水电站过渡过程与仿真

水力机组过渡过程控制与仿真作业一、基于Simulink的水轮机调节系统仿真1、水轮机调节系统的数学模型1.1、引水系统模型1.1.1 刚性水击模型一般在小扰动情况下，对简单直管路且管道长度小于600~800 m 时，管壁及水体的弹性以及流动的摩擦阻力均可以忽略，此时可以认为是刚性水击，其传递函数为：h(s) = −T w sq(s) (1)式中：h 为管道中水头的变化量；q 为管道中瞬时水流量的变化量轮机额T w为管道水流惯性时间常数；T w=LQ r/gFH rL 为管道长度；F 为管路截面面积；Q r为水轮机额定流量H r 为水定水头；g为重力加速度。

Simulink刚性水击模块如下：图1 刚性水击模块1.1.2 弹性水击模型当引水管路较长时，管道及水体的弹性均不能忽略，此时弹性水击理论能更精确地描述管道动态过程，在不考虑水力摩阻的情况下，由水力学原理中的动力方程和连续方程可以导出弹性水击方程：22()1()18rwrT sh shq s T s=-+33221()241()18r rwrT s T sh shq s T s+=-+3322441()2411()18384r rwr rT s T sh shq s T s T s+=-++(2)式中：T r为水锤压力波反射时间，即水锤相长；T r=2L/c，c为压力水波速，对于钢管c=1220 m/s，对于混凝土管道c=1420 m/s；h w为管道特征系数，h w=T w/T r。

上述3式均为弹性压力引水管道传递函数的表达式，可根据工程需要采用。

项数取得越多，计算精度就越高，但计算的复杂性也增加了，甚至可能造成数值不稳定。

1.2、线性水轮机模型当水轮机各参数在小范围内变动时，水轮机特性可以用线性的水轮机力矩方程和流量方程来表示，其中具有单一调节机构的水轮机线性模型可表示为：t y x hqy qx qhm e y e x e hq e y e x e h=++=++(3)式中：1, 1.5, 1.0,0.5,0y h qy qh qxe e e e e=====为水轮机力矩对导叶开度传递系数xe水轮机力矩对转速传递系数；he水轮机力矩对水头传递系数；qye水轮机流量对导叶开度传递系数；qxe水轮机流量对转速传递系数；qhe水轮机流量对水头传递系数。

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。

第九章 水电站水力过渡过程教学要求：了解水电站水力过渡过程的水力现象和有关基本方程的建立，掌握水锤和机组转速变化计算的基本方法，熟悉调节保证计算的控制指标和基本措施；掌握调压室水位波动分析的基本方法。

水电站的引水系统、水轮机及其调速设备、发电机、电力负荷等组成一个大的动力系统。

这个系统有两个稳定状态：静止和恒速运行。

当动力系统从一个状态转移到另一状态，或在恒速运行时受到扰动，系统都会出现非恒定的暂态（过渡）过程，由此产生一系列工程问题：压力水管（道）的水锤现象、调压室水位波动现象、机组转速变化和调速系统的稳定等问题。

本章主要介绍水电站水力过渡过程的现象和基本方程。

第一节 概述一、水锤（一）水锤现象及其传播引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现象。

当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，—般称为水锤。

水锤的实质是水体受到扰动，在管壁的限制下，产生压能与动能相互转换的过程，由于管壁和水体具有弹性，因此这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。

为了便于说明水锤现象，我们首先研究水管材料、管壁厚度、管径沿管长不变，并且无分叉的水管（一般称为简单管），阀门突然关闭时的水锤现象，见图9-1：管图9－1 水锤压力传播过程 中水流的初始状态是水压力为0H ，流速为0v 。

当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为l ∆的管段发生水锤现象——水体被挤压，水压力上升为H H ∆+0，流速变为0，这时管中水体的动能转变为压能。

由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段l ∆中会产生剩余空间，待后面的水体填满剩余空间后，邻近管段水体又会发生水体挤压，引起水压力上升，流速变为0，也产生剩余空间。

这样在水管中，从阀门开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度a 从阀门传向进口（水库）。

当水锤到达引水管进口时，这时进口外的水压力为0H ，管内水压力为H H ∆+0，在水管进口处造成压力差H ∆。

基于MATLAB的水力过渡过程数字仿真孙美凤;王佳【摘要】水力过渡过程,尤其是甩负荷过渡过程的计算,是水电站和水力机组设计不可或缺的一项工作,也是保证水电站安全稳定运行的前提.为了确保水电站甩负荷过渡过程的安全,基于MATLAB,采用以有压管道非恒定流微分方程组为基础的特征线法,对某个具有上游调压室,且为一洞三机布置的复杂引水管路系统进行了甩负荷过渡过程数字仿真.根据仿真结果,最终确定了合理的导叶关闭规律,给出了瞬态参量随时间变化的历程线,并计算了调压井的最高、最低涌浪,为该水电站的设计及安全稳定运行提供了技术依据,同时对类似工程也具有一定的参考价值.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2013(044)017【总页数】5页(P92-96)【关键词】水力过渡过程;数字仿真;MATLAB;水轮机特性;特征线法【作者】孙美凤;王佳【作者单位】华北水利水电大学电力学院,河南郑州450011;华北水利水电大学电力学院,河南郑州450011【正文语种】中文【中图分类】TK730.2水力过渡过程是指系统中的水流从某一恒定状态转换到另一恒定状态的过程。

虽然水电站水力过渡过程是一种暂态现象，但在实际运行中却是不可避免的，尤其是甩负荷过渡过程的计算，是在水电站和水力机组设计过程中不可或缺的一项工作。

从普遍意义上讲，水电站水力过渡过程是水、机、电系统的相互影响以及相互制约的联合过渡过程，其计算的合理与否，关系到输水系统的优化设计和水电站的安全运行以及供电的品质［1］。

随着计算机应用的推广，在大中型水电站和压力引水系统比较复杂的水电站设计中，越来越多地采用电子计算机进行水力过渡过程计算仿真。

MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言，作为一种大型数学软件，它包含了丰富的函数资源，使解决各种学科数学问题的编程变得简单易行［2］。

1 数学模型1.1 机械旋转运动对于水力发电机组机械旋转部分的运动方程，可运用旋转刚体运动方程描述［3］:式中，为机组转动部分的转动惯量为角加速度;Mt为水轮机的主动力矩;Mg为发电机的阻力矩。

冲击式水电站过渡过程数值模拟
樊红刚;陈乃祥;孔庆蓉;王芋丁
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2007(26)2
【摘要】冲击式水电站机组甩负荷时,由于电站引水道长,为了减小系统最大压力上升,针阀关闭时间较长,而为了避免机组转速上升过高,在喷嘴后设置折向板以截断水流,在过渡过程计算中对针阀前管道和机组需要用不同的流量计算,本文分析了冲击式水轮机与常规混流式水轮机运行的不同,建立了冲击式水电站折向板关闭时的计算数值模型,并用该模型对一冲击式电站进行了过渡过程计算。

【总页数】4页(P133-136)
【关键词】水力机械;冲击式水轮机;数值模拟;过渡过程
【作者】樊红刚;陈乃祥;孔庆蓉;王芋丁
【作者单位】清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室热能工程系【正文语种】中文
【中图分类】TK72
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二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究报告河海大学2017年7月二塬子水电站输水系统过渡过程仿真计算研究项目负责人：蔡付林周建旭主要参加人：曹青胡明张雯花玉龙李永发郭强刘跃飞顾金彤河海大学2017年7月目录第一章工程概况和研究内容 (1)第一节工程概况和基本资料 (1)第二节计算研究目的和内容 (6)第二章计算理论和计算方法 (9)第一节计算理论 (9)第二节计算方法 (9)第三章有压输水系统数学模型 (14)第一节管道划分和相关参数 (14)第二节机组特性曲线处理方法 (16)第三节引水发电系统数学模型 (18)第四章机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择 (22)第一节说明 (22)第二节机组导叶和调压阀启闭规律的优化选择 (22)第三节调压阀拒动时机组导叶关闭规律分析 (26)第四节调压阀启闭规律的确定 (27)第五章有压输水系统过渡过程计算分析 (30)第一节大波动过渡过程计算分析 (30)第二节小波动稳定性分析 (46)第三节水力干扰稳定性分析 (49)第六章结论与建议 (52)第一章工程概况和研究内容第一节工程概况和基本资料一、工程概况二塬子水电站是利用原设计北干线压力管道1#调节池与2#调节池之间N27+434.1~N29+208.1段，水头差约101m发电。

发完电后，供水水量通过电站尾水再退入原压力管道。

这样，在不影响供水的情况下，充分利用水能资源，做到一水多用。

电站站址位于西安数字学院南侧，电站装机容量2400kW，安装3台混流式机组。

工程为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级建筑物，次要及临时建筑物为4级建筑物。

本电站采用地面厂房布置形式，厂内共装有三台单机容量为800kW卧式水轮发电机组，总装机容量为2400kW。

输水管线由厂房右侧通过，设有闸阀、调压阀及旁通泄水阀等管线调压设施，满足电站不发电时，保证供水不受影响。

电站厂区建筑物包括主、副厂房、尾水池、尾水管、宿办楼及道路等部分。

抽水蓄能电站过渡过程仿真自动建模及通用程序
陈乃祥
【期刊名称】《水利学报》
【年(卷),期】1994(000)010
【摘要】本文在改进文献中数学模型及有关连接方式的前提下引入结构形式参数，工况标识参数及部件动态计算模块化等，解决了按仿真对象及仿真工况的自动建模问题，编制的程序用于多个具有不同引水系统和参数的电站过渡过程仿真计算，证明有较强的通用性，灵活性和实用性。

【总页数】1页(P47)
【作者】陈乃祥
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TV743
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智伟;于佐东
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