一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法及模型.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105868497A(43)申请公布日2016.08.17(21)申请号201610245055.8(22)申请日2016.04.19(71)申请人国家电网公司地址100031北京市西城区西长安街86号申请人国网湖南省电力公司国网湖南省电力公司电力科学研究院(72)发明人付亮吴长利唐卫平王辉斌寇攀高邹桂丽(74)专利代理机构长沙市融智专利事务所43114代理人杨萍(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)G06Q50/06(2012.01)权利要求书5页说明书8页附图4页(54)发明名称一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法及模型(57)摘要一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法及模型，包括以下步骤：1)建立水轮机调速器数学模型，包括：水轮机调速器模型即PID调节器模型和电液随动系统模型；2)建立水轮机数学模型；3)建立输水系统数学模型；具体包括以下步骤：将输水系统进行分段处理，以水轮机为界将整个输水系统分为有压输水系统和变顶高尾水系统两部分；分别进行有压输水系统建模和变顶高尾水系统建模；根据两部分数学模型，得到整个输水系统数学模型；4)联合步骤1)建立的水轮机调速器数学模型，步骤2)建立的水轮机数学模型及步骤3)建立的输水系统数学模型，得到整个变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型。本发明建立的模型计算量小，精确度高，稳定性好。CN105868497ACN105868497A权利要求书1/5页1.一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立水轮机调速器数学模型，包括：水轮机调速器模型即PID调节器模型和电液随动系统模型；2)建立水轮机数学模型；3)建立输水系统数学模型；具体包括以下步骤：3.1)将输水系统进行分段处理，以水轮机为界将整个输水系统分为有压输水系统和变顶高尾水系统两部分；3.2)进行有压输水系统建模；3.3)进行变顶高尾水系统建模；3.4)根据3.2)建立的有压输水系统模型和3.3)建立的变顶高尾水系统两部分数学模型，得到整个输水系统数学模型；4)联合步骤1)建立的水轮机调速器数学模型，步骤2)建立的水轮机数学模型及步骤3)建立的输水系统数学模型，得到整个变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型。2.根据权利要求1所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法，其特征在于，所述步骤3.2)中的有压输水系统建模包括有压引水系统建模和尾水管建模；有压引水系统，即上游水库至第一断面(1)采用简化的弹性水锤方法进行建模，模型方程如下式：其中Tr1为水击时间常数，单位为秒，即：L1为第一断面至进水口流道长度；c1为水锤波速，一般取1000m/s；Tw1为引水管道水流加速时间常数；hfr1为水轮机额定流量下引水系统的水头损失，Q10和H10分别是扰动前第一断面的流量和水头；Qr和Hr分别为水轮机的额定流量和额定水头；H1为第一断面水头，H10为扰动前第一断面水头，h1(s)为h1的拉普拉斯变换；Q1为第一断面流量，Q10为扰动前第一断面流量，q1(s)为q1的拉普拉斯变换；式(1)中s为拉普拉斯算子；尾水管段，即尾水管至闸门井流道，也就是水轮机至尾水闸门井第二断面(2)流道的模型方程为：2CN105868497A权利要求书2/5页其中HS为尾水管进口压力，HS0为扰动前尾水管进口压力；H2为第二断面水头，H20为扰动前第二断面水头；hf2为恒定流下尾水管至闸门井流道内的水头损失，单位为米；Q2为第二断面流量，Q20扰动前第二断面流量；为水轮机至第二断面流道水流加速时间常数，其中L2为水轮机至第二断面流道长度，A2为水轮机至第二断面流道断面面积，g为重力加速度，通常取29.81m/s；Q3为第三断面流量，Q30扰动前第三断面流量；Z2为闸门井水位，Z20为扰动前闸门井内水位；αT为流入闸门井内水体的阻抗损失系数，F为闸门井断面面积。3.根据权利要求2所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法，其特征在于，所述步骤3.3)中变顶高尾水系统采用“三区模型”进行建模，即将整个变顶高尾水系统分为有压满流区、明满流区和无压明流区，第二断面为尾水闸门井水平面，第三断面为有压满流区和明满流区分界面，第四断面为明满流分界面；对于有压满流区，采用刚性水击模型进行建模，得到第三断面(3)流量和压力的关系：式中：H3为第三断面水头，H30为扰动前第三断面水头；hf3为恒定流下有压满流区流道内的水头损失，单位为米；为第二断面至第三断面流道水流加速时间常数，L3为第二断面至第三断面流道长度，A3为第二断面至第三断面流道断面面积；对于明满流区，根据水流连续性定理得到第三断面(3)、第四断面(4)水压力与流量