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[硕士论文] 罗宏伟
计算数学 兰州交通大学 2017(学位年度)
摘要:水轮机调节系统由水力、电气和机械模块构成,作为经典的非线性动力系统,具有丰富的动力学特性,其结构和控制过程比较复杂,水轮机调节系统的稳定运行直接决定了整个水电机组安全稳定,因此,优化水轮机调节系统的算法,使用新材料、新技术对保障电力系统频率稳定和提高水电机组系统稳定是近年来研究的热点,具有十分重要的现实意义。
  本文基于不同的实际需求,建立了三个不同的水轮机调节系统模型,并以此为研究点,根据非线性动力学的基本理论和科学分析方法,如Hopf分岔理论、中心流形定理、Routh-Hurwitz判据、数值模拟等,重点分析了参数对系统稳定性和Hopf分岔的影响,论文的主要内容如下:
  1.简要介绍了水轮机调节系统发展过程和国内外研究现状,提出了我们选题的目的和意义,给出了稳定性、高维Hopf分岔、中心流形、数值仿真等定义和理论。
  2.对于槽渠供应水电站进行分析,在忽略引水管道系统弹性作用下,假设引水管道较短,使用刚性模型构建了六维直管缓冲槽水轮机调节系统的状态方程,通过理论和数值模拟方法研究了该系统的非线性动力学特性。
  3.考虑一个四维的单机单管水轮机调节系统,由于系统引水环节有粘性介质的存在,而且在时间、空间上有记忆性和非局部性,所以引入了分数阶微积分的理论分析该模型,基于分数阶微积分的定义和数值解法,得到了一个正的有限Lyapunov函数,利用Galois群理论,对系统稳定性进行了分析。
  4.构建了一个速度控制存在延迟和液压私服系统相位延迟的PI型水轮机调节系统模型,将该系统中的双时滞项分了四类情况,分别研究了系统的稳定性和Hopf分岔,并给出确定分支周期解的稳定性和Hopf分岔方向的三个参数,最后通过系统时间响应图、相轨迹等数值模拟方法分析了系统的动力学行为。
[硕士论文] 龚彪
电力系统及其自动化 广西大学 2017(学位年度)
摘要:现代电力系统的飞速发展为日益增长的电能需要提供了保障,各种新能源(如:风能、太阳能等)发电被接入电力系统中。由于新能源具有间歇、分散、波动等不稳定性,给电力工作者带来了许多难题和挑战。因此,提高电力系统稳定性和改善电能质量就显得尤为重要。超级电容储能制动装置(Super Capacitor energy storage Brake Device,SCBD)作为一种新型的储能制动装置,不仅能在故障后快速投入实现电气制动,提高系统的暂态稳定性和线路的功率传输能力,还可以提供一定的功率支撑,以维持电网的稳定运行,改善电力系统的动、静态性能和电能质量。研究SCBD的控制策略,SCBD与电网其它装置间的协调控制,以提高电力系统的稳定运行水平,使目标量具有良好的动、静态性能,具有重要的实际意义。基于非线性微分代数的电力系统模型能将多种装置的模型结合起来,便于研究SCBD与其它装置间的协调控制具有工程实用价值。本文基于微分代数模型,研究SCBD与水轮机的非线性协调控制策略问题,主要完成以下两点工作:
  (1)针对SCBD的结构电路图,本文推导了SCBD的数学模型并论证了其四象限的运行能力。然后建立了单机SCBD的非线性微分代数模型,采用微分代数模型多指标非线性控制(Differential Algebraic model Multi-indexNonlinear Control,DAMNC)的方法来进行单机SCBD控制器的设计,以此来论证SCBD独立控制时的电气制动效果,对电力系统暂态稳定性和动、静态性能的影响。
  (2)以水轮机励磁系统为切入点,研究SCBD与水轮机励磁系统间的协调控制,针对水轮机励磁系统与SCBD的非线性微分代数模型,采用DAMNC的方法进行SCBD协调控制器的设计,并借助Hartman-Grobman定理,采用近似线性化后闭环系统的极点位置来配置合适的参数矩阵C、K使被控系统的动、静态性能得到很好的协调,趋于渐进稳定状态。仿真结果说明:DAMNC方法设计的控制器能够更好地惩戒系统的动、静态性能,对目标量实现精准控制,增强了其抗干扰的能力;SCBD不仅很好地抑制了系统的阻尼振荡,提高系统的静、暂态稳定性,还改善了电能质量。
[硕士论文] 闫雪纯
水利工程 河北工程大学 2017(学位年度)
摘要:研究发现,长短叶片混流式水轮机在提高高水头水轮机工作性能方面具有明显优势,为了更广泛地推广应用这种新型水轮机有必要对其进行更全面深入的研究,本文以某型长短叶片水轮机为研究对象,采用数值模拟技术对其不同运行工况进行了全流道计算,并根据计算结果分析了该水轮机的能量特性、空化特性和力学特性。
  本研究主要内容包括:⑴利用SolidWorks,bladegen等软件建立了水轮机全流道三维模型,利用icem,turbogrid等软件进行了网格划分,将网格模型导入cfx进行参数设置并计算。⑵分析了水轮机典型工况下各过流部件的流场压力分布和流速分布情况,能量损失情况,发现中流量工况下流态最好,水力损失最小,能量特性最好,其它工况能量特性较差。对比了长短叶片转轮和常规叶片(仅长叶片)转轮的内部流动情况和压力分布情况,发现两种水轮机能量特性相近。⑶分析了该型水轮机转轮的翼型压力分布和水流流动状态,发现小流量工况下叶片头部易发生空化,中流量工况和大流量工况下叶片出口更易发生空化。与常规转轮进行了对比,发现长短叶片转轮空化性能优于常规(仅长叶片)转轮,这对以后提高转轮空化性能的改型研究有一定帮助。根据尾水管内的涡带产生情况预测了尾水管内的空化,在小流量工况和大流量工况更容易发生空腔空化,中流量工况下不易发生空腔空化。⑷采用双向流固耦合的方法计算分析了各个工况下水轮机转轮的应力和应变分布情况,几种工况下转轮的最大应力处均出现在转轮叶片的出水边与上冠衔接处。
[硕士论文] 王亮
机械工程 重庆理工大学 2017(学位年度)
摘要:开发和利用低水头及超低水头的水力资源,中小型灯泡贯流式水轮发电机组是最佳的机组型式。由于中小型灯泡贯流式水轮发电机组受制于安装空间和结构形式,相较于其它类型的水力发电机,随着单机容量的不断提高,其结构更紧凑,通风散热条件更差,各部件温升更高,严重影响发电机的正常使用寿命和运行的可靠性。因此,在发电机设计、制造过程中,需要准确计算和分析发电机的温度场分布。然而,以往在计算发电机热源损耗及其内部温度时主要依靠传统公式和设计经验,无法准确描述发电机内温度场分布。本研究以某一型号中小型灯泡贯流式水轮发电机为研究对象,利用数值模拟方法,从热源损耗、多物理耦合场和通风散热结构优化的角度对发电机温度场展开了计算和分析。
  首先,根据发电机基本结构尺寸生成二维几何模型;建立了二维电磁场有限元分析模型并确定了发电机试验工况和额定工况下的励磁参数和边界条件;利用有限元法分别计算了发电机定子原结构和两种改造结构的时均铁耗分布。
  其次,根据传热学、计算流体动力学以及多物理场耦合理论,建立了发电机热流耦合温度场数值计算三维模型;以电磁场有限元计算得到的定子时均铁耗以及UDF编程得到定转子铜耗为热源,计算了发电机在试验工况下的温度场;结合现场实测数据,验证了所施加边界条件的准确性;对额定工况下发电机的温度场进行了计算分析并讨论了入口冷却风速大小和定子有无轭部通风孔对发电机各部件温升的影响;对发电机定子通风散热结构提出了增设齿部通风槽、增大定子线圈截面、适当减少定子轭部通风孔的优化改进措施并分别进行了数值计算和数据对比分析。
  最后,基于优化设计理论,运用DOE实验设计方法对发电机定子通风散热结构参数(定子轭部通风孔、定子齿部通风槽的大小、位置共四个参数)进行了优化设计;最终获得了定子通风散热的结构最优参数,进一步降低了定子线圈最高温升。
  论文通过对发电机热流耦合温度场的研究,旨在利用有限元数值计算方法得到发电机内部的温度场分布,提高研发能力。数值计算结果与实际测量结果的对比数据表明,利用热流耦合数值计算方法得到的发电机定转子温度场具有一定准确性和真实性,能够为实际工程应用提供设计依据。
[硕士论文] 贾瑞
机械工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着人类社会不断发展,煤炭、石油等化石燃料的消耗日益剧增,引发的能源与环境问题愈发严重,人类社会的发展对清洁的可再生能源的需求越来越迫切。波浪能作为蕴藏丰富、能量巨大的清洁能源越来越成为各国的研究重点。海浪波动的随机性,台风、海啸等恶劣海洋环境等因素,使得波浪能转换装置的科学性、生存性、经济性直接影响到装置的效率和成本,也决定了装置技术的成败。
  本课题所研究的横轴转子水轮机波浪发电装置主要由双击式水轮机转子和水体流道组成。水体在波浪力的作用下在流道内往复流动,推动水轮机单向转动,从而对外输出扭矩。本文采用理论分析、数值模拟和物理模型试验等手段,研究了横轴转子水轮机波浪发电装置水动力学特性。
  首先,本文介绍波浪能转换装置发展概况,对各种装置的优缺点做简要介绍,介绍横轴转子波浪发电装置研究进展,并在此基础上提出本文的研究内容。
  其次,将流道中的水体类比弹簧的质量,将弹簧模型的恢复力视为水体所受的重力,应用流体的连续性方程建立横轴转子水轮机波浪发电装置水体振荡数学模型,得出流道内水体振荡频率的计算公式,提出了宽频带波能捕获理论假设,分析频率与流道出口面板倾斜角度的影响规律。
  然后,对叶片进行受力分析,在ICEM CFD软件中划分流体域和转子域,在Fluent软件中采用VOF方法,设置滑移网格并选择湍流模型,编写UDF,在仿真过程中输出转子转速与扭矩,以叶轮所受转矩大小和叶轮转速作为评价水平轴波浪发电装置性能的标准。在研究过程中根据不同叶片数目、类型、直径和不同叶轮结构,设计了多种叶片和不同叶轮结构,并运用Fluent软件进行数值模拟,并对结果进行分析。
  最后,选择测量装置,制作试验模型,在造波水槽中进行试验,对第二章提出的假设进行验证,分析不同的出口流道倾斜角度对装置捕能性能的影响。
[硕士论文] 周瑞
水利水电工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:水电作为第一大清洁能源,提供了全世界五分之一的电力能源,在改善电网系统调峰调频,维护电网频率电压稳定以及平衡电网负荷需求有重要作用。水力发电机组作为水电站核心设备,是一集水力、机械、电气为一体的复杂非线性系统,其运行状态直接关系到水电站乃至电力系统安全、高效、稳定运行。针对水轮机调节系统复杂非线性特性,其外部环境扰动多样性及其内部动力学特性不确定性等因素影响,传统线性PID控制因忽略水轮机调节系统非线性本质,难以满足其高控制要求,获得令人满意的控制效果。预测控制具有对模型精度要求低、包容性强,对线性和非线性系统都有良好适用性等优点,解决了传统线性PID控制难以解决的非线性控制问题。为此,我们将模型预测控制理论引入非线性水轮机调节系统控制,设计水轮机调节系统预测控制器,并通过离散李雅普诺夫(Lyapunov)函数证明系统稳定性,利用模型预测、滚动优化和反馈校正实现了对非线性水轮机调节系统的高效控制。此外,我们详细讨论了控制系统中不确定性系统变量对系统控制性能的影响;进一步,我们系统分析了控制系统在扰动、模型失配等非正常运行情形下控制性能,验证水轮机调节系统模型预测控制器具有良好鲁棒性。最后,与传统PID控制对比,突出设计控制器巨大的控制性能优越性。
  针对已提出的非线性水轮机调节系统,我们提出一种基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型的非线性模型预测控制方法。首先,采用T-S模糊模型建模方法离线建立离散高精度水轮机调节系统非线性模糊模型,且给出具体模糊模型系统参数;进一步,基于建立的水轮机调节系统非线性模糊模型进行在线模型预测控制,从而实现水轮机调节系统非线性模糊模型预测控制,并利用李雅普诺夫稳定性理论分析了非线性水轮机调节系统模糊模型预测控制系统稳定性。此外,针对建立的水轮机调节系统T-S模糊模型,我们设计了非线性模糊PID控制器。最后,非线性模糊模型预测控制器与非线性模糊PID控制器以及模型预测控制器对比分析,突出非线性模糊模型预测控制器优良控制效果。
  针对模型预测控制在线计算量大、理论算法复杂、实时性欠佳等制约,我们尝试将水轮机调节系统非线性模糊建模与预测函数控制相结合,设计非线性水轮机调节系统模糊预测函数控制器;为了验证所设计控制器鲁棒性,我们探究了水轮机调节系统在模型失配和无模型失配条件下,系统存在扰动和响应约束条件下的控制性能,结果表明非线性模糊预测函数控制器具有良好鲁棒性;最后,非线性模糊预测函数控制方法与PID控制方法对比分析,充分说明非线性模糊预测函数控制方法在水轮机调节系统中控制性能更优越。
  基于设计的预测控制器,从水轮机调节系统过渡过程品质(超调量、过渡时间、振荡次数、衰减比等)及计算机性能要求等方面,探究最优水轮机调节系统预测控制方法理论。
[硕士论文] 王菲菲
水力学及河流动力学 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:水轮机调节系统由压力引水管道、水轮发电机机组、液压调速系统和发电机端口侧电力负荷组成,是一个集水机电磁为一体的非线性控制系统。生产实践表明,液压随动系统具有时延性,水轮机传递系数随机组工况变化表现时变性,并且发电机端口侧电力负荷存在随机扰动。上述因素的存在不仅威胁着水轮机调节系统的稳定可靠运行,而且难以保证电网系统的供电质量。鉴于此,非常有必要对系统的不稳定性因素进行考虑来建立系统的非线性数学模型,进而探究系统保持稳定运行的充分条件。本毕业论文通过将时滞引入液压随动系统、将分数阶微积分非线性理论引入压力引水管道系统,建立了一个较符合工程实际的水轮机调节系统非线性动力学模型。此外,研究了一类时滞分数阶非线性系统解的存在性和唯一性定理、系统有限时间稳定和渐进稳定的充分条件。
  论文主要内容和结论如下:
  (1)研究系统稳定性的最基本条件是要保证系统解的存在性和唯一性。将水轮机调节系统数学模型归纳为一类时滞分数阶非线性系统,利用分数阶微积分性质和广义Gronwall不等式,给出该类系统解存在的充分必要条件以及系统存在唯一解的充分条件,并推导系统解的预估计值。
  (2)运用拉普拉斯变换、Mittag-Leffler函数及其性质,给出时滞分数阶非线性系统满足有限时间稳定的充分条件,即当系统满足该条件时,不论系统初始状态如何,该系统总能在有限时间内趋于稳定状态。通过数值仿真,验证所得稳定性理论的有效性。
  (3)研究一类离散时滞分数阶非线性系统满足渐进稳定的充分条件,并将其与已有的稳定性理论进行比较,得出本定理的优越性;进而,给定两个三维混沌非线性系统,应用本定理使其满足渐近稳定条件,验证所推理论。
  (4)在压力引水管道为复杂管系情况下,将分数阶微积分理论引入压力引水管道系统,建立分数阶复杂管系混流式水轮机调节系统的非线性数学模型。利用分数阶非线性系统稳定性定理,我们给出随分数阶阶次变化时系统分岔点的变化规律;同时,详尽分析系统稳定域随分数阶阶次的变化情况。通过分数阶分岔图、时域图、相轨迹图、庞加莱映射图、功率谱图以及频谱图,系统地分析不同阶次下系统的具体动力学行为,从而得出机组振动情况。
  (5)考虑到液压随动系统主配压阀死区造成接力器静止不动,以及接力器活塞速度响应滞后等因素,将时滞引入液压随动系统,建立时滞分数阶非线性动态模型。进而利用改进的ABM(Admas-Bashforth-Moulton)算法,基于MATLAB进行数值仿真,结合统计物理学原理,研究系统在时滞和分数阶共同作用下的稳定域变化趋势。
  本论文虽然对水轮机调节系统的稳定性特征进行了一定研究,也给出了一类离散时滞分数阶非线性系统的有限时间稳定性定理和渐近稳定性定理,但将该定理应用在水轮机调节系统中以控制系统的动态特征使其保持稳定尚需继续研究。
[硕士论文] 王壘
水利工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:抽水蓄能电站可将电网负荷较低时的多余电能,转化为电网高峰期的高价值电能,同时还具有调频调相和事故备用等多种功能,亦可提高风电、火电和核电的利用效率,在电力系统中发挥着越来越重要的作用。水泵水轮机调节系统作为抽水蓄能电站的核心,研究其运行稳定性对维持电站安全、稳定和经济运行具有重要作用。以往对抽水蓄能机组的研究主要集中于水泵水轮机,很少将其纳入整个调节系统的框架下,也无法揭示其深入的动力学演化机理。本文从系统工程学角度出发,对调节系统稳态和两种典型暂态过程进行了微分数学建模和稳定性分析,借助分岔图、时域图和相轨迹图进行数值模拟,验证了理论结果的正确性。
  论文的主要研究内容及结论如下:
  (1)考虑压力管道水力摩阻和弹性水击效应,建立了水泵水轮机调节系统的稳态模型;推导出泵工况下传递系数的表达式,结合潘家口抽水蓄能电站的系统参数,计算出泵额定工况下传递系数值;运用稳定性定理,借助MATLAB工具计算出系统PID调节参数的稳定域,通过数值模拟验证了所得结果的正确性;对比分析了有无水力摩阻对系统稳定域的影响,结果表明:水力摩阻对维持系统稳定运行是有利的,同时,研究并给出几种参数取值不同时稳定域的变化规律;最后对比分析了水轮机和水泵工况下的稳定域范围,结果显示,前者的调节参数稳定域通常较后者要小。
  (2)结合实际抽水蓄能电站泵工况断电的运行曲线,截取若干时间点计算出相应的传递系数的值,得到传递系数随时间变化的表达式,从而获得调节系统泵工况断电暂态过程的动态数学模型,通过数值模拟分析了不同时间点系统的稳定性,结果表明导叶关闭速率对调节系统的稳定性具有重要影响。其次,做出稳定域随时间变化的三维图和二维图,结果显示:在该暂态过程中,稳定域随着时间的增加先减小后增大。并得到了稳定域范围最小的时刻,即最不利时间点。
  (3)针对上游有调压室的水泵水轮机调节系统甩负荷导叶拒动暂态过程建立了微分数学模型,然后推导出水泵水轮机的飞逸稳定性条件,其特性曲线在飞逸工况点处的斜率是决定飞逸稳定性的重要因素。最后,结合模型全特性曲线,得到水轮机、水轮机制动和反水泵三种工况下系统关于相对转速的动态模型,通过分岔图研究了系统反“S”区的稳定性,结果表明:稳定运行区主要集中在水轮机和反水泵工况,不稳定区主要集中在制动工况。
[硕士论文] 刘进杨
水利工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国电力系统的快速发展,能源调整不断向稳定高效发展。抽水蓄能电站在电网中承担调峰填谷的作用,具有很强的灵活性和储能性,其作用在改善电网质量上具有显著的影响,所以近年来发展迅速。在抽水蓄能电站的运行过程中,水泵水轮机调节系统是抽水蓄能电站的核心部分,其运行的安全稳定性对电站运行过程有重要影响。尤其是在大波动过渡过程中,机组变化剧烈,水流流态复杂,对机组运行的稳定性影响剧烈,所以本文从系统科学的角度揭示水力机组过渡过程的非线性动力行为,从而探究抽水蓄能电站大波动过渡过程的本质,进而对电站的安全稳定运行提供理论依据。
  本文的研究对象为混流式水泵水轮机调节系统,基于实测抽水蓄能电站运行数据,拟合全特性曲线,并利用外特性方法计算动态传递系数,由传递系数的变化来展现水泵水轮机组在运行过程中的各种特性,从而建立一套基于实际数据的水泵水轮机数学模型,来反映系统的非线性动力学特征。总结整个研究过程,主要内容包括以下几个方面:
  (1)利用外特性方法从实测数据中获得动态传递系数拟合曲线,并将传递系数引入到水泵水轮机调节系统建模过程中,针对水泵水轮机甩负荷工况试验,建立突甩负荷时的非线性数学模型,在PID调速器控制下,进行参数调节,将以往kp,ki和kd的单一化调节过程扩展到三者相互影响下的调节关系,由此得出水泵水轮机组运行的最佳参数组合域,并利用MATLAB软件具体分析每一参数的影响。
  (2)研究了水泵工况转换为水轮机工况中的开机并网段,对并网过程进行了深入分析。求解了整个并网过程的动态传递系数,将以往一点的工况扩展到整个过渡过程的工况分析,由此建立可以描述整个并网过渡过程的数学模型,仿真结果合理的显现了机组运行稳定性伴随着导叶开度变化的特性。此外,将哈密顿控制理论引入水泵水轮机调节系统中,并对开机并网过程中的参数进行控制分析,通过数值模拟计算,得到功角在开机过程中随导叶开度的变化规律,同时也验证了哈密顿理论对发电机系统参数镇定的作用。
  (3)针对水泵水轮机在开机并网时刻机组运行容易进入反水泵工况,从而导致开机并网失败的特点,将分数阶理论引入水泵水轮机调节系统,探究分数阶建模对导叶开度变化和对机组转速的影响,通过数值仿真计算,在理论上揭示了分数阶理论在实现快速开机的过程中具有指导意义。
[硕士论文] 张智旺
水利工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:水轮机调节系统是集水力激励、机械系统、电力负荷以及控制系统为一体的系统。在水电站实际运行时,水轮机调节系统各部分相互耦合,相互影响,因此该系统实质为一个复杂的非线性时变系统。而由于传统控制方法的局限性使得水轮机调节系统控制难以有良好的控制品质。另外,随着水电能源被大力开发,水电站规模越来越大,水力机械机组容量也不断提升,若控制方法不能快速有效的控制系统使之稳定,那么这将会影响电力系统的稳定,甚至严重影响水电站的安全运行。综合上述原因,研究水轮机调节系统新的先进性控制方法非常有必要。本论文分析讨论了六维非线性水轮机调节系统的三种预测控制算法。论文主要研究内容如下:
  (1)针对水轮机调节系统非线性特性,建立水轮机调节系统精确Taksgi-Sugeno(T-S)模糊模型,基于上述水轮机调节系统T-S模糊模型提出非线性水轮机调节系统T-S动态矩阵控制方法(T-S-DMC),结合Lyapunov稳定性定理,证明方法的有效性。考虑水轮机调节系统在实际运行中受扰动影响,研究该控制方法的抗干扰能力;考虑在生产实践中,水轮发电系统需要跟踪某一状态,讨论水轮机调节系统在该控制器作用下对某一指定状态的跟踪性能;进一步与传统PID控制方法比较,突出水轮机调节系统模糊动态矩阵控制算法良好鲁棒性、快速性与优越性。
  (2)考虑传统PID控制方法对水轮机调节系统这种复杂非线性、时变、强耦合系统控制效果不理想,而动态矩阵控制(dynamic matrix control,DMC)算法能够较好的控制时变、强耦合系统。因此结合DMC算法的优势与传统PID控制器参数少、结构简单、易于实施的特点,提出一种适合于本文中六维非线性水轮机调节系统的动态矩阵PID(DMC-PID)控制方法,并通过数值实验验证新控制方法的控制效果,进一步讨论该控制方法的抗干扰能力、跟踪性能等控制品质。另外,将所提出的DMC-PID控制算法拓展到一类一阶纯滞后惯性系统,讨论该控制算法对其控制的有效性,并与传统PID控制方法对比,分析讨论两种控制方法对水轮机调节系统控制效果的优劣。
  (3)研究适用于水轮机调节系统的模型算法控制(model algorithmic control,MAC)方法,通过数值实验验证算法有效性。同时考虑水轮机调节系统在实际运行中受扰动影响,研究该控制方法的抗干扰能力;考虑生产实践中,水力发电系统需要跟踪某一状态,讨论水轮机调节系统在该控制器作用下对某一指定状态的跟踪性能;进一步地对比传统PID控制,讨论两种控制算法的优劣。
  通过上述研究分析讨论,结果表明本毕业论文中所提出的三种预测控制算法均能够很好的控制本文中的六维非线性水轮机调节系统并使其快速稳定,并且具有良好的控制品质。此外本文中的控制算法对于扰动、跟踪等问题也均有良好的控制效果。
[硕士论文] 李帅
机械工程 浙江理工大学 2017(学位年度)
摘要:诱导轮为轴流式叶轮,工作时为避免管壁与叶片之间发生摩擦或者碰撞,管壁和叶片之间存在一定大小的间隙,即叶顶间隙。诱导轮内部分流体受到叶片吸力面和压力面压差影响,在叶顶产生间隙泄漏流,这将对诱导轮的水力性能、内部主流流动及空化性能产生较大的影响。国内外对于诱导轮在不同叶顶间隙下的叶顶间隙涡的演化、空化泡分布的位置等内部流动细节缺少深入的研究。因此本文以一圆柱形等螺距诱导轮为研究对象,分析了不同叶顶间隙对诱导轮内部流动和空化性能的影响。首先对比分析了七种叶顶间隙下诱导轮水力性能的变化规律,并重点分析了三种典型叶顶间隙下的诱导轮内部流场、不同时刻内部流场的演化过程以及空化泡位置的分布。本文的主要研究工作如下:
  (1)采用UG三维软件对诱导轮进行三维建模,采用ICEM对诱导轮内部流道进行网格划分,并通过网格无关性验证,确定合理的网格数进行后续的数值计算。
  (2)非空化工况下,对三种叶顶间隙下诱导轮内部流场进行定常和非定常数值模拟。对比分析流量和叶顶间隙对诱导轮性能和内部流动的影响,及诱导轮内部流动随时间的演化过程。
  (3)对诱导轮进行外特性实验,获得扬程-流量的外特性曲线,并与数值计算结果进行对比分析,验证数值方法的准确性。
  (4)对诱导轮进行空化数值模拟,对比分析流量、叶顶间隙和空化数对内部空化流动、空化泡的发展和分布、叶片及弯管处压力分布及内部压力演变过程的影响。
[硕士论文] 田亚平
流体机械及工程 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:对已建具有增容潜力的水电站机组更新改造,成本小、收效快,社会经济效益可观。运行多年的部分中小型电站普遍存在着技术指标落后、制造质量差、过流部件磨损严重、设备年久失修、发电量逐年减少等问题,不仅浪费大量的水力资源,而且影响着电站的安全运行。目前CFD技术发展迅速,成果显著,达到了工程应用水平。探究如何应用CFD这一先进工具对老旧电站的水轮机进行增容改造具有重大现实意义。
  本研究针对青海古浪堤水电站HL741-WJ-84水轮机在实际运行中出现的问题,“量体裁衣”式制定增容改造方案。首先对比分析诸多较优模型转轮,初步选取目标转轮;然后根据水轮机既定通流部件的几何约束条件对所选目标转轮进行一定改型,使转轮既保持本身优良性能又满足电站改造要求。鉴于小型卧式水轮机在汛期运行时出现转轮被杂物频繁堵塞而影响正常发电的情形,从增加水轮机出力与过流能力的角度出发,采用在改型转轮基础上减少三个叶片后制造新转轮的方案对原水轮机增容改造。以CFD为基础探究可用于水轮机实际改造的数值计算及水力性能估测方法,对改造结果进行数值验证并分析水流流态是否均匀合理以达到定性指导和评价改造方案的目的。基于流场数值计算,分析水轮机增容改造前后的流场,预估机组的整体性能。通过求解Reynolds时均N-S方程,在FLUENT中选取标准κ-ε湍流模型并采用SIMPLE算法,对改造前后的水轮机全流道进行流场计算,模拟改造前后的水轮机在四个典型工况下运行时的流动状况,求得各个工况下水轮机整体及各通流部件内的流动信息,获得改造前后水轮机水动力学的特性差异,给出了水轮机更换转轮改造后效率和出力随导叶开度变化的规律。改造后水轮机整体流动均匀、流态分布合理,几乎不存在流场的扰动。蜗壳中水流流动平稳顺畅,过流能力增强,不存在压力与速度突变等不稳定现象;叶片的数值计算结果表明,减少叶片数对叶片背面压力分布影响较大,转轮在各工况下运行时因叶片背面负压产生的翼型空蚀较原HL741转轮有所改善,但叶片背面靠近下环处进口段极小区域存在空蚀性能恶化的现象,为安全起见可对该区域采取一定的抗空蚀措施;尾水管在原最优工况与较大开度之间的流动状况均匀稳定,偏心涡带减弱,整体流线顺畅,流动性能、水力性能等要优于改造前;改造后水轮机最优工况点偏向大流量区,机组增容幅度可达13%,效率达到91%。本文所得结果可用于HL741-WJ-84水轮机的实际改造并指导电站的运行。
[硕士论文] 张建勋
流体机械及工程 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:可逆式水泵水轮机是抽水蓄能电站最核心的组成部分,而且逐渐向高水头、高转速、大容量的方向发展,其运行的稳定性问题长期以来一直受到研究者的关注。目前大多数可逆式水泵水轮机具有较高的转速和水头且启动、停机频繁,机组在实际运行中一直处于多变的流动条件下,其内部流动变的更为复杂和特殊,从而使得研究水泵水轮机的稳定性和可靠性等问题更加有必要。由水泵水轮机模型试验和抽水蓄能电站运行的经验可知,在偏离最优设计工况时机组会出现振动、噪声、压力脉动、空化空蚀等问题。空化的发生不仅会使机组的水力性能下降、产生振动和噪声,严重时还会对过流部件产生空蚀破坏,导致机组运行寿命严重缩短。能否保证机组具有良好的空化性能已成为衡量可逆式水泵水轮机设计制造水平的主要依据。因此,对水泵水轮机空化空蚀问题的研究,预测其发生的规律并提出相应的改良措施和确定合理的运行条件,对保证机组稳定安全运行具有极其重要的意义。本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,采用CFD方法并结合相关的试验数据,通过水泵水轮机全流道的非定常压力场计算,重点分析不同空化系数下叶片上的空泡分布以及表面受力情况。
  本研究主要内容包括:⑴对研究对象进行全流道三维几何建模,并对各过流区域分别划分计算网格并验证网格的无关性,选定合理的湍流模型、空化模型和边界条件,借助 CFD计算软件对其进行全流道数值模拟计算。⑵对泵工况的水泵水轮机在不同空化系数下进行多工况数值模拟,并参照模型机实验结果进行对比分析,验证计算方案的可行性;分析了不同空化系数下转轮-固定导叶区域的压力分布、速度分布和湍动能分布情况。⑶重点分析不同空化系数下叶片上的压力分布规律、叶片载荷分布规律以及转轮流道内的空泡分布规律。
[硕士论文] 张震
流体机械及工程 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着抽水蓄能电站的装机容量增加,对电站的核心部件水泵水轮机稳定运行提出了更高的要求。但机组在启动、甩负荷等一些过渡过程中易进入“S”曲线特性区域,机组在此区域中运行状态很不平稳,易造成并网困难。虽现阶段多使用增设 MGV装置(misaligned guide vanes,非同步导叶装置)改善机组“S”特性,但在机组过渡过程中同步导叶与非同步导叶未能协联,致使其机组振动增加,运行稳定性降低。因此,本文通过对水泵水轮机内部流场流动特性、动力特性以及压力脉动特性的研究,最终得出机组MGV装置协联特性性能的内在规律。
  本研究主要内容包括:⑴对水泵水轮机机组启动过程中不同工况点的研究发现,主要引起启动过程中机组振动的原因是由于活动导叶开度较小,导致流过活动导叶内侧流面产生附着涡,在活动导叶内侧尾段有涡脱落的现象,使漩涡进入无叶区,使其流动复杂化。且流体通过活动导叶时相对速度与绝对速度间夹角减小,产生滑移现象,使流体进入转轮的流速降低从而导致对转轮冲撞作用加大,增加了流体的水力损失。⑵无叶区压力脉动频率与叶频保持一致,活动导叶后转轮前的无叶内流区域的压力脉动与转轮旋转所引起的动静干涉有很大关系。对于机组启动过程中不同工况的压力脉动频率,第一主频与第二主频的幅值随着流量的增大而减小,且在同一工况下各个监测点主频幅值变化程度相似。⑶通过对水泵水轮机加装MGV装置后无叶区压力脉动幅值变化的研究发现,MGV装置对机组的稳定性有一定的影响,在其他同步导叶开度开至16mm(a0=32.6%,其中a0为相对开度,定义为该活动导叶开度与最大活动导叶开度的比值),MGV装置预开活动导叶至24mm(a0=48.9%)时对机组振动具有减缓作用。当机组其他同步导叶开度分别开至19mm(a0=38.7%),MGV装置导叶开度为24mm时对机组振动影响较小。当其他同步导叶开度开至22mm(a0=44.8%),MGV装置导叶开度为33mm(a0=67.3%)时机组无叶区压力脉动幅值相对较小。⑷通过对机组的内流特性与压力脉动特性研究,发现当机组启动时 MGV装置的活动导叶预开至24mm,待水轮机进入额定转速且转速保持稳定之后,关至与其他同步导叶相同开度。此协联策略可以使机组在启动过程中产生振动最小化,从而保证机组的稳定运行。
[硕士论文] 刘萌萌
流体机械及工程 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:可逆式水泵水轮机组兼具了发电及储能的特点,对调整电网负荷起重大作用,尤其对于西北地区新能源大发展中的储能与改善能源配送结构意义重大。水泵水轮机在运行过程中经常会经历启动、停机、甩负荷、飞逸等一系列过渡过程,其中尤以飞逸过渡过程可能引起的破坏性为重。而现今对飞逸及退出飞逸过程中所经历制动工况的研究还不够深入。因此,通过试验数据和数值模拟计算,探讨研究水泵水轮机飞逸及制动工况的流动机理及转轮受力,对改善机组运行的稳定性意义重大。
  本研究主要内容包括:⑴利用FLUENT软件对混流式水泵水轮机模型7个不同开度下的飞逸工况以及小开度11 m m下全特性曲线上包含水轮机、制动、反水泵的7个工况进行全流道数值模拟,分析并作出单位流量 Q11与单位转速 n11关系曲线,通过与试验所得曲线的对比,确认数值计算对这两个工况模拟结果的误差度在允许范围内,可以用于分析。⑵对不同开度下飞逸工况时的全流道内流形态、压力脉动及转轮受力作出分析,分析开度对飞逸工况的影响。⑶选取较小导叶开度11 mm,对其制动工况进行重点探究,着重分析导叶区的尾迹与压力脉动以及转轮和叶片的受力。⑷通过以上分析研究,得出如下结论:随着开度增大到一定值,蜗壳内流动特性显著改变,压力波动程度增大,出现高频脉动成分;转轮进口冲击损失使得内部高低压分布的对称性被破坏,叶片工作面、背面差值增大;随着开度的增大,转轮内流体速度增加,压力增大;转轮所受径向力、轴向力的大小与波动幅度随开度的增大而显著增加,叶片承受的压力载荷也普遍增加,流道内各监测点的压力均有不同程度的升高;导叶区充斥着结构大小不一的漩涡,涡系结构的演变及水流冲击效应造成能量的损失,进一步转化为紊动能,其处压力脉动主频为叶频,幅值达到正常运行工况的3倍以上;制动工况下转轮所受径向力呈周期性脉动,受力方向向一边倾斜,在飞逸线附近正斜率的制动区域运行时内部会出现旋转失速现象,在转轮出口引发周期性横流,对叶片正、背面产生周期性冲击,叶片将承受较大的交变应力。
[硕士论文] 刘印
电气工程 西南交通大学 2017(学位年度)
摘要:随着水轮机调速系统的不断发展,调速系统对电网低频振荡的影响越来越引起人们的关注。通过理论分析发现,调速系统不仅会影响电网低频振荡阻尼特性,还会向电网注入比低频振荡频率更低的超低频振荡模态,它经常在调速系统动作时出现,严重威胁着电网安全稳定运行。
  在实际系统中水轮机调速器的控制参数,通常是通过阶跃响应、冲激响应等实验手段,并结合曲线拟合等方法求得的,建模参数往往存在一些误差,因此其参数存在不确定性。另一方面,水轮机调速系统是典型的非最小相位系统,因此本论文中采用线性矩阵不等式方法设计鲁棒控制器。
  本文中,主要对水轮机调速系统超低频振荡仿真分析和其控制器的设计进行了研究。论文中,对小干扰稳定性分析理论进行简单阐述,主要介绍了小干扰稳定分析的理论、方法以及步骤,分别对单机无穷大系统和多机系统进行了分析,并且搭建了电力系统主要组成子模块的数学模型。
  以7型水轮机调速系统为算例,通过转矩分析理论,详细分析了水轮机调速系统在系统发生低频振荡时对电力系统阻尼特性的影响,并在Matlab/Simulink软件中,分别对7型水轮机调速系统、6型水轮机调速系统以及PID型水轮机调速系统进行仿真验证,并对仿真结果进行分析比较。通过对仿真结果分析,还验证了电力系统发生超低频振荡是由于多台机组调速器参数的不合理(改变),并且它们之间相互作用,使得系统阻尼比严重下降而引起的,而仅仅一台机调速器参数的改变并不能使系统发生超低频振荡。
  阐述了线性矩阵不等式的理论基础及相关引理,针对典型的非最小相位系统水轮机调速系统设计鲁棒控制器,增加系统的阻尼比,使系统的稳定性能得以改善,同时系统拥有良好的动态特性以及鲁棒性能。
[硕士论文] 刘韶春
水利工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:高水头电站采用混流式抑或冲击式机型,一直作为重要课题被水力机械设计者们研究着。在早期,由于受技术发展水平限制,冲击式机型一直占主导地位;近年来,随着国外先进技术的不断引进和一批高水头混流式水电站的相继投运,高水头混流式水轮机的研究、设计和应用取得了长足进步,在一定水头范围内,已逐渐取代冲击式水轮机。
  随着用户对机组整体运行性能要求的不断提高,再加上水电市场竞争越发激烈、设计制作成本大幅提高,当前,高水头混流式水轮机开始向提高标准、降低成本、革新技术方向发展。
  本课题以高水头混流式水轮机为研究对象,结合一个电站水轮机参数选择及应用效果,对以下内容进行分析和研究:
  (1)在200~600m水头段,高水头混流式已呈现逐渐取代冲击式机组之趋势;
  (2)分析论证长短叶片转轮稳定运行区域宽广、水力稳定性卓越、转轮刚强度和可靠性高等技术优势,论证其在高水头混流式水轮机中得到普遍认可和应用;
  (3)利用回归曲线、统计分析法,在容量、水头接近的参数水平基础上,结合目前国内外高水头机组设计制造技术水平,综合分析研究比转速、额定转速的选取,选择合理的水轮机参数;
  (4)高水头、高转速水轮机,须特别关注防泥沙磨蚀,设计时选用可靠的材料和方便后期检修维护的结构,比如采用转轮下拆方式、非接触式密封等,保证机组长期安全稳定运行。
[硕士论文] 刘凯华
动力工程及工程热物理;工程热物理 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:抽水蓄能电站在电力系统中起着调峰填谷的作用。近年来其规模不断扩大。电网负荷复杂多变,要求其主要设备一可逆式水泵水轮机在不同工况间频繁转换,运行不可避免的进入非设计工况。当水泵水轮机运行在S特性不稳定区域的飞逸、水轮机制动等非稳定工况时,可能出现一些严重的问题,例如强烈的压力脉动、大轴摆动、异常的噪声和机组部件的疲劳断裂等。不同工况下水泵水轮机内部流动复杂,现场试验无法观测流动细节并得到详细数据。为了深入研究水泵水轮机不稳定现象产生的水力机理,本文采取数值模拟的方法对发电方向三种导叶开度(6°、21°和24°)五种工况(反水泵、零流量、水轮机制动、飞逸和水轮机工况)下的水泵水轮机进行分析。数值模拟采用商业软件与自主编程的复杂流动结构分析程序相结合的方式进行。建立涡识别方法的数学模型,重点分析水泵水轮机工况变化时和不同区域内复杂的涡结构,并量化不同区域内回流的位置和强度,理论计算并分析转轮上的受力情况。通过模拟分析,可以得出以下结论:
  (1)旋转不变涡分析方法在转轮及其附近无叶区内识别的涡的分布区域和涡量幅值较大。
  (2)不同导叶开度下,涡的形态存在差异。流量较低时,水泵水轮机内部流动恶化,转轮附近的涡显著。
  (3)回流主要发生在水轮机制动工况和飞逸工况,呈现明显的空间分布,而在水轮机工况很少发生。
  (4)转轮上所受的水激力可以分解为平行于轴向和垂直于轴向的力。这些力的产生与流动相关,在很大程度上受水泵水轮机运行工况和导叶开度的影响。
[硕士论文] 郑登辉
机械工程 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:转轮水斗是冲击式水轮机核心零部件,其设计制造多采用整体式结构,而我国对此类狭长勺型结构件整体式数控加工技术的研究尚不完善。内表面的数控加工是整个转轮水斗最难加工也是最重要的部分,其好坏直接影响水轮机的效率和使用寿命。转轮水斗内表面结构复杂,材料切除量大,加工效率不高,大长径比插铣刀加工易颤振等问题一直困扰着水轮机制造企业。本论文具体研究内容包括:
  首先,建立插铣瞬时切削力模型,通过切削力系数辨识实验,求得切削力系数,实验结果表明切削力系数与瞬时切厚呈幂函数关系,通过曲线拟合确定切削力系数与瞬时切厚的函数关系式,应用Matlab对插铣瞬时切削力仿真,经过仿真结果与实验测得的切削力信号对比,验证了切削力模型的正确性。
  其次,建立三自由度插铣动力学模型和瞬时切厚模型,应用半离散法求解动力学微分方程,应用Matlab编制稳定域仿真程序,获得插铣加工切削稳定性叶瓣图,通过实验验证稳定性叶瓣图的正确性;研究刀具参数对插铣切削稳定性的影响,为转轮水斗内表面粗加工高效插铣提供技术支撑。
  然后,通过分析转轮水斗内表面加工工艺特点,选择使用三轴机床进行插铣粗加工,选择区域最深点为预钻孔位置,将内表面进行分层加工,把球头刀等残留高度法应用到插铣工艺,制定刀具轨迹运动策略,应用 UG软件 CAM模块生成数控加工刀路轨迹,并进行计算机仿真加工,分析内表面加工结果。
  最后,提出一种给定主轴转速下每齿进给量及径向切深的优化方法,以最小插铣加工过程时间为目标函数,并建立一系列约束条件,应用遗传算法优化切削参数,通过比较各组切削参数的插铣加工时间,确定优化结果。
  本文以转轮水斗为例,研究此类狭长勺型结构件的内表面粗加工插铣工艺,针对内表面加工效率低,加工困难等问题,从工艺规划,加工稳定性和切削参数优化三个方面进行研究旨在插铣加工切削稳定的前提下提高插铣加工效率,对实际狭长勺型结构件的数控加工具有一定指导意义。
[博士论文] 谢宇
港口、海岸及近海工程 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:化石燃料的大量使用造成了环境恶化和常规能源枯竭,世界各国都在寻找替代能源。与其他类型的替代能源相比,潮流能拥有可再生、可预测、对环境和视觉的影响较小等优势,获得了广泛的重视。潮流能水轮机是从潮流中提取能量的装置。根据结构形式,潮流能水轮机可分为竖轴水轮机和水平轴水轮机。相比水平轴水轮机,竖轴水轮机有一些独特的优势,如工作不受流向影响、维护简单、发电机舱不影响水轮机流场、噪声低不易空化等,吸引了许多学者的注意。但也有一些问题阻碍了竖轴水轮机的应用,如较差的自启动性能、相对低的获能效率、输出脉动等。本文针对竖轴水轮机获能效率低、自启动性能差、输出及荷载脉动的缺点,通过数值模拟与物理模型试验研究了水轮机叶片端部涡流、不同水轮机叶片排列形式、水轮机加装流体增速装置的水动力特性。成果应用在15kW竖轴潮流能试验装置上并进行了实海况试验,获得了较好的效果。
  本研究主要内容包括:⑴通过三维机翼理论研究了水轮机叶片端部涡流的产生机理与影响因素,探索在水轮机叶片端部加装端板来抑制叶片端部涡流、进而提升水轮机获能的改进方法。通过物理模型试验和数值模拟(Ansys Fluent软件)研究了三叶片水轮机的水动力特性,基于叶片旋转过程中端部涡流的影响范围设计了端板形状,通过数值模拟与物理模型试验验证了加装端板提升水轮机获能的有效性。在完整端板形状的基础上将端板减半,通过减阻和调节叶片两侧压力分布来进一步提升水轮机性能。以数值模拟研究了水轮机加装内半边与外半边端板时的水动力性能,分析了加装内半边与外半边端板时水轮机叶片的输出特性与作用机理。⑵以物理模型试验方法研究了不同叶片数的单层叶片水轮机获能效率随尖速比变化规律,通过计算水轮机在不同停止位置时的水动力转矩来判断水轮机的自启动性能。使用耦合式数值模拟方法研究了一种新式的双层六叶片水轮机的水动力性能,分析了其内层叶片半径及相位差角变化时对水轮机获能、负载特性和自启动性能的影响。以数值模拟研究了不同扭转角同轴双转子水轮机的自启动性能、获能效率及输出特性,并与同展长的三叶片水轮机进行了比较。基于不同形式水轮机的性能特点,对其适用范围进行了分析。⑶基于导流罩和扩散器原理设计了结构简单、易于建造且适应往复流向的聚流增速装置,通过数值模拟与物理模型试验研究了其在水槽中的增速效果,并进行了二维、三维开敞环境的数值模拟,以使结果具有普遍性。基于三维开敞环境的数值模拟结果,分析了不同流向时扩张板长度与角度变化对增速装置内部增速效果的影响,以及增速装置所受轴向力的大小。使用耦合式数值模拟方法研究了三叶片水轮机加装增速装置前后水轮机运转尖速比区间、水轮机获能效率、负载特性及叶片输出沿方位角分布的变化,并分析了扩张板角度与长度变化对水轮机性能的影响。⑷在实际海域对一台采用60°扭转角同轴双转子水轮机、装机容量为15 kW的竖轴潮流能发电装置性能进行测试。基于海试数据,分析了水轮机的运转尖速比区间及最优尖速比,高潮位与低潮位期间的平均获能效率、发电量及对应潮流周期的容量因数,自启动流速的分布,及系统获能效率随流速的变化。海试后期在水轮机展向一侧加装了增速装置,分析了加装增速装置后水轮机的性能变化。通过二维数值模拟研究了隔流板及支撑桩柱对水轮机性能的影响,及由水轮机运转诱导引起的流速测量偏差,并对水轮机性能进行修正估算。海试过程中观察到波浪作用和海洋生物附着可能对潮流能机组的运行产生威胁,流速脉动和水轮机负载调控失效会造成水轮机停机,在未来潮流能发电项目的设计建造及运行过程中应予以注意。
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