摘要：水力发电系统的组成包括水轮发电机组、控制系统以及压力引水管，产生电能并向电网输送，能够实现对电网负荷波动的调节，确保高质量、安全、稳定的供电。现如今，高水头、大容量水电机组逐渐建成并投入使用，确保水电站高效运行的核心在于水力发电系统暂态稳定性。
关键词：水力发电系统；大波动暂态建模；动态特性
当下，化石能源价格在大范围的涨幅不断提高，促使世界电力市场向积极的寻找可再生能源，经研究发展到2040年世界电力对于可再生能源的依赖率为25%。水电作为可再生能源之一，相对比较环保与清洁，且具有一系列特点，如成熟的技术、较高的转换效率、灵活的调度等，因此已经引起世界各国的高度重视，我国对于水电的积极开发与利用也同样在《水电发电“十三五”规划》等明确指出[1]。
1单机单管水力发电系统的非线性建模与稳定性
为实现对大波动暂态过程的准确描述，建立与之相应的水力发电系统非线性模型十分有必要，站在系统整体角度上对各种非线性环节进行充分考虑，在非线性动力学理论的帮助下对系统动态行为进行科学、有效的分析。
1.1突增负荷过渡过程动态传递系数
内特性法主要是根据原型水轮机数学模式，实现对关键影响指标参数解析表达式方法的推导，如水轮机力矩、流量、转速、流量等，在建立模型可避免过度依赖全特性曲线，关于相应水轮机数学模型的建立只要充分的掌握水轮机的物理结构、几何参数和结构参数即可。
关于大波动暂态过程中关键指标变化规律的分析，关键在于建立非线性水轮机模型，以此在不同暂态过程中可掌握水轮机传递系数在各个工况点的动态变化规律[2]。
1.2单机单管水力发电系统的非线性模型
在突增负荷过渡过程中可以采用模块化建模的方式实现对水力发电系统非线性数学模型的建立，关于水轮机非线性模型已经利用动态传递系数建立起来，因此需要重视建立发电机模型、调速器模型、有压引水管模型。
1.3稳定性研究
龙格库塔法作为高精度迭代方法之一，主要用于微分方程解的求取，因此在计算水力发电系统数值时可以采用这种方法，关于系统非线性动力学特征可结合时域图、相轨迹图等。
水轮机传递系数随着机组运行情况会出现相应的变化，在内特性方法的帮助下实现对极具典型性的大波动暂态过程水轮机动态传递系统的建立，立足于系统的科学角度，对各种非线性耦合进行了充分的考虑，在模块化建模方法的帮助下建立了相应模型，关于系统暂态稳定性规律的阐释可充分借助非线性动力学理论的指导。
2复杂管系水力发电系统暂态建模与动力稳定性
在生产实践过程中，水力发电系统是否能够安全高效的运行，在一定程度上直接取决于压力引水管道共用管段水力耦合问题，因此一管多机布置方式水力发电系统在我国引水站比较常见，在过渡过程中出于对多机组系统动态运行特性的影响，且在模块化建模方法的帮助下建立相应的模型。
2.1建模
水力发电系统的管道布置形式，一般由单管单机、一管多机、多管多机组成，为帮助一些大中型水电站节省建设方面的费用，因此应用最为广泛的当属一管多机水力发电系统，与单机单管相比，其所具有的水力-机械-电气耦合动力学特性更为复杂，特别是大波动过渡过程中，因此需要高度重视这一方面的研究。关于模型主要有一管多机水轮机模型、复杂管系压力引水管道模型、三阶发电机模型、调速器模型等。
2.2动力学稳定性
在上述基础上，同样采用龙格库塔法对系统的动力学演进规律进行深入的研究，迭代步长为2000，初始值为（0.001,0，0，0,0,0）。关于系统基本参数取值，如下表1。
表1一管两机水力发电系统参数表
.png)
对于水力耦合中的管道共用问题，专门设立了精细化的数学模型，出于对水轮机系统、控制系统与发电机系统的考虑，建立了相应的模型，并对管道间之间的相互作用进行了客观的分析，最终明确得出关键指标的动力学演化规律。
除此之外，哈密顿系统在某些方面具有上述两者所无法比拟的优势，即系统能量供给、耗散、交换外部能量等方面的描述更为精确、直观。而水力发电系统本身极具复杂性，即能量产生、耗散和交换都十分复杂，这种方法在之前很少应用，多用于集中研究稳态工况，在大波动暂态过程中的研究很少。由于水力发电系统具有强烈的非线性特性，可以考虑建立与之相适应的数学模型，立足于系统内部结构特征与外部关联机制，在正交分解法的帮助下，在广义的哈密顿理论框架中纳入水电发电系统，基于布置形式不同的水机系统实现对单机单管、一机多管的模型，然后做好计算工作，对系统在大波动暂态过程下的运动特征进行全面分析。
结束语
水力发电系统一直都是水电站的关键，是耦合水力、机械、电气特性的强非线性系统之一，组成部分包括发电机组、压力引水管道、控制系统和辅助设备；关于整个水电站的高效、安全运行与电网供网质量，深受其动态稳定性的影响，但是在各种非线性因素的多种影响下，水电站难免会出现机组稳定性问题。
参考文献
[1]宋明霞.世界水电大会首次在中国举办:世界水电看中国,中国水电谋发展:义无反顾而又顾虑重重.中国经济周刊[J].2015，06:55-57.
[2]郭鹏程,罗兴锜,王勇劲,白亮,李辉.基于粒子群算法与改进BP神经网络的水电机组轴心轨迹识别[J].中国电机工程学报,2011，31(8):93-97.
论文作者:黄璨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
标签：水力发电论文; 系统论文; 水轮机论文; 模型论文; 建模论文; 水电论文; 特性论文; 《电力设备》2019年第20期论文;