基于传递系数方法的贯流转桨式水轮机的仿真模型
赵铎,李啸骢
【摘 要】对于不同类型的水轮机而言，其仿真模型的建立是电力系统中的一类重要问题。对于最近几年得到比较大规模应用的贯流转桨式水轮机而言，从水力学的角度出发进行的研究已经足够，但是却缺乏比较系统的应用于电力系统能够使用的比较精确反应其运动特性的仿真模型。本文从水轮机最常用的仿真建模方法出发，写出了基于水轮机传递系数的仿真模型，利用这类模型来建立贯流转桨式水轮机和同步发电机的非线性控制理论构成的协联控制模型，并利用这种模型来进行仿真实验，验证模型的准确性。 【期刊名称】电气开关 【年(卷),期】2018(056)004 【总页数】5
【关键词】贯流式水轮机仿真模型；建模方法；非线性控制；水轮机导叶和桨叶协联控制；MATLAB仿真
基金项目：国家自然科学基金项目(51267001)；广西自然科学项目(2014GXNSFAA118338)；广西科学研究与技术开发计划项目(1412206-29)；南宁市科学研究与技术开发计划项目(20165186)
1 引言
贯流式水轮机是近几年新发展起来的一类水轮机，是一种低水头、大流量、高比速的水轮机[1]。贯流式水轮机由于基本没有设置水流转弯的流道，从流道进口到尾水管出口，水流几乎呈直线流动的形式，水流动能的损失很小，水力的效率很高。贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同，但是对于贯流式水
轮机而言其结构上与轴流式水轮机依然有很多相似的地方，例如，贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机的相同，因此从水力机械的角度来看，其装置的过渡过程与轴流式水轮机有许多相近之处[1]。
贯流式水轮机在国内外的发展与应用非常迅速，国外25米水头以下的水头开发，贯流式水轮机已经基本上取代了轴流式水轮机。贯流式机组在1960年代至1990年代发展最为迅猛，这一时期投入运行的贯流机组，最大单机容量达到了65.8Mw(灯泡贯流，日本只见)，最大水轮机直径8.2米(竖井贯流，美国墨累)，最高工作水头达到22.45米(灯泡贯流，日本新乡第二)[2]。
国内从1960年代开始研究贯流式水轮机，1983年湖南马迹塘水电站和1984年广东白垢电站的建成标志着国内具有研制大容量的贯流式水轮机的能力。在最近的几十年里，国内的贯流式水轮机的技术水平得到了长足的发展，通过引进设备，合作生产和自行研发，国内建成了安装有大型贯流式水轮机的水电站数十座，如王甫洲、长洲、洪江等。
贯流式机组的结构特征决定了他的过渡过程具有许多不同于常规机组的特点： (1)相比于其他类型的水轮机，贯流式水轮机机组飞轮力矩偏小，转子的惯性常数值仅为1～2s，水体附加惯性所占比重大，相比于立式发电机组的惯性系数7～10s，导致了其甩负荷时升速极快，甩负荷过程极短。
(2)由于水头低、流量大，贯流式水轮机装置中的引水系统具有相当大的水流惯性常数，这也导致了水击效应中的压力相对值也很大，且在上游也容易引起浪涌。如果甩负荷时导叶关闭过快，尾水管进口的水压降低的值将很大，甚至可能引起断流反水击效应。
(3)水轮机的转轮前面压力较立轴式的要小，转轮后部压力差别很小。
由于以上的这些特点，贯流式水轮机的机组动态附加载荷很大，其甩负荷过渡过程的控制十分重要。
对于现有的电力系统的相关研究而言，在不同类型水轮机的研究深度上面是很不平衡的，对于传统类型的一些水轮机研究的比较深入。例如，对混流式水轮机的研究最为全面，由于使用的时间很长，因此其特性曲线比较完整，对不同直径和功率的机组的传递系数有着很全面的了解。相比较而言，对于轴流式水轮机的研究要比混流式水轮机的研究要晚上许多，但是随着轴流式水轮机的使用，对于电力系统而言，轴流式水轮机的仿真模型也有了深入研究，例如文献[3]中对轴流转浆式水轮机的仿真模型的建立就有了比较深入的介绍。但是对于贯流式水轮机而言，却一直缺少介绍贯流式水轮机仿真模型的相关论文，本文力图从贯流式水轮机的仿真模型的建立来入手，介绍一种利用传递系数来建立仿真模型的方法，建立一种可以用于水轮机小波动仿真的模型，对双控制型的水轮机模型采用导叶和桨叶协联控制。然后与二阶发电机模型构成一个完整的原动机-发电机系统，利用多指标非线性控制方法，形成一个协调控制的控制律。进行三相短路扰动的仿真比较这种非线性控制方法和PID控制方法，来验证水轮机模型的正确性。
2 贯流转桨式水轮机的数学模型
虽然现代流体力学的发展使得研究水力机械时，已经可以利用相关的解析方法来描述水轮机的运动形式，但是对于水轮机而言目前仍然主要依靠模型试验方法来定量描述水轮机的工作特性[2]。同时，应当指出的是这些特性曲线描述的是水轮机的稳态工况，当水轮机的角速度变化量较小时，一般取其为额定值，这时其标幺值为1。理论计算的误差与实测结果差别不大，说明在分析时采用
基于传递系数方法的贯流转桨式水轮机的仿真模型
