[发明专利]一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法及模型

摘要

一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法及模型，包括以下步骤：1)建立水轮机调速器数学模型，包括：水轮机调速器模型即PID调节器模型和电液随动系统模型；2)建立水轮机数学模型；3)建立输水系统数学模型；具体包括以下步骤：将输水系统进行分段处理，以水轮机为界将整个输水系统分为有压输水系统和变顶高尾水系统两部分；分别进行有压输水系统建模和变顶高尾水系统建模；根据两部分数学模型，得到整个输水系统数学模型；4)联合步骤1)建立的水轮机调速器数学模型，步骤2)建立的水轮机数学模型及步骤3)建立的输水系统数学模型，得到整个变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型。本发明建立的模型计算量小，精确度高，稳定性好。

主权项

1.一种带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立水轮机调速器数学模型，包括：水轮机调速器模型即PID调节器模型和电液随动系统模型；2)建立水轮机数学模型；3)建立输水系统数学模型；具体包括以下步骤：3.1)将输水系统进行分段处理，以水轮机为界将整个输水系统分为有压输水系统和变顶高尾水系统两部分；3.2)进行有压输水系统建模；3.3)进行变顶高尾水系统建模；3.4)根据3.2)建立的有压输水系统模型和3.3)建立的变顶高尾水系统两部分数学模型，得到整个输水系统数学模型；4)联合步骤1)建立的水轮机调速器数学模型，步骤2)建立的水轮机数学模型及步骤3)建立的输水系统数学模型，得到整个变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型；所述步骤3.2)中的有压输水系统建模包括有压引水系统建模和尾水管建模；有压引水系统，即上游水库至第一断面(1)采用简化的弹性水锤方法进行建模，模型方程如下式：其中T_r1为水击时间常数，单位为秒，即：L₁为第一断面至进水口流道长度；c₁为水锤波速，一般取1000m/s；T_w1为引水管道水流加速时间常数；h_fr1为水轮机额定流量下引水系统的水头损失，Q₁₀和H₁₀分别是扰动前第一断面的流量和水头；Q_r和H_r分别为水轮机的额定流量和额定水头；H₁为第一断面水头，H₁₀为扰动前第一断面水头，h₁(s)为h₁的拉普拉斯变换；Q₁为第一断面流量，Q₁₀为扰动前第一断面流量，q₁(s)为q₁的拉普拉斯变换；式(1)中s为拉普拉斯算子；尾水管段，即尾水管至闸门井流道，也就是水轮机至尾水闸门井第二断面(2)流道的模型方程为：其中H_S为尾水管进口压力，H_S0为扰动前尾水管进口压力；H₂为第二断面水头，H₂₀为扰动前第二断面水头；h_f2为恒定流下尾水管至闸门井流道内的水头损失，单位为米；Q₂为第二断面流量，Q₂₀扰动前第二断面流量；为水轮机至第二断面流道水流加速时间常数，其中L₂为水轮机至第二断面流道长度，A₂为水轮机至第二断面流道断面面积，g为重力加速度，通常取9.81m/s²；Q₃为第三断面流量，Q₃₀扰动前第三断面流量；Z₂为闸门井水位，Z₂₀为扰动前闸门井内水位；α_T为流入闸门井内水体的阻抗损失系数，F为闸门井断面面积。