间常数ꎮ由于建模采用标幺值系统ꎬ应对发电机电气参数进行标幺化ꎬ本节对发电机标幺值选定和发电机参数进行分析和计算ꎮ定子绕组基准值选择[４－５]ＳａＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＵａＢ＝２ＵＲ＝２ˑ１０５００/３＝８５７３.２ＶＩａＢ＝２ＩＲ＝４５７４.３Ａ表１　发电机主要电气参数表项目额定工况发电机功率ＰＮ/ＭＷ５０功率因数ｃｏｓφＮ０.８５发电机容量ＳＮ/ＭＶＡ５８.８额定电压ＵＮ/ｋＶ１０.５额定电流ＩＮ/Ａ３２３４.５额定转速ｎＮ/(ｒ ｍｉｎ－１)２７２.７额定频率ｆＮ/Ｈｚ５０直轴同步电抗Ｘｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.１.０５８直轴瞬变电抗Ｘᶄｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.０.３０７直轴超瞬变电抗Ｘᵡｄ/ｐ.ｕ.０.２０３交轴同步电抗Ｘｑ/ｐ.ｕ.０.６７５交轴超瞬变电抗Ｘᵡｑ/ｐ.ｕ.０.２１４定子绕组漏抗Ｘ１/ｐ.ｕ.０.１１９ｄ轴短路暂态时间常数Ｔᶄｄ/ｓ１.９６２ｄ轴开路暂态时间常数Ｔᶄｄ０/ｓ６.７６ｄ轴短路次暂态时间常数Ｔᵡｄ/ｓ０.０４４１ｄ轴开路次暂态时间常数Ｔᵡｄ０/ｓ０.０６６５ｑ轴短路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ/ｓ０.０５０２ｑ轴开路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ０/ｓ０.１５７９６空载励磁电流Ｉｆ０/Ａ５９３额定励磁电流ＩｆＮ/Ａ１０６７额定励磁电压ＵｆＮ/Ｖ１６４定子绕组电阻Ｒａ/Ω０.００６４５励磁绕组电阻Ｒｆ/Ω０.１３０７飞轮力矩ＧＤ２/ｔｍ２１８５０ｆａＢ＝５０ＨｚωＢ＝２πｆＢ＝３１４.１６ｒａｄ/ｓＺａＢ＝ＲａＢ＝ＸａＢ＝１.８７４２ΩＬａＢ＝ＸａＢ/ωＢ＝５.９６６ˑ１０－３ＨψａＢ＝ＬａＢＩａＢ＝２７.２９Ｗｂ励磁绕组基准值选择ＳｆＢ＝ＳｆＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＬｄｆ＝ＵＢωＢｉｆ｜ｉｆ＝５９３Ａ＝０.０４６０２ＨＸａｄ∗＝Ｘａｄ∗－Ｘ１∗＝０.９３９ＩｆＢ＝ＸａｄＩＢωＢＬｄｆ＝(Ｘｄ－Ｘ１)ＩＢωＢＬｄｆ＝５５６.８Ａ１５水电与新能源２０２０年第１２期ＵｆＢ＝ＳＢＩｆＢ＝１０５.６ｋＶＺｆＢ＝ＲｆＢ＝ＸｆＢ＝１８９.７ΩＬｆＢ＝ＸｆＢ/ωＢ＝０.６０３８ＨψｆＢ＝ＬｆＢＩｆＢ＝３３６.２Ｗｂ定转子之间的互感基值选择ＬａｆＢ＝２３ＬａＢＬｆＢ＝０.０４９ＨＬｆａＢ＝２３ＬａｆＢ＝０.０７３５Ｈ力矩基值ＴＢ＝ＳａＢωｍＢ＝ｎｐＳａＢωｅＢ＝１１ˑ５８.８ˑ１０６３１４.１６＝２.０６ˑ１０６Ｎ ｍ由电机实用参数可继续求解得到电机模型参数[６](由于模型建立在标幺值基础上ꎬ后续如无特别说明均省略符号∗):Ｘａｄ＝Ｘｄ－Ｘ１＝０.９３９Ｘａｑ＝Ｘｑ－Ｘ１＝０.５５６Ｘｆ＝Ｘａｄ２Ｘｄ－Ｘᶄｄ＝１.１７４ＸＤ＝２.５５９ＸＱ＝０.６７１ｒ＝３.４４１ˑ１０－３ｒｆ＝５.５２８ˑ１０－３ｒＤ＝０.０８６５ｒＱ＝３.１６２ˑ１０－３转动惯量Ｊ＝１４ＧＤ２ˑ１０３＝４６２.５ˑ１０３ｋｇ ｍ２机组惯性时间常数Ｈ＝１２ＪωｍＢ２ＳａＢ＝３.２１ｓ至此ꎬ电机仿真所需所有建模参数均已求得ꎮ３㊀仿真模型３.１㊀模型搭建如图１所示ꎬ按照前面两节的电机电压方程㊁磁链方程㊁功率方程㊁电磁力矩方程和转子运动方程搭建电机模型ꎮ明显地ꎬ当考虑定子绕组㊁转子绕组和励磁绕组的电磁暂态过程以及转子的机械过渡过程时ꎬ发电机为七阶模型ꎬ完整的反映了电机系统的物理特性ꎮ电机模型采用标幺值系统ꎬ与上节的计算和分析对应ꎮ励磁系统采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带的ＥｘｃｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬ控制方式为ＰＩＤ＋ＰＳＳ２Ｂꎮ变压器选择Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＴｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬ容量选择６０ＭＶＡꎬ一二次侧电压为１０.５ｋＶ/３５ｋＶꎮ输电线路选择３－ＰｈａｓｅＳｅｒｉｅｓＲＬＣＢｒａｎｃｈ(电阻０.００３Ωꎬ电感为０.００５Ｈ)ꎮ无穷大系统用３－ｐｈａｓｅＳｏｕｒｃｅ模块(１００００ＭＶＡ３５ｋＶ)和３－ｐｈａｓｅｐａｒａｌｌｅｌＲＬＣｌｏａｄ模块组成ꎮ图１㊀发电机Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图２５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月３.２㊀仿真波形搭建好仿真模型后ꎬ可以对电机暂态过程进行模拟仿真ꎮ机械功率输出Ｐｍ＝１(ｐ.ｕ.)ꎬ给定电压Ｖｒｅｆ＝１(ｐ.ｕ.)ꎮ励磁电流Ｉｆ㊁励磁电压Ｕｆ㊁ｄｑ轴电压和电流㊁电磁功率Ｐｅ和输出功率Ｐｅｏ的仿真波形如图２－图４所示ꎮ图２㊀Ｉｆ㊁Ｕｆ㊁Ｕｄ和Ｕｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)图３㊀ｉｄ和ｉｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)从图中可知ꎬ励磁电压㊁励磁电流随时间趋于稳定并达到额定值ꎮＵｄ和Ｕｑ的稳定值分别为０.６４７(ｐ.ｕ.)和０.７６３(ｐ.ｕ.)ꎮＵｄ２＋Ｕｑ２稳定值刚好趋于图４㊀Ｐｅ和Ｐｅｏ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)电压额定值ꎮ电磁功率和电磁输出功率趋于１(ｐ.ｕ.)ꎬ和给定的机械功率平衡ꎬ因为模型中未考虑摩擦转矩作用ꎬ这与理论分析的结果是一致的ꎮ综合以上发电机电气量仿真波形ꎬ本文搭建的发电机模型正确ꎬ可真实反映发电机电气和机械特性ꎮ４㊀结㊀语发电机系统是一个典型非线性㊁强耦合的高阶系统ꎬ动态性能复杂ꎬ所以对发电机的建模力求精确ꎮ本文介绍了建立发电机ｄｑ轴坐标系下数学模型的基本方法ꎬ接着对某电站的电机参数进行了分析和计算ꎬ搭建了基于实际凸机水轮发电机的模型ꎬ最后通过Ｍａｔ￣ｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了模型的正确性ꎮ参考文献:[１]余贻鑫ꎬ陈礼义.电力系统的安全性和稳定性[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８８[２]黄家裕ꎬ岑文辉.同步电动机基本理论及其动态行为分析[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ１９８９[３]高景德ꎬ张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８２[４]韩富春ꎬ闫根弟.暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[Ｊ].太原理工大学学报ꎬ２００５ꎬ３６(１):７５－７８[５]宋宏志.不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算[Ｄ].北京:华北电力大学ꎬ２０１１[６]倪以信ꎬ陈寿孙ꎬ张宝霖.动态电力系统的理论和分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００２３５。

水电站水机电仿真系统的开发及探究摘要：电站水机电一体化的仿真包括了由详细水力系统、发电机组、升压站、等值电力系统构成的中小型电力系统。

对于水电厂水机电耦合问题的研究，通常采用单机无穷大系统进行代替，并非针对本厂的具体数据和参数进行研究，因而相关结论具有参考意义但一般无法对本厂的生产直接形成指导意见。

关键词：水电站水机电仿真系统；开发；水电站在实际运行中，当运行操作或因事故而改变系统的运行状态时，就会产生过渡过程，由于水体惯性的存在，就会引起系统中管道压力、流量、机组转速的剧烈变化，对水电站的运行质量以至安全将产生非常重要的影响。

因此，无论为确定电站设计参数或保证电力系统运行质量都必须对水电站进行静、动态仿真研究。

一、研究水电站水机电系统（HMES）为一类非线性耦合系统，主要包括水力系统、机械系统及电气系统3 个子系统，其动态特性取决于各子系统的共同作用。

其中，水力系统主要包含有压引水系统、调压井、蜗壳及尾水管等；机械系统主要包含水轮机、调速器等；电气系统主要包括水轮发电机、励磁系统、电力系统稳定器及负荷等。

随着水电机组装机容量逐渐增大，调峰调频任务愈发繁重，水电站水机电系统的动态特性对电力系统安全稳定运行的影响日益显现。

大型水电机组的切机或者突然甩负荷将导致电力系统失去较大功率，对系统的功角、频率及电压稳定性都会造成严重影响。

如何准确模拟出大小扰动下水电站水机电系统动态特性，并采取相关措施抑制其对电力系统造成的不良影响已成为水电站建设的主要问题。

作为对真实物理系统进行模拟的重要手段之一，数字仿真凭借成本低、不受外部环境限制等优点，现已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具。

二、水电站水机电仿真系统的开发1.监控运行系统和仿真系统的一体化。

目前的水电厂基本上都投运了计算机监控系统，监控系统和仿真系统一般都是两个独立的系统，这两个系统一般由不同的单位研制，它们之间可能会通过通讯协议来进行通讯，在两个系统设计之初就缺乏统一的规划和接口，由于存在这个缺陷，仿真系统和监控运行系统不能作到一体化运行，仿真系统一般只能作为员工的离线培训系统。

基金项目:国家自然科学基金(50179023)和高等学校骨干教师资助计划资助项目。

收稿日期:2001- -第20卷 第2期计 算 机 仿 真2003年2月文章编号:1006-9348(2003)02-0086-06水利水电工程施工系统三维建模与仿真钟登华,周锐,刘东海(天津大学水利水电工程系,天津300072)摘要:该文基于GIS 平台,采用三维可视化技术,提出了实现水利水电工程施工系统三维可视化数字模型的构造与施工过程动态仿真的方法。

文中首先阐述了基于GIS 的三维可视化原理,接着探讨了三维可视化数字模型的构造方法,然后详细介绍了地形数字化技术,静态地物实体建模技术,动态实体模拟方法,以及施工过程动态仿真途径。

最后给出了几个应用实例,表明本方法具有较好的实用性。

关键词:地理信息系统;三维可视化;建模;动态仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码:B1 前言水利水电工程施工是一个复杂的系统工程,涉及到主体工程建筑物施工、临时挡泄水建筑物施工、水位变化等各个方面,其关系错综复杂。

以往的水利水电工程施工设计过多地依赖于设计图纸,设计成果一般表现为2D 的平面图、剖面图等形式,不够形象直观,并且难以从宏观上把握施工全过程。

本文提出将地理信息系统(Geographic Information System ,GIS)技术引入水利水电工程施工三维可视化辅助设计中,实现了复杂工程施工系统三维地物模型的创建及施工过程的动态仿真,为设计人员提供了一种简便、直观的手段。

2 基于GIS 的三维可视化数字模型的构造2.1 基于GIS 的三维可视化原理可视化(Visualization)是将抽象数据表示转换成图形或图像图元表示的过程。

图元一般为点(Point)、线(Line)、面(Mesh)、体(Voxel)等,由这些图元构成可视化模型,然后对其进行绘制和显示。

现在流行的GIS 软件如MapInfo,Arc/Info 等,都具有强大的可视化功能。

水利水电工程虚拟仿真实践教学应用探索在开展高职实践教学时，要加大对水利水电工程虚拟仿真应用的重视，创新现有的高职院校实践教学模式，降低实践环境对水利水电工程实践教学造成的影响，提升学习实践知识的积极性，以提高高职院校实践教学的水平。

本文就水利水电工程虚拟仿真在高职实践教学中的应用进行研究，以期能够进一步促进我国高职院校的发展。

【关键词】虚拟仿真；高职教育；水利水电工程作为我国社会发展过程中的基础性事业，水利水电工程涉及到的学科较多，高职院校在实践教学过程中，经常会只能参观部分实践操作，无法对水利水电工程的实践操作进行全面的了解。

针对上述问题，高职院校需要对现有的实践教学方式进行改革，将实践仿真加入到实践教学过程中，转变现有的教学方式，以保障高职教学能达到预期的目标。

一、水利水电工程虚拟仿真在高职实践教学中的优势在开展高等教学过程中，教学人员要加大对高职教育的重视，根据社会发展的需求培养人才，重视实践性人才的培养，采用先进的互联网技术和多媒体技术等，将虚拟和现实结合在一起，营造真实的实践环境，以帮助学生在实践教学中学习到更多的知识。

相较于实际教学而言，虚拟仿真教学本身的安全性非常高，能够营造出真实的实践教学条件和环境，帮助学生真实的体验实验环境，将校园网与教学管理结合在一起，应用先进的计算机网络技术建造虚拟仿真教学平台，对水利水电工程进行真实的虚拟模拟，帮助学生更加快速的掌握水利水电工程的实践操作工艺和技能，更好的适应水利水电教学的实际情况，帮助学生真实的感受到水利水电工程施工现场的实际情况，以便有效的弥补了现在高等教育院校在实践教学课程中的不足，提高高职院校的教学水平，降低学生实地操作时出现安全问题的概率。

二、水利水电工程虚拟仿真技术在实践教学中的应用1.建设思路。

高职院校在开展水利水电工程实践教学时，要明确虚拟仿真实践教学平台的目的，不断提高实践教学平台的专业素质，将教、做、学等与虚拟仿真教学平台结合在一起，明确水利水电工程实践教学的理念，完善现有的水利水电工程实践基本技能讲解教学工作，以保障高职院校实践教学工作的水平能得到提升。

水电机组监控系统有功功率调节仿真探究摘要：我国现有水电机组的有功功率调节主要以监控系统中的闭环调节为主，所以本文对水电机组进行仿真探究，建立监控系统、水电运输系统、调速器和水轮机等设备的数学模型，保障模型的准确性。

通过仿真实验得出来的结果分析监控系统实际参数对水电机组有功功率的影响。

关键词：水电机组；监控系统；仿真研究引言在电网部门的调度工作中，工作人员通过发电控制系统对水电机组的监控系统下达有功功率调节指令，水电厂的工作人员在接收到指令之后对水电机组采取对应措施。

在某些企业中，公作人员对于水电机组的工作并不过多重视，没有对监控系统进行有效调节，因此有关部门应当作出改革，重视水电机组的作用。

一、建立数学模型（一）水电机组监控系统有功功率的调节原理模拟水电机组的闭环调节环节。

水电厂得到电网调度部门有功功率的指令之后，按照对应规则进行指令的下发，调整水电机组的LCU。

水电机组使用脉宽调制法进行调整，当发现功率的目标值与实际功率之间的绝对值高于设定功率死区的时候，LCU要及时发送功率增减指令，一直维持到绝对值进入死区，确认完成之后撤销指令。

调速器通过对LCU发出来的指令进行接受，从而对水轮发电机组下发导叶开度调整指令，对导叶开度进行调整来改变水电机组中监督系统的有功功率。

（二）LCU 有功功率调节数学模型对水电机组监督系统的有功功率调节应当使用PWM的方法，其中PWM的输出u（t）应当使用对应的数学模型表示出来：在这个公式里面，M代表了PWM的幅值，T则是PWM的脉冲周期，单位为s；∆P为水电机组有功功率与目标值的差，单位为MW；sign则是符号函数。

（三）水轮机调速器数学模型水轮机调速器的数学模型传递函数公式为：根据公式可以得知，u代表LCU输出的指令，y是导叶开度产生的相对值。

Ty1是电液环节的时间常数，单位为S，Ty是主接力器的时间常数，单位为S，这两个参数应当根据现场实测和参数辨识的实际情况进行获取。

１．引言在综合分析水轮机调节系统整定调节参数时，最常用的手段就是采用计算机仿真。

然而传统的采用ＢＡＳＩＣ、ＦＯＲＴＲＡＮ和Ｃ语言进行编程仿真，不但编程复杂、调试繁琐，而且图形输出不方便，加之水轮机调节系统与其它工业控制系统不同，其组成很难用一个固定的模式，因此，耗费大量人力物力编制的仿真程序往往只是针对某一特定问题求解，可移植性较差，很难适应水电站的特点。

而ＭＡＴＬＡＢ作为目前国际上流行的系统仿真软件，能够克服上述弊端。

ＭＡＴＬＡＢ具有超强的矩阵运算功能，能够解决信号处理、建模、优化、控制领域中大量存在的矩阵运算问题。

ＭＡＴＬＡＢ软件提供了一个交互式操作的动态系统建模与仿真的平台－ＳＩＭＵＬＩＮＫ；ＭＡＴＬＡＢ软件还提供了大量的工具箱，例如神经网络工具箱。

ＭＡＴＬＡＢ神经网络工具箱针对神经网络系统的分析与设计，提供了大量可供直接调用的工具箱函数、图形用户界面和ＳＩＭＵＬＩＮＫ仿真工具。

神经网络控制不需要对象精确的数学模型，这使得它们对水轮机调节对象这类不确定性系统有着很好的适应性。

ＭＡＴＬＡＢ在水轮机调节系统的计算机仿真中已得到了广泛的应用［１］。

本文结合了ＳＩＭＵＬＩＮＫ的可视化、易于构建复杂模型和Ｍａｔｌａｂ神经网络工具箱对于不确定性系统有着很好的适应性的优点，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ中建立了水轮机、引水系统、调速器，发电机的数学模型，特别针对水轮机的非线性特性，采用ＲＢＦ神经网络对水轮机特性进行建模，并对调节系统动态过程进行了仿真研究。

２．仿真模型的建立水轮机调节系统通常由水轮机、压力引水系统、发电机及负载和调速器等几个部分组成。

本文所讨论的某水电站１号机组，由于引水管道很长，水轮机前后均设有有调压井，其模型较为复杂。

２．１水轮机数学模型研究水轮机调节系统的过渡过程，其中难点之一是对水轮机特性的描述。

由于水流运动的复杂性，导致水轮机的特性很难用一个数学表达式准确地描述。

它通常与下面五个因素有关：转矩Ｍｔ、流量Ｑｔ、水头Ｈ、机组转速ｎ（或频率ｘ）和导叶开度ａ（或接力器行程Ｙ）。

百度文库- 让每个人平等地提升自我I 武汉理工大学毕业设计（论文）千瓦级水力发电机的建模与仿真学院（系）：自动化学院专业班级：电气学生姓名：XXXXXXXX指导教师：XXXXXXXX百度文库- 让每个人平等地提升自我I摘要本文首先通过介绍当今世界能源短缺的现状，引出了要研究的千瓦级水力发电。

千瓦级水力发电属于微型水力发电的范畴，因此本文又介绍了水力发展现状和微型水力发电的技术进展与市场调研。

在千瓦级水力发电机的建模前，我还根据水轮发电机的分类对其中的各部分进行了选型，并分析了水轮发电机组各部分，引水系统，水轮机，发电机励磁系统等的数学模型。

然后运用MATLAB软件对水轮发电机的各部分分别建模后再依据互相之间的关系建立整个系统的模型，最后在动态的条件下对水轮发电机的运行状态进行仿真分析。

论文主要研究了水轮发电机的工作原理和水轮发电机的建模仿真。

研究结果表明,在动态的情况下，所设计的水轮发电机组的运行状态基本能够保持稳定，满足用电的基本要求。

本文的特色通过反馈同步发电机的运行状态来控制水轮发电机，最后让发电机运行状态基本保持稳定。

关键词：千瓦级水力发电；水轮发电机；数学模型；MATLAB建模仿真百度文库- 让每个人平等地提升自我IIAbstractFirstly, by introducing the world's energy shortage situation,this article leads tothe need to study kilowatt hydroelectric power. Kilowatt hydroelectric power belongs to the category of micro- hydro, so this article describes the technical progress and status of hydro and micro- hydro development and market research.Before modeling kilowatt hydroelectric, I also according to the classification of the various parts of hydro which conducted the selection and analysis of the various parts of hydroelectric generating set, such as water systems, turbine, generator excitation systems, etc. mathematical model.Then use MATLAB software for modeling each part separately and then build hydro entire system based on the model of the relationship between each other , and finally under dynamic conditions ,I simulation analysis the running state of my is mainly on the working principle and the modeling and simulation of hydro turbine results show that: In the dynamic case,the design of the operational status of hydro-generating unit can maintain the basic stability of electricity and meet the basic requirements.Features of this article: synchronous generator through feedback to control the hydro, and let the generator run status remained stable.Key Words：kilowatt hydroelectric power ; hydro ; mathematical model ; MATLAB modeling and simulation百度文库- 让每个人平等地提升自我III 目录第1章绪论 (1)选题的目的与意义 (1)国内外水力发电现状 (1)国内外水力发电发展现状 (1)小水电发展现状 (2)微水电开发利用技术进展 (4)千瓦级水力发电——微水电 (4)水力发电原理 (4)微水电简介 (4)微型水力发电的市场调研 (6)根据水流信息的发电容量的计算方法 (6)第2章千瓦级水力发电机组的选型 (9)微型水力发电机组的选型 (9)水轮机的类型及选择 (9)发电机的类型及选择 (10)第3章千瓦级水力发电机组的数学模型 (12)引水系统的数学模型 (12)水轮机调节系统数学模型 (13)水轮机的数学模型 (13)调节器的数学模型 (14)发电机系统数学模型 (15)负载数学模型 (16)第4章千瓦级水力发电机组的建模与仿真 (18)软件简介 (18)仿真模型建立 (19)水轮机系统建模 (19)发电机及励磁控制系统建模 (20)千瓦级水力发电机组系统模型 (21)仿真分析 (22)正常运行时发电机运行状态 (22)突甩负载和突加负载时发电机运行状态 (23)第5章结论 (25)参考文献 (26)附录 (27)致谢 (28)百度文库- 让每个人平等地提升自我1 第1章绪论选题的目的与意义水能是目前世界上可大规模开发的可再生能源之一。

【摘要】本篇目的在于探讨基于计算机技术的水利工程设计仿真系统。

对于我国当前水利工程施工建设过程中，实现水利工程设计在线检测，有助于节约水利工程设计时间，提升当前的水利工程设计质量与效率.对此本文基于计算机技术进行相关设计方面的需求分析，设计实现水利工程设计仿真系统，并对仿真系统应用效益进行研究分析，以便能够有效验证该水利工程设计仿真系统在实际应用中的性能。

【关键字】仿真系统;水利工程;计算机技术在当前我国计算机技术发展过程中，随着仿真技术与计算机技术相结合之后，不仅在其中综合的应用网络相关技术、图形图像处理技术以及多媒体实现等技术，同时也会设计实现仿真系统构成便利。

以下本篇基于计算机技术，探讨设计实现水利工程设计仿真系统的相关问题，并分析应用水利工程设计仿真系统的实际效益。

一、设计需求分析对于当前水利工程设计之中，运用先进计算机技术进行设计工作，可以应用其中的仿真技术,依据其助强有力的图形绘制功能，设计建立水利工程的仿真模型。

同时，运用可视化的计算机技术，仿真设计出清晰、直观地的水利工程全貌,可以提升设计工程的真实感，也可以提升设计数据的科学性，能够准确数字化的模拟水利工程设计方案。

二、计基于计算机技术的水利工程设计仿真系统2.1系统设计总体结构。

对于本次系统设计中，基于场景、设计进度控制、仿真直观显示模块构成：水利工程设计仿真系统总体结构框图如图1。

场景模块：实现对水利工程设计中相关模型的显示控制，提升设计仿真效果。

设计进度模块：可以有效调节水利工程设计仿真的进程过度，并可以更改以上历史进度中的错误，确保仿真系统的可用性与可扩展性。

仿真直观显示模块：可以将仿真的水利工程设计结果仿真实现，供给水利设计人员参考，并可进行适度的设计更改，以提升水利工程设计水准。

2.2功能设计。

（1）数据库服务功能：水利工程设计仿真系统中，有效管理工程设计相关数据，修改计算机技术下的仿真几何模型，便捷地修改几何模型，适应水利工程设计，并可存储管理仿真实现的相关数据。

科学技术创新2019.29水电站水机电仿真系统的开发及研究王虎1朱建国2付险峰1廖慧敏1（1、国网湖北省电力有限公司黄龙滩水力发电厂，湖北十堰4420002、三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002）1概述对于水电厂水机电耦合问题的研究，例如，水轮发电机组在启机、突增、突减负荷或电力系统侧故障等扰动等过渡过程中,可能会发生水力系统水压上升过高等影响电站安全运行的问题；同时水力动态过程也可能对电力系统低频振荡等稳定性产生影响。

由于水文献中电厂水、机、电耦合研究的方式理论性强，对具体的机组或电厂参考意义不大。

通常采用单机无穷大系统进行代替，并非针对本厂的具体数据和参数进行研究，因而相关结论具有参考意义但一般无法对本厂的生产直接形成指导意见[1-3]。

另一方面，研究人员也并非一定是本厂技术人员，并不能大幅促进本厂相应技术水平的提高。

文献中水电站仿真培训系统一般是定位为运行人员操作或流程的培训的系统，其监控系统的仿真通常无法准确反应水电站的动态运行结果，也通常无法深入到电站众多监控装置的维护的仿真中。

（以保护装置的仿真为例，由于没有准确的故障计算数据，装置的动作或警报等不是基于故障电流等客观的故障信息的整定值，而是基于开发者人为的逻辑判断，所以无法准确反应水电站的动态运行结果；本平台的特点之一就是准确的仿真数据，因而保护装置的仿真中保护的动作是基于客观的故障信息的整定值，因而能准确反应水电站的动态运行结果，对本厂的生产形成一定的指导意见，并且能深入到诸如装置参数的整定、修改等，从而实现对装置的运行和维护的仿真。

2仿真系统整体框架图12.1监控设备画面的开发：包括电站主系统、集中监控系统、现地监控系统、主系统的控制保护装置等画面。

电站监控系统画面的绘制可以采用北京图王软件开发有限公司的Visual Graph，它已在电力等行业涉及图形的应用系统的开发中有许多成功的案例。

可以非常逼真地绘制出设备画面并实现部分操作的仿真。

基于SIMULINK的水轮机组调节系统仿真研究水轮机组调节系统是指用于控制和调节水轮机的速度和功率输出的系统。

SIMULINK是一个用于模拟和仿真动态系统的软件工具，我们可以利用SIMULINK对水轮机组调节系统进行仿真研究。

水轮机组调节系统主要由传感器、控制器、执行机构和水轮发电机组成。

传感器用于测量水轮机的状态量，如转速、负荷等。

控制器根据传感器反馈的状态量，计算出控制信号，并通过执行机构对水轮机进行调节，实现输出功率的控制。

在进行仿真研究之前，我们首先需要建立水轮机组调节系统的数学模型。

数学模型通常由动态方程和状态方程组成。

动态方程描述了系统的动态响应，而状态方程描述了系统的状态随时间的演化规律。

水轮机组调节系统的数学模型可以基于物理原理推导得到，也可以根据实际数据进行参数辨识得到。

在建立数学模型之后，我们可以利用SIMULINK来实现仿真研究。

首先，我们需要在SIMULINK中建立水轮机组调节系统的模型。

模型中应包括传感器、控制器、执行机构以及水轮发电机的数学模型。

传感器模块用于模拟传感器的测量过程，控制器模块用于根据传感器反馈的状态量生成控制信号，执行机构模块用于模拟执行机构对水轮机的调节过程，水轮发电机模块用于模拟水轮机的动态响应。

在模型建立完成后，我们可以对水轮机组调节系统进行各种仿真研究。

例如，我们可以通过改变控制器的参数来研究不同参数对系统动态响应的影响；我们还可以通过改变负荷的大小来研究系统在不同工况下的稳定性和鲁棒性。

仿真研究的结果可以帮助我们了解水轮机组调节系统的性能特点，并指导实际系统的设计和优化。

同时，仿真研究还可以帮助我们进行系统故障诊断和故障排除，提高系统的可靠性和安全性。

总之，基于SIMULINK的水轮机组调节系统仿真研究可以帮助我们深入理解系统的动态行为，指导系统的设计和优化，并提高系统的可靠性和安全性。

通过仿真研究，我们可以更好地掌握系统的特性，为实际应用提供可靠的支持。