抽水蓄能电站水力过渡过程调节控制研究

摘要

抽水蓄能电站自问世以来已有百余年历史，随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高，电力系统日负荷峰谷差越来越大。抽水蓄能电站调峰填谷、调频调相及提高电网供电质量和电网灵活性及可靠性等优点越趋明显，其发展已进入一个新阶段。近年来世界抽水蓄能电站容量以10％以上的年增长率增加，机组趋向高水头、大容量。为了提高电站设计水平、降低工程投资和确保电站安全、高效运行并充分发挥工程效益，需要对抽水蓄能电站过渡过程特性进行分析和研究，找出合理可靠的过渡过程控制方法。由于对水力-机组系统过渡过程调节控制问题的研究目前还处于初级阶段，特别是对整体不可控复杂水力系统的调节控制反问题的研究目前尚处于起步阶段，因而该问题的解决对抽水蓄能电站安全、可靠及灵活性有着重要的意义。 本文应用有压非恒定流基本理论和阀调节基本原理研究抽水蓄能电站过渡过程特性及调节控制问题，给出了限定时间和限定最大压强调节控制反问题一般数学提法，针对抽水蓄能电站复杂水力系统和水泵水轮机特性条件，系统研究了限时和限压两类调节控制反问题，提出了一般水力系统阀调节数学模型，并针对带调压室的整体不可控系统，在阀调节基本原理的基础上，提出了多种过渡过程状态下的调节控制数学模型及求解方法，建立了系统的数值计算方法并进行实例计算分析，取得了满意的结果。本文研究的主要内容包括： 1.综述了国内外抽水蓄能技术的发展现状和可逆机组过渡过程特性及调节控制研究进展，给出了水力—机组系统过渡过程规定时间和限定压强调节控制反问题一般数学提法，分析了过渡过程反问题的求解方法，详述了阀调节理论及其应用，对水力机组过渡过程导叶运动规律优化问题及可逆机组全特性曲线处理方法进行了论述和探讨。 2.以阀调节理论为基础首次将阀调节方法应用于水力-机组系统过渡过程提出了针对抽水蓄能电站复杂水力系统阀调节方法数学模型及求解方法，给出了多种过渡过程条件下调节控制应用程序，并进行数值计算，对计算结果和调节规律进行了分析比较。同时，针对抽水蓄能电站带调压室的复杂系统，提出了系统整体不可控条件下水力—机组过渡过程调节控制方法、数学模型及其求解方法，解决了阀调节方法不适用整体不可控系统的缺陷，为抽水蓄能电站过渡过程调节控制提供了一种有效数值计算方法。 3.在抽水蓄能电站过渡过程特性及调节控制研究过程中，对水泵水轮机全特性曲线的处理是一项十分重要的环节。现有的处理方法在过渡过程计算过程中存在一些缺陷。本文在充分研究和全面分析各种全特性处理方法的基础上，提出了全特性曲线的三维曲面处理方法及曲面分层拟合法，并经实例计算验证。4.应用本文提出的抽水蓄能电站过渡过程调节控制方法，以宜兴抽水蓄能电站机组及管路系统为实例，分别采用限时调节和限压调节控制方法，对电站系统发电工况条件下的正常负荷变化和甩负荷过渡过程及水泵工况过渡过程进行调节控制数值计算，得出相应机组流量和水头变化规律，由此得出导叶运行规律及转速变化规律，并对数值计算结果和按常规调节方法所得结果进行分析和讨论。 5.水力机械过渡过程特性及调节控制研究涉及到许多理论和实际应用问题，其中有些问题特别是针对整体不可控系统的过度过程反问题，目前的研究还处于初始阶段，其理论体系还有待进一步补充和完善，其应用范围有待进一步拓宽，为此，本文针对抽水蓄能电站过渡过程特性及调节控制研究进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

前言

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第一章绪论

1.1国内外抽水蓄能技术发展现状和趋势

1.1.1国内外抽水蓄能电站建设现状

1.1.2抽水蓄能技术发展趋势

1.2过渡过程特性研究概况及现状分析

1.2.1研究目的及研究进展

1.2.2可逆式机组过渡过程研究概况及分析

1.2.3可逆机组全特性曲线处理方法

1.3过渡过程反问题研究

1.3.1问题的提出

1.3.2过渡过程反问题类型

1.3.3过渡过程反问题求解方法

1.3.4水力机组导叶运行规律的优化

1.3.5抽水蓄能电站过渡过程调节控制方法

1.4论文研究的主要内容

1.5本章小结

第二章水力-机组过渡过程调节控制数学模型

2.1无调压室水力-机组系统阀调节数学模型

2.1.1数学模型及其求解

2.1.2算例及分析

2.2一洞两机水力-机组系统阀调节方法

2.3整体不可控水力-机组系统过渡过程调节控制数学模型

2.3.1上游带调压室的单机组水力-机组系统

2.3.2上、下游均带调压室的单机组水力-机组系统

2.4上、下游均带调压室的复杂水力-机组系统

2.4.1调压室位于水库与分叉点之间水力-机组系统

2.4.2上游调压室位于分叉点处水力-机组系统

2.5时间步长调整及过渡过程反问题工况

2.5.1时间步长处理及瞬变区间变化

2.5.2机组转速变化规律

2.6本章小结

第三章可逆式水泵水轮机全特性曲线处理方法

3.1 Suter转换曲线及其改进方法

3.2全特性曲线三维曲面处理方法

3.2.1 WH(x，y)和WH(x，y)的矩形域曲面拟合数学模型

3.2.2全特性曲线拟合计算

3.3全特性曲线曲面分层拟合法

3.4本章小结

第四章抽水蓄能电站过渡过程调节控制应用实例

4.1调节控制类型和计算工况

4.1.1可逆机组限时调节控制

4.1.2可逆机组限压调节控制

4.1.3水泵水轮机过渡过程调节控制计算工况

4.1.4抽水蓄能电站水力系统简化

4.2发电工况调节控制计算实例

4.2.1基本资料及参数计算

4.2.2计算结果及分析

4.3水泵工况调节控制计算实例

4.3.1计算条件假定

4.3.2计算结果及分析

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主持和参加的主要科研项目

攻读博士学位期间发表的论文