水电站平压设施-调速系统耦合过渡过程与控制

水电站过渡过程与控制是流体力学分支之一，在水电站设计、运行与维护等环节有着广泛的应用。平压设施是输水发电系统的重要方面，调速系统是保证机组稳定运行与供电质量的关键环节。为了满足越来越复杂的输水发电系统设计、机组运行与调节系统控制的需要，本专著系统地介绍水电站平压设施-调速系统耦合过渡过程与控制的基本概念、建模方法、分析理论、机理规律与实际应用。其中：章介绍水电站平压设施与调速系统基本概念；第2~5章讲述调压室作用下水轮机调节系统耦合过渡过程与控制；第6~8章讲述变顶高尾水洞作用下水轮机调节系统耦合过渡过程与控制；第9、10章讲述调压室与变顶高尾水洞联合作用下水轮机调节系统耦合过渡过程与控制。

章 水电站平压设施与调速系统 1
1.1 平压设施 1
1.1.1 调压室 1
1.1.2 变顶高尾水洞 6
1.2 调速系统 9
1.3 平压设施与调速系统的耦合作用 13
参考文献 17
第2章 基于降阶模型的设调压室水轮机调节系统暂态特性与控制 23
2.1 设调压室水轮机调节系统转速响应调节品质 23
2.1.1 数学模型 25
2.1.2 综合传递函数的求解 26
2.1.3 水轮机调节系统的一次降阶 27
2.1.4 水轮机调节系统转速响应调节品质分析 31
2.2 压力管道对水轮机调节系统稳定性和调节品质的影响机理 37
2.2.1 数学模型 37
2.2.2 压力管道对稳定性的影响 40
2.2.3 压力管道对调节品质的影响 43
2.2.4 压力管道水流惯性和水头损失的作用机理及其应用 45
2.3 本章小结 48
参考文献 49
第3章 基于调节模式的设调压室水轮机调节系统暂态特性与控制 52
3.1 基于水轮机调节模式的系统稳定性 53
3.1.1 基本方程的建立与综合传递函数的求解 54
3.1.2 系统稳定条件 58
3.1.3 稳定分析 59
3.2 基于水轮机调节模式的系统调节品质 64
3.2.1 基本方程 65
3.2.2 波动方程的推导 65
3.2.3 特征参数的求解与影响因素分析 78
3.3 本章小结 86
参考文献 87
第4章 考虑调节品质要求的调压室临界稳定断面 89
4.1 基本方程与稳定条件 89
4.2 考虑压力管道水流惯性和调速器特性的调压室临界稳定断面 89
4.2.1 临界稳定断面公式推导 89
4.2.2 临界稳定断面公式分析 94
4.2.3 实例验证 97
4.3 考虑调节品质要求的调压室临界稳定断面 98
4.4 本章小结 99
参考文献 99
第5章 设调压室水轮机调节系统一次调频稳定性与动态响应 100
5.1 设调压室水电站水轮机调节系统一次调频稳定性 100
5.1.1 数学模型 101
5.1.2 调节系统稳定性分析 106
5.1.3 一次调频调压室临界稳定断面 113
5.2 设调压室水电站水轮机调节系统一次调频动态响应 117
5.2.1 一次调频动态响应控制技术指标 118
5.2.2 一次调频动态响应的解析求解 118
5.2.3 基于出力响应控制的一次调频域 127
5.2.4 应用 132
5.3 本章小结 132
参考文献 133
第6章 设变顶高尾水洞水轮机调节系统稳定性 135
6.1 水轮机调节系统非线性模型 136
6.2 水轮机调节系统的Hopf分岔分析 140
6.2.1 非线性系统的平衡点 140
6.2.2 Hopf分岔的存在性 140
6.2.3 Hopf分岔的方向 141
6.3 基于Hopf分岔的系统稳定性分析 142
6.3.1 调节系统的稳定域 142
6.3.2 调节系统的分岔图 143
6.3.3 稳定性的数值仿真 145
6.4 基于稳定性的变顶高尾水洞工作原理 147
6.5 稳定性的影响因素分析 150
6.5.1 负荷阶跃值的影响 151
6.5.2 尾水洞坡度及断面形状的影响 151
6.5.3 尾水洞内明满流分界面处水深的影响 152
6.6 本章小结 153
参考文献 154
第7章 基于非线性状态反馈的设变顶高尾水洞水轮机调节系统Hopf分岔控制 156
7.1 水轮机调节系统非线性数学模型 157
7.2 基于非线性状态反馈的水轮机调节系统Hopf分岔控制 158
7.2.1 基于非线性多项式状态反馈的控制策略设计 158
7.2.2 采用新型控制策略的水轮机调节系统Hopf分岔控制 161
7.2.3 控制器模型方程 162
7.3 新型控制器的调节特性与作用机理 163
7.3.1 无控制 164
7.3.2 反馈控制 164
7.4 本章小结 170
参考文献 170
第8章 基于微分几何的设变顶高尾水洞水轮机调节系统非线性扰动解耦控制 172
8.1 水轮机调节系统非线性数学模型 172
8.2 水轮机调节系统非线性扰动解耦控制策略设计 174
8.2.1 基于微分几何的非线性扰动解耦控制基本原理 174
8.2.2 名义输出函数的构造 175
8.2.3 非线性扰动解耦控制策略设计 178
8.3 算例分析 180
8.3.1 非线性扰动解耦控制策略作用下水轮机调节系统调节品质 181
8.3.2 非线性扰动解耦控制策略对于变顶高尾水洞的适用性 181
8.3.3 非线性扰动解耦控制策略作用下水轮机调节系统的鲁棒性 182
8.3.4 非线性扰动解耦控制策略与非线性多项式状态反馈控制策略对比 186
8.4 本章小结 186
参考文献 187
第9章 上游调压室和变顶高尾水洞联合作用下的水轮机调节系统暂态特性与控制 190
9.1 设上游调压室与变顶高尾水洞的水轮机调节系统稳定性 191
9.1.1 水轮机调节系统非线性数学模型 191
9.1.2 水轮机调节系统Hopf分岔分析 193
9.1.3 基于Hopf分岔的系统稳定性分析 196
9.1.4 稳定性的数值仿真与控制 199
9.2 联合作用下的水轮机调节系统暂态特性与控制 203
9.2.1 水轮机调节系统的动态特性 203
9.2.2 上游调压室与变顶高尾水洞波动叠加对系统稳定性的影响 211
9.3 本章小结 216
参考文献 217
0章 下游调压室和变顶高尾水洞联合作用下的水轮机调节系统暂态特性与控制 219
10.1 水轮机调节系统非线性数学模型 219
10.2 水轮机调节系统的非线性动态特性分析 222
10.2.1 分析理论与方法 222
10.2.2 系统稳定性分析与数值仿真 224
10.2.3 讨论 229
10.3 下游调压室与变顶高尾水洞联合作用下的系统稳定性 231
10.4 本章小结 234
参考文献 335