水轮机调节系统的仿真与优化
设计者：闫艳伟、夏春杰、刘博文、房全国、郭朋飞
指导老师：周俊杰
（郑州大学化工与能源学院，郑州，450001）
摘要
水能一种可再生能源，是清洁能源，是绿色能源。我国水资源的蕴藏总量是比较丰富的，占世界第五位，随着科技的进步我国的水利工程也得到迅速发展。而水轮机在水利工程中起着至关重要的作用。随着科学技术的发展和新学科边缘学科交叉学科的诞生，计算机的应用、水轮机技术得到了进一步的完善发展，并取得了卓著绩效。改善水力性能提高效率，特别在近年来，水轮机制造业都在不断提高水轮机效率上下功夫，无论是其最高效率和平均效率都有了新的突破。
利用matlab simulink对水轮机进行系统仿真主要内容有：
（1）水轮机装置系统的数学模型的建立，包括：引水系统、液压随动系统、发电机系统、水轮机线性和非线性系统。
(2)在simulink下建立水轮机的线性和非线性发电系统的仿真模型。 (3)对甩15%载荷和甩60%载荷进行了仿真分析，并得出水轮机线性化模型优于非线性化模型稳定性。
【关键字】：水轮机 ；数值模拟 ； 水轮机仿真模拟；线性化；非线性化
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目录
1. 前言 ??????????????????????????3
1.1水轮机的发展历史??????????????????.3 1.2水轮机国内外研究现状????????????????.3
1.3本文的主要工作???????????????????.4
2 水轮机发电系统仿真……………………………………………………...4 2.1 水轮机发电原理………………………………………………………4 2.2 水轮机装置的数学模型………………………………………………5 2.2.1引水系统数学模型…………………………………………………..5 2.2.2液压随动系统模型…………………………………………………..5 2.2.3发电机系统数学模型………………………………………………..5 2.3 水轮机系统仿真建模…………………………………………………5 2.3.1线性化水轮机的数学模型…………………………………………..5 2.3.2线性化水轮机的仿真建模…………………………………………..6 2.3.3非线性水轮机的数学模型…………………………………………..6 2.3.4非线性水轮机的仿真建模…………………………………………..8
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2.4水轮机调节系统的仿真建模………………………………………….9 2.5结果分析………………………………………………………………10 2.6 本章小节………………………………………………………………11
1前言
1.1水轮机的发展历史
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。它是由古代的水轮或水车演变而来。
1827年法国工程师B.富尔内隆制成 6马力的反击式水轮机。
1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。
1850年出现冲击式水轮机。
到1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。随着水电开发的进展，水轮机的类型、性能和结构日趋完善。
1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，故称为卡普兰水轮机。
到20世纪40～50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。
水轮机的类型已能适应水电开发的不同任务和不同水头的要求。中华人民共和国成立以后，很快建成中国的水轮机制造工业，拥有20多个水轮机制造厂，已生产出2000万kW以上的水轮机装备全国的水电站，并向国外出口。目前水轮机应用范围已经广泛应用在冷却塔上有冷却塔水轮机，循环水管道的管道式水轮机等等。
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1.2水轮机国内外研究现状
1.2.1水轮机用于水力发电已有100多年历史，随着水电资源的开发，推动了水轮机技术的发展，从而使水轮机进入了一个多品种、大容量的时代。大体可以分为冲击式、混流式、斜流式、轴流式、贯流式水轮机六大类以及相应可逆式水泵水轮机，它们分别适用于不同的水头和流量。
近十年来，国外各主要水轮机制造企业都在不断提高水轮机效率上下功夫，无论是水轮机的最高效率还是水轮机的平均效率都有了新的突破。水轮机效率的提高无疑是得益于高科技的投入。主要有流体动力计算技术的重大突破；计算机技术的应用；水轮机模型加工、试验中的高技术；水轮机真机新工艺、新材料的应用。
（1）水轮机流体动力计算技术的重大突破表现在：从解欧拉方程到解拉维斯托克斯方程；从不考虑水的粘性到考虑水的粘性、粘性流解；从解定常流到解不定常流，大窝模拟；从计算单个部件到全流道模拟。
（2）各种计算机软件的开发与应用如ANSYS、FLOWTRAN、CAD、CFD，计算机性能预估精度与速度的提高，优化目标函数损失大大减小，效率得以提高，也大大提高了开发速度，减少了模型试验工作量。
（3）新工艺、新材料的应用 新工艺如数控加工，光学测量系统，整体转轮利用光学测量，机器人焊接、激光检测焊接质量等等。新材料的采用，目前普遍采用优质的不锈钢。不仅改善了强度，提高了效率，还改善了抗空蚀、磨损能力。
1.2.2国外水轮机技术发展方向：国外水轮机技术发展已从多品种、高比速、大容量的发展阶段转向发展高科技即提高产品科技含量，争取企业经济效益的新阶段。具体的方向是改善水力性能，提高运行可靠性，降低制造成本，重视老电站改造和环境友好五个方面。
1.2.3国内水轮机技术发展：我国的水轮机制造业始于1927年福建南平制造了一台5kw水轮机，起步比国外晚了近百年，但直到解放前生产最大水轮机单机容量只200kw，可以说是一片空白。改革开放后，国内市场国际化，据不完全统计，我国在建36000MW水电，20%尚未落实制造厂；50%以上，如三峡左岸电站、二滩、小浪底、万家寨等均已落入外国公司或外国公司控股合资企业手中；剩下30%，如李家峡、天生桥等大电站也使用外国水力技术。我国面对着强大的竞争对手，针对以上情况，我国水轮机发展的主要绩效体现在一下几个方面： 改善水力性能提高效率 ；采用新技术提高运行可靠性 ；提高比转速降低制造成本 ；完善结构重视环保
1.3本文的主要工作
利用matlab simulink对水轮机进行系统仿真主要内容有：
(1)水轮机装置系统的数学模型的建立，包括：引水系统、液压随动系统、发电机系统、水轮机线性和非线性系统。
(2)在simulink下建立水轮机的线性和非线性发电系统的仿真模型。
(3)对甩15%载荷和甩60%载荷进行了仿真分析，并得出水轮机线性化模型优于非线性化模型稳定性。
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2水轮机发电系统仿真 2.1 水轮机发电原理
水轮机是开发水能资源的设备之一，是利用水（液体）能并转换为机械能的机器设备。水轮机作为交流发电机的原动机，用来带动发电机的旋转，将机械能转换为电能。水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和控制系统（调速系统，又称调速器）所组成，图2-1所示为水轮机调节系统简图。由图可见，调节对象由水库、压力水道、导水机构、蜗壳、水轮机、发电机和电网及负载等组成。由于水电站生产的全过程是水、机、电的联合生产过程，水轮机发电机组一方面与水库、压力引水道、导水机构和蜗壳等有水力上的联系，另一方面与电力系统存在电气上的联系；调速系统一方面与水库、压力引水道、导水机构和蜗壳等有水力上的联系，另一方面与电网及负载有电气上的联系，在一方面又与水轮发电机组存在水、机、电三方面的联系，由此可见，水轮机系统是水、机、电综合控制系统。
图2-1 水轮机调节系统简图
2.2 水轮机装置系统的数学模型 2.2.1 引水系统数学模型
当导叶行变化而引起流量变化时，流量的变化会在引水系统中引起水击效应，即流量的变化会在引水系统中产生水头的变化。
在小波动的情况下，可以认为水和引水系统的管壁均为刚性的，此时的引水系统特性可表示为[1]：
G(s)??Tws………………………………………………………………….(2-1) 式中：Tw——引水系统水流惯性时间常数
2.2.2 液压随动系统数学模型[2]
液压调速器是基于“检测偏差，纠正偏差”原理实现自动控制的，其主接力
dy器活塞运动速度与主配压阀油孔开度u成比例即：
dty?
1udt…………………………………………………………………（2-2） Ty?5