基于输水系统和水轮机详细模型的水电系统联合仿真

【摘要】： 随着大型水电站和抽水蓄能电站的不断兴建和投入运行，水电在我国电力系统中的比重逐年增大，水电系统的稳定性问题日益突出，同时也对水电系统仿真提出了更高的要求。电力系统仿真往往采用粗略的输水系统—水轮机模型，而水力系统仿真则往往采用粗略的同步电机—电力系统模型。采用这种水或电的单方面简化模型不能准确反映水力系统与电力系统的耦合作用，对于诸如电力系统中长期稳定、水轮发电机组再同步、调压井系统大波动稳定等这些与水电耦合和自动调节作用密切相关的问题的研究，可能导致不合理的结论。因此，开展学科交叉研究，建立合理的水电系统详细模型，研究水电系统大扰动过程的仿真算法，对于弥补我国电力系统仿真计算中存在的输水系统—水轮机模型过于粗略的不足，提高水电系统仿真水平，是非常必要的。 鉴于电力系统研究中输水系统和水轮机模型过于简单的情况，本文首先归纳引入了复杂输水系统和水轮机的详细模型，建立了适合大扰动动态过程计算的水电系统详细数学模型，包括基于特征线法的复杂输水系统自动建模模型、混流式水轮机的线性模型和非线性模型、调压井通用模型、同步发电机模型、调速器模型、励磁系统模型和电网模型等。复杂输水系统的自动建模对于电力系统研究者而言是非常重要的，本文建立的输水系统自动建模模型包括输水系统各种典型单元的数学描述，计及了弹性水击的影响和复杂管道之间的耦合作用，可以适应输水系统结构的复杂多样性，具有较高的精度和建模效率。归纳介绍了混流式水轮机的模型，包括基于模型综合特性曲线的线性化模型、基于内特性描述的线性化模型、基于全特性曲线的非线性模型和简单解析非线性模型等，对这些水轮机模型进行分析比较，认为它们的特点各有不同，应根据研究目的和已知条件来选择合适的模型。 计及弹性水击后，水力系统模型和电力系统模型的形式有很大的差异，水力系统模型含有偏微分方程组，而电力系统模型为常微分方程组。直接将与这两种模型对应的差分方程联立求解有一定难度，即如果直接联立求解，要求差分方程的数目固定，这将不利于复杂输水系统的自动建模。为解决这一问题，本文提出了一种将水力系统和电力系统方程交替求解的水电系统联合仿真算法，即将包括输水系统、水轮机以及机组转子等部分的水力系统差分方程作为一部分，将包括同步发电机、励磁系统以及电网等部分的电力系统微分方程或差分方程作为另一 郑州大学工学硕士论文 部分，对前一部分采用特征线法求解，对后一部分根据模型形式采用龙格一库塔 法或隐式积分法等算法求解，这两部分的求解过程交替进行，最终即可得到水电 系统大扰动过程的仿真结果。这种水电系统联合仿真算法，既可满足各种复杂输 水系统自动建模的要求，又能提高计算速度，保证计算精度，计算程序也简单明 了，易为水电两个专业的研究者接受。 采用C++ Bullder可视化语言，编制了独立的复杂输水系统一简单电力系统大 扰动过程仿真软件。采用Visua1C十十可视化语言编制了采用复杂输水系统弹性水击 模型和水轮机详细模型的水力系统动态仿真用户程序，通过中国电力科学研究院 PSASP程序提供的用户程序接口，与PASASP程序联合实现了复杂水电系统大扰 动过程的仿真计算。采用两个程序对上述两种不同的水电系统分别进行大扰动过 程仿真计算，取得了合理可信的结果，表明了水电系统详细模型和联合仿真算法 的正确性。 【关键词】：电力系统 水力系统 水电站 模型 大扰动 仿真
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TP391.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-17
• 1.1 引言12-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.3 本文的主要工作15-17
• 2 输水系统数学模型17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 输水管道模型17-29
• 2.3 输水管道解析模型29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 水轮机数学模型30-40
• 3.1 引言30
• 3.2 水轮机非线性模型30-34
• 3.3 水轮机线性化模型34-38
• 3.4 本章小结38-40
• 4 水电系统联合仿真算法40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 水电系统联合仿真算法40-47
• 4.3 水电系统联合仿真算法示例47-50
• 4.4 本章小结50-51
• 5 水电系统联合仿真软件及算例51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 单机水电系统大扰动动态过程仿真51-54
• 5.3 多机水电系统大扰动动态过程仿真54-58
• 5.4 本章小结58-59
• 6 结论59-61
• 6.1 本文的主要研究结果59-60
• 6.2 后续工作展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文65-66
• 附录2 单机水电系统大扰动动态过程仿真算例参数66-67
• 附录3 励磁系统和调速器模型67-68

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