一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法技术

本发明专利技术提供一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法。本发明专利技术同时应用特征线法、改进的Suter变换以及多目标遗传算法三种方法以及将调压室位置纳入优化过程，在考虑调压室位置的情况下进行导叶四阶关闭规律的优化，从而减小高水头大容量水泵水轮机甩负荷过程中的最大压力脉动幅值和最大转速，避免压力脉动对水轮机组结构的损害，保证抽水蓄能发电站的安全稳定运行。本发明专利技术适用于具有四阶闭合规律的现代化水泵水轮机，以找到导叶的最佳关闭规律以及调压室的最佳位置，最小化抽水蓄能电站甩全负荷期间的最大过压和最大超速。电站甩全负荷期间的最大过压和最大超速。电站甩全负荷期间的最大过压和最大超速。

【技术实现步骤摘要】
一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法


[0001]本专利技术涉及水力发电领域，尤其是涉及一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法。

技术介绍

[0002]水力发电是一种具有成本竞争力的可再生和清洁技术，水轮机组则是水电技术的核心所在。在风能、太阳能和水力发电等所有类型的可再生能源中，抽水蓄能技术由于其高循环效率和大储存能力，被认为是应对电力供应波动的领先技术。抽水蓄能技术使用水泵水轮机，在电力负荷低谷使用电能将水抽至水库，在电力负荷高峰时使用水库积蓄的水进行发电。抽水蓄能技术使用的水泵水轮机可以在泵和水轮机的模式之间进行切换，在不同的模式下分别完成抽水和发电的工作。我国西部地区鲜明的海拔落差对于应用充足的水力资源进行水力发电具有巨大的潜力。同时，受到近年来经济快速发展和城市大范围扩张的影响，对电力需求的迅速增加促进了高水头大容量水轮发电机组在规模和数量上的激增。
[0003]当高水头大容量水泵水轮发电机组在泵和涡轮模式之间进行快速切换时，会导致其在启动、负载变化、负载抑制等常见过程中频繁出现水力瞬态条件以及水锤现象(水流在长管路中流动时，将管路下游之阀门快速关闭，水流具有的惯性动量持续往前推挤，造成管内压力脉动幅值急速上升，可能造成管路破坏的现象)。对于高水头大容量水轮发电机组来说，伴有导叶开度调整的瞬态工况会造成机组较大的压力脉动和叶轮转速的迅速增加，严重时甚至会造成机组叶片开裂、轴断裂、蜗壳开裂等事故，对电站造成极大的损失。
[0004]当前为了应对高水头大容量水泵水轮机在运行过程中压力脉动强度过高和转速过快的问题，采用具有适当尺寸和位置的调压室和气室等保护装置、调整导叶关闭规律被视为应对这种压力脉动变化最为实用的方法。大量研究针对调压室的高效设计和应用进行数值模拟，并且应用遗传算法和粒子群优化方法等，优化调压室的大小和位置。对于导叶关闭规律，许多工程师在实践中应用两阶导叶闭合规律，在甩负荷期间获得低头水轮机的最佳瞬态响应，但该方法不适用于具有四阶闭合规律的现代化水泵水轮机。当前使用的方法虽然对抽水蓄能电站的水力特性瞬态响应进行了一些优化，但应对方法具有复杂的叶片关闭模式，较为耗时，也未进行考虑调压室影响的现代化水泵水轮机四阶闭合规律多目标优化。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了克服现有技术不适用于具有四阶闭合规律的现代化高水头大容量水泵水轮机的问题，提供一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，使用特征线法、改进的Suter变换以及NSGA
‑
III多目标遗传算法进行考虑调压室存在的四阶导叶关闭规律多目标优化，以找到导叶的最佳关闭规律以及调压室的最佳位置，最小化抽水蓄能电站甩全负荷期间的最大过压和最大超速，实现现代化高水头大容量水泵水轮机压力脉动的优化。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其控制方法包括以下步骤：
[0008]S1、读取输入数据，包括水轮机系统的设计参数以及计算需要的常数系数；
[0009]S2、输入水轮机的稳态条件作为压力脉动计算的初始条件；
[0010]S3、采用多目标优化算法对导叶关闭规律的各个节点以及调压室位置进行优化，得到一组帕累托最优解，每一个帕累托最优解分别对应于一个导叶关闭规律以及调压室位置；
[0011]S4、针对S3中优化得到的每一个帕累托最优解，从所述初始条件开始，按照当前帕累托最优解对应的导叶关闭规律和调压室位置对导叶关闭过程逐步长进行数值计算，模拟水轮机系统在当前帕累托最优解下水轮机甩负荷过程中水力瞬态响应与变化特性，得到导叶关闭过程中水轮机蜗壳内最大压力脉动幅值H
max
和转轮最大转速N
max
的计算结果；
[0012]S5、以水轮机蜗壳内最大压力脉动幅值H
max
和转轮最大转速N
max
各自的标准化形式作为两个待优化的目标函数H
*
和N
*
，根据S4中的计算结果分别得到每一个帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值，并判断两者是否满足安全裕度条件，若存在一个帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值不满足安全裕度条件，则令对应的H
*
＝∞，N
*
＝∞；
[0013]S6、基于S5中得到的各帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值，筛选一个最优帕累托最优解对应的导叶关闭规律和调压室位置作为本轮的迭代结果；
[0014]S7、判断当前的迭代次数是否满足最大迭代数，若不满足最大迭代数则重新执行S3～S6，若满足最大迭代数，则结束迭代并以最新迭代结果中的导叶关闭规律和调压室位置作为最终确定的导叶关闭规律和调压室位置，用于对水轮机进行压力脉动控制。
[0015]作为优选，所述S1中，所述设计参数包括管道直径D、管道横截面积A、转轮参考直径D
R
、转轮最大许用转速N
max，a
、转轮最大许用压力脉动幅值H
max，a
、调压室的横截面面积A
s
、调压室竖管的横截面面积A
sp
、调压室竖管流量Q
sp
、调压室竖管长度L
sp
、调压室最高水位Z
max，a
以及调压室最低水位Z
min，a
；所述计算需要的常数系数包括重力加速度g、达西
‑
韦斯巴赫摩擦系数f、声波速度a、调压室竖管的达西
‑
韦斯巴赫摩擦系数f
sp
、调压室初始位置、与T型接头和孔口的摩擦水头损耗和局部水头损耗相关的系数k
d
。
[0016]作为优选，所述S2中，所述稳态运行条件包括水轮机在稳定运行时的转速N
ss
、稳定运行状态下水轮机蜗壳内的压力脉动幅值H
ss
以及稳定运行状态下调压室内的水位高度Z
ss
。
[0017]作为优选，所述稳态运行条件的各参数值根据水轮机组的设计参数获得，并参考根据同类机组电站的实际运行状况进行修正。
[0018]作为优选，所述S3中，所述导叶关闭规律为四阶关闭规律，其由4个节点对应的7个控制变量组成，分别为：第一阶段关闭结束时的导叶开度WGO1和时间T
WGO1
、第二阶段关闭结束时的导叶开度WGO2和时间T
WGO2
、第三阶段关闭结束时的导叶开度WGO3和时间T
WGO3
、导叶完全关闭的时间T
tot
。
[0019]作为优选，所述多目标优化算法对导叶关闭规律的7个控制变量和调压室位置同时进行优化，从而得到一组帕累托最优解集，帕累托最优解集中的每一个帕累托最优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，控制方法包括以下步骤：S1、读取输入数据，包括水轮机系统的设计参数以及计算需要的常数系数；S2、输入水轮机的稳态条件作为压力脉动计算的初始条件；S3、采用多目标优化算法对导叶关闭规律的各个节点以及调压室位置进行优化，得到一组帕累托最优解，每一个帕累托最优解分别对应于一个导叶关闭规律以及调压室位置；S4、针对S3中优化得到的每一个帕累托最优解，从所述初始条件开始，按照当前帕累托最优解对应的导叶关闭规律和调压室位置对导叶关闭过程逐步长进行数值计算，模拟水轮机系统在当前帕累托最优解下水轮机甩负荷过程中水力瞬态响应与变化特性，得到导叶关闭过程中水轮机蜗壳内最大压力脉动幅值H
max
和转轮最大转速N
max
的计算结果；S5、以水轮机蜗壳内最大压力脉动幅值H
max
和转轮最大转速N
max
各自的标准化形式作为两个待优化的目标函数H
*
和N
*
，根据S4中的计算结果分别得到每一个帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值，并判断两者是否满足安全裕度条件，若存在一个帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值不满足安全裕度条件，则令对应的H
*
＝∞，N
*
＝∞；S6、基于S5中得到的各帕累托最优解对应的目标函数H
*
和N
*
的值，筛选一个最优帕累托最优解对应的导叶关闭规律和调压室位置作为本轮的迭代结果；S7、判断当前的迭代次数是否满足最大迭代数，若不满足最大迭代数则重新执行S3～S6，若满足最大迭代数，则结束迭代并以最新迭代结果中的导叶关闭规律和调压室位置作为最终确定的导叶关闭规律和调压室位置，用于对水轮机进行压力脉动控制。2.根据权利要求1所述的一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，所述S1中，所述设计参数包括管道直径D、管道横截面积A、转轮参考直径D
R
、转轮最大许用转速N
max，a
、转轮最大许用压力脉动幅值H
max，a
、调压室的横截面面积A
s
、调压室竖管的横截面面积A
sp
、调压室竖管流量Q
sp
、调压室竖管长度L
sp
、调压室最高水位Z
max，a
以及调压室最低水位Z
min，a
；所述计算需要的常数系数包括重力加速度g、达西
‑
韦斯巴赫摩擦系数f、声波速度a、调压室竖管的达西
‑
韦斯巴赫摩擦系数f
sp
、调压室初始位置、与T型接头和孔口的摩擦水头损耗和局部水头损耗相关的系数k
d
。3.根据权利要求1所述的一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，所述S2中，所述稳态运行条件包括水轮机在稳定运行时的转速N
ss
、稳定运行状态下水轮机蜗壳内的压力脉动幅值H
ss
以及稳定运行状态下调压室内的水位高度Z
ss
。4.根据权利要求3所述的一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，所述稳态运行条件的各参数值根据水轮机组的设计参数获得，并参考根据同类机组电站的实际运行状况进行修正。5.根据权利要求1所述的一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，所述S3中，所述导叶关闭规律为四阶关闭规律，其由4个节点对应的7个控制变量组成，分别为：第一阶段关闭结束时的导叶开度WGO1和时间T
WGO1
、第二阶段关闭结束时的导叶开度WGO2和时间T
WGO2
、第三阶段关闭结束时的导叶开度WGO3和时间T
WGO3
、导叶完全关闭的时间T
tot
。6.根据权利要求5所述的一种高水头大容量水轮发电机组压力脉动控制方法，其特征在于，所述多目...

【专利技术属性】
技术研发人员：童哲铭，杨忠琴，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：