哈密顿理论体系下水力发电系统稳定性研究

摘要

水力发电系统是由引水管道，水轮机，发电机，调速器和电力负荷五个子系统构成的典型能量交换与产生以及耗散的混杂系统。其稳定性与各子系统的动态特性直接相关，又不完全依赖于各子系统的独立行为，从能量层面可以概括为系统内部产生的能量与耗散，以及系统与外部环境能量交换之间的不平衡。因此，引入广义哈密顿系统理论，分别建立水力发电系统内部轴系统、外部水轮机调节系统和内外耦联系统广义哈密顿动力学模型，从能量角度分析水力发电系统动态特性及稳定性。本论文的主要内容包括以下几方面： （1）水力发电机组轴系哈密顿建模与动力学特性分析。以水轮发电机组转子与转轮为核心，定义广义坐标，构建主轴系统能量函数，推导广义动量建立轴系一阶微分运动方程。将附加外力作为输入激励组成机组轴系广义哈密顿理论模型。运用数值分析方法，结合实例探究在考虑不平衡磁拉力及水力不平衡力作用下，机组转速、阻尼系数等参数变化时转子与转轮系统动力学响应，以及主轴系统轴心轨迹与时、频域特性。分析结果表明，阻尼是影响系统稳定性的重要因素之一；阻尼系数较小时（0

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主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 研究意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水力发电系统建模及稳定性

1.2.2 广义哈密顿理论及其应用

1.3 研究目标及内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法

1.3.4 技术路线

第二章 水力发电机组轴系哈密顿建模与动力学特性分析

2.1.1 主轴运动方程

2.1.2 不平衡电磁拉力模型

2.1.3 水力不平衡力

2.1.4 阻尼力

2.1.5 机组轴系广义哈密顿模型

2.2 水力发电机组轴系动态特性分析

2.2.1 转速对主轴系统的动力学特性影响

2.2.2 质量偏心对主轴系统的动力学特性影响

2.2.3 阻尼对主轴系统的动力学特性影响

2.2.4 模型对比及实验验证

2.3 本章小结

第三章 水轮机调节系统哈密顿建模与突减负荷动态特性分析

3.1 水力发电系统数学模型

3.1.1 突减负荷过渡过程动态传递系数

3.1.2 刚性水击压力管道模型

3.1.3 液压伺服系统模型

3.2 水力发电机组哈密顿建模

3.2.1 水轮机及其引水系统哈密顿建模

3.2.2 能量流分析

3.2.3 反馈耗散实现

3.2.4 与发电机的连接

3.3 突减负荷工况下水力发电机组动态特性分析

3.3.1 突减负荷暂态哈密顿模型能量特性

3.3.2 突减负荷机组运行参数特性

3.3.3 机组运行参数对系统影响规律

3.4 本章小结

第四章 水力发电系统内外耦联哈密顿建模及其动态特性

4.1 水力发电机组轴系一阶微分运动方程模型

4.2 非线性水轮机广义哈密顿模型

4.3 模型连接

4.4 数值模拟

4.4.1 开机动态特性分析

4.4.2 能量流分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 主要创新点

5.3 存在不足与今后努力方向

参考文献

致谢

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