水电站过渡过程与控制

本书按照水电站输水系统布置方式，分别介绍单管单机、设有调压设施和多台机组共输水系统三种布置形式下的水电站过渡过程与控制基本理论、基本方法和科技前沿，主要涉及电站系统中水、机、电的耦合与控制。全书分为三篇10章，从电站系统运行的调节保证、稳定性和调节品质三个方面进行深入论述。本书绝大多数内容是武汉大学“水电站过渡过程与控制”课题组近25年的研究成果，为解决水电站设计和运行面临的主要难题提供理论依据、分析手段与工程措施。

第一篇单管单机的输水发电系统过渡过程与控制
第1章单管单机的输水发电系统调节保证分析与控制3
1.1调节保证分析的数学模型及精细化模拟5
1.1.1有压管道水击方程及精细化模拟5
1.1.2基于边界条件的混流式水轮机特性曲线转换12
1.1.3水轮发电机组数学模型及专享解21
1.1.4基本边界条件31
1.2调节保证设计的控制标准、控制工况及相应的特征36
1.2.1控制标准36
1.2.2控制工况及相应的特征37
1.3基于水轮机特性及管道水流惯性的导叶启闭规律优化43
1.3.1导叶关闭规律优化的理论分析43
1.3.2导叶关闭规律优化的原则与方法45
1.3.3导叶关闭规律优化的工程实例45
参考文献48
第2章单管单机的输水发电系统运行稳定性及调节品质分析与控制49
2.1单管单机的输水发电系统的运行稳定性51
2.1.1输水发电系统的线性化数学模型51
2.1.2单管单机的输水发电系统稳定域58
2.2调速器主要参数的整定64
2.2.1基于低阶系统解析解的调速器参数整定64
2.2.2调速器参数整定的其他方法73
2.3调节品质的控制工况及精细化数值模拟77
2.3.1调节品质的控制工况77
2.3.2调节品质控制工况的精细化数值模拟82
参考文献95
第3章调压设施的设置条件97
3.1基于水电站调节保证参数的调压设施设置条件98
3.1.1水击压强与机组转速上升的解析解98
3.1.2上游调压设施的设置条件101
3.1.3下游调压设施的设置条件105
3.2基于水电站运行稳定性的调压设施设置条件109
3.2.1基于刚性水击水电站运行稳定性的调压设施设置条件109
3.2.2基于弹性水击水电站运行稳定性的调压设施设置条件111
3.2.3基于刚性水击与弹性水击水电站运行稳定性的调压设施设置条件的对比114
3.3基于水电站调节品质的调压设施设置条件115
3.3.1基于刚性水击水电站调节品质的调压设施设置条件116
3.3.2基于弹性水击模型的水电站调节品质的调压设施设置条件119
3.4基于调节保证、运行稳定性及调节品质的调压设施设置条件对比120
参考文献122
第二篇设有调压设施的输水发电系统过渡过程与控制
第4章设有调压室的输水发电系统调节保证分析与控制125
4.1调压室水位波动解析分析与控制126
4.1.1调压室水位波动的基本方程126
4.1.2等断面积阻抗式调压室水位波动极值的解析计算127
4.1.3采用渐进法计算调压室涌浪水位极值128
4.1.4不同类型调压室对于优选/大力度优惠涌浪水位的适应性130
4.2组合工况下调压室水位波动的理论分析136
4.2.1先增后甩组合工况调压室水位波动分析136
4.2.2相继甩负荷、相继增负荷和先甩后增组合工况下调压室水位波动分析139
4.2.3数值验证及气垫式调压室组合工况的解析解141
4.3各种类型调压室水位波动的数学模型144
4.3.1简单式调压室144
4.3.2差动式调压室（包含阻抗式调压室）145
4.3.3室外差动式调压室147
4.3.4一进二出三孔调压室149
4.3.5带长连接管调压室150
4.3.6调压室上部连通151
4.3.7气垫式调压室151
4.3.8连通调压室152
4.4调压室水位波动及机组调节保证的时程分析与控制153
4.4.1调压室涌浪水位的控制工况及机组调节保证参数的控制工况153
4.4.2可控组合工况下调压室涌浪水位的时程控制方法154
4.4.3精细化数值解的工程实例161
参考文献172
第5章设有调压室的输水发电系统运行稳定性及调节品质分析与控制173
5.1单个调压室系统运行稳定性及调节品质174
5.1.1单个调压室系统运行稳定性分析174
5.1.2单个调压室系统运行稳定性及时域响应的解析解182
5.2双调压室系统运行稳定性及调压室稳定断面积187
5.2.1上下游双调压室系统运行稳定性及调压室稳定断面积187
5.2.2上游双调压室系统运行稳定性及调压室稳定断面积196
5.3并网条件下调压室系统运行稳定性与时域响应201
5.3.1并网条件下调压室系统的时域响应201
5.3.2并网条件下调压室系统的稳定域208
5.4基于滑模变结构控制律的调节品质分析212
5.4.1基本方程的建立212
5.4.2滑模变结构控制器的设计213
5.4.3仿真实例214
参考文献215
第6章设明满流尾水子系统的水电站调节保证分析与控制217
6.1明满流尾水子系统的工作原理218
6.1.1变顶高尾水洞工作原理及解析分析218
6.1.2明满流尾水洞工作原理及解析分析220
6.2明满流数学模型221
6.2.1明满流三区数学模型221
6.2.2基于水击方程与圣维南方程耦合的数学模型226
6.2.3机组甩负荷试验反演计算与对比分析232
6.3尾水洞通气系统数学模型及机理分析236
6.3.1尾水洞通气系统数学模型236
6.3.2尾水洞通气系统作用机理分析242
6.4明满流尾水洞断流分析与控制246
6.4.1明满流尾水洞断流机理分析248
6.4.2明满流尾水洞断流影响因素的分析与控制254
参考文献262
第7章设明满流尾水子系统的水电站运行稳定性及调节品质分析与控制263
7.1基于Hopf分岔的变顶高尾水洞水电站运行稳定性及调节品质分析与控制264
7.1.1非线性数学模型264
7.1.2反馈控制策略下变顶高尾水洞水电站运行稳定性及调节品质269
7.2基于微分几何的变顶高尾水洞水电站运行稳定性及调节品质分析与控制274
7.2.1变顶高尾水洞水电站水轮机调节的非线性扰动解耦控制策略设计275
7.2.2非线性扰动解耦控制策略下变顶高尾水洞水电站运行稳定性及调节品质279
7.3明满流尾水洞水电站运行稳定性及调节品质分析与控制285
7.3.1基于空间状态方程的明满流尾水洞数学模型285
7.3.2明满流尾水洞水电站水轮机调节运行稳定性分析与控制290
7.3.3明满流尾水洞水电站调节品质分析与控制295
参考文献302
第三篇具有水力联系的输水发电系统过渡过程与控制
第8章水力单元水力干扰过渡过程分析与控制305
8.1水力联系的分析及电力联系的简化306
8.1.1水力联系的分析与数学模型306
8.1.2电力联系的简化312
8.2水力干扰下机组数学模型316
8.2.1发电机高阶方程与励磁调节器方程316
8.2.2电网数学模型320
8.2.3负载数学模型及负载动态特性321
8.3管道布置影响的敏感性分析与控制322
8.3.1不同水力联系对水力干扰过渡过程影响的对比分析322
8.3.2水流惯性加速时间Tw对水力干扰过渡过程影响的敏感性分析332
8.4电力联系及调速器参数影响的敏感性分析与控制335
8.4.1不同电力联系对水力干扰过渡过程影响的对比分析335
8.4.2调速器参数对水力干扰过渡过程的影响340
参考文献346
第9章水力单元的运行稳定性、调节品质及控制策略347
9.1基于总体矩阵法的水力发电系统数学模型348
9.1.1系统管道模型348
9.1.2水力边界模型349
9.1.3水力发电机组模型353
9.2系统总体矩阵的构建方法和求解方法356
9.2.1总体矩阵构建方法356
9.2.2自由振荡计算理论359
9.2.3强迫振荡计算理论362
9.3总体矩阵法在水力发电系统中频域分析的应用363
9.3.1自由振荡分析364
9.3.2强迫振荡分析371
9.4Simulink建模在水力发电系统中时域分析的应用379
9.4.1调速器参数的影响380
9.4.2调压室断面积的影响381
9.4.3支管非对称布置的影响383
参考文献384
第10章两级串联水电站过渡过程分析与控制387
10.1两级串联水电站恒定流计算理论与实例分析388
10.1.1两级串联水电站恒定流计算理论与方法388
10.1.2两级串联水电站恒定流计算实例及分析393
10.2两级串联水电站运行稳定性分析与控制397
10.2.1设有调节池的输水发电系统运行稳定性频域分析397
10.2.2两级串联水电站运行稳定性时域分析406
10.3两级串联水电站水力干扰过渡过程分析与控制415
10.3.1部分机组甩负荷对系统其他机组的水力干扰作用415
10.3.2调节池参数对水力干扰的敏感性分析427
10.4同步运行约束条件下过渡过程分析与控制432
10.4.1部分机组甩负荷条件下同步运行过渡过程分析与控制433
10.4.2部分机组增负荷条件下同步运行过渡过程分析与控制442
参考文献450
附录451