水电站的水机电耦合研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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水电站的水机电耦合研究

项目名称：水电站的水机电耦合研究
项目类别：重点项目
批准号：50839003
申请代码：E0906
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2009-01-01-2012-12-31

项目负责人：张立翔
负责人职称：教授
依托单位：昆明理工大学
批准年度：2008

中文摘要：

以电力系统功率/频率扰动诱发的水电站水机电耦合响应为研究对象，按分区多极耦合的系统动力学建模思想，以混流式水轮机活动导叶在调速器控制下跟踪机电系统暂态过程产生的动态绕流(用Navier-Stokes方程描述)为原动，建立水机电耦合模型。在多系统耦合的框架下，研究分区混合并行的数值格式及计算方法，模拟导水机构双列叶栅动态绕流、输水系统水力暂态及涌浪、转轮叶道湍流及动静部件间隙流与机组电磁/机械暂态过程的耦联作用。分析电网功角稳定或低频振荡与水机电系统不同物理力学变量之间的多极耦合关系及其耦联的强度，揭示水机电系统耦合的机理，寻找电力系统不同扰动类型和调速器结构控制下影响系统稳定性的关键耦联关系，提出改善水轮机组和电力系统稳定性的措施和方法。通过模型试验，结合PIV流场测量和其他先进传感器技术测量获取的流动、振动等相关信息，分析活动导叶的动力响应并反馈仿真调速器控制律，检验理论结果的可靠性。

中文主题词：水机电耦合；水轮机模型；水轮机组稳定控制；流体-结构相互作用；水力机组振动

英文摘要：

water-machine-electricity coup；hydro-turbine model；hydraulic unit stable control；fluid-structure-interaction；hydro generating uint oscillat

英文主题词： water-machine-electricity coup；hydro-turbine model；hydraulic unit stable control；fluid-structure-interaction；hydro generating uint oscillat

结论摘要：

项目在水机电耦合建模理论及方法、内部关联机制及其相互作用机理、系统稳定性控制理论等方面进行了深入研究，完成了预定的研究内，取得了预期的研究成果。揭示了水机电系统内部耦联机制及其相互作用机理，解决了识别水机电系统内部耦联关系及强弱的判据问题，提出了有效减轻和抑制水力机组振动和维护系统稳定的控制技术。主要成果总结如下（1）构建了活动导叶调节动态与引水系统暂态及机组调节控制的动态耦联关系，建立了包括引水隧道、调压井、压力钢管、岔管在内的引水系统与水轮机系统动态耦联的理论和方法，实现了引水系统动态、多机组水轮机动态关联、调速控制系统的耦联分析。（2）提出了包括引水系统、调速控制系统在内的新型非线性水轮机模型，建立了描述管道耦合水击、水轮机系统、发电机系统、电力系统稳定器、自动电压调节系统、电网扰动等耦联关系的理论模型，实现了水电站单机或多机系统内部关联的数学描述，为研究各系统间关联的结构与阻尼特性、揭示水机电系统耦联动力学提供了新的理论方法。基于典型PID调速器结构，建立了电力系统小扰动与水力和控制系统的耦联关系，获得了控制律设计的解析表达式，设计了适合于水机电耦合的机组稳定控制器，提出了机组侧主动稳定控制理论和实现方法。（3）建立了混流式水轮机转轮、活动导叶流固耦合的建模理论和求解的方法，提出了一个描述水轮机湍流的动态亚格子应力模型，获得了翼型近壁区流动结构的分布及演化特性，揭示了来流及活动导叶调节动态绕流尾迹与转轮叶道湍流时空分布的关系及其演化的机理。实现了水轮机主要水力部件流固耦合动态与机电及控制系统的动态耦联。建立了腔体振荡流体动力学基于小参数扰动稳定性的定性理论和分析方法，揭示了腔体驱动流流动结构的演化机理。基于OpenFoam平台、C++及FORTRAN语言，编写了大量的程序代码，基本形成了相关问题的求解器。建设了先进的水机电耦合试验及HPC计算平台,完成了大量试验和计算。发表学术论文97篇，其中SCI收录19篇，EI收录65篇；由ELSEVIER出版会议文集一部（ISSN1877-7058）；申报发明专利7项，2项已获授权；获云南省自然科学奖励3项；与国内外同行进行了合作和广泛交流；在昆明主办国际学术会议2次，承办国际学术会议1次、国内学术会议1次；培养出站博士后人员2人，获博士学位研究生6人，硕士研究生12人。

成果综合统计