【自动化】千瓦级水力发电机的建模与仿真

武汉理工大学毕业设计（论文）千瓦级水力发电机的建模与仿真学院（系）自动化学院专业班级电气1003班学生姓名宋威指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日摘要本文首先通过介绍当今世界能源短缺的现状，引出了要研究的千瓦级水力发电。千瓦级水力发电属于微型水力发电的范畴，因此本文又介绍了水力发展现状和微型水力发电的技术进展与市场调研。在千瓦级水力发电机的建模前，我还根据水轮发电机的分类对其中的各部分进行了选型，并分析了水轮发电机组各部分，引水系统，水轮机，发电机励磁系统等的数学模型。然后运用MATLAB软件对水轮发电机的各部分分别建模后再依据互相之间的关系建立整个系统的模型，最后在动态的条件下对水轮发电机的运行状态进行仿真分析。论文主要研究了水轮发电机的工作原理和水轮发电机的建模仿真。研究结果表明,在动态的情况下，所设计的水轮发电机组的运行状态基本能够保持稳定，满足用电的基本要求。本文的特色通过反馈同步发电机的运行状态来控制水轮发电机，最后让发电机运行状态基本保持稳定。关键词千瓦级水力发电；水轮发电机；数学模型；MATLAB建模仿真ABSTRACTFIRSTLY,BYINTRODUCINGTHEWORLDSENERGYSHORTAGESITUATION,THISARTICLELEADSTOTHENEEDTOSTUDYKILOWATTHYDROELECTRICPOWERKILOWATTHYDROELECTRICPOWERBELONGSTOTHECATEGORYOFMICROHYDRO,SOTHISARTICLEDESCRIBESTHETECHNICALPROGRESSANDSTATUSOFHYDROANDMICROHYDRODEVELOPMENTANDMARKETRESEARCHBEFOREMODELINGKILOWATTHYDROELECTRIC,IALSOACCORDINGTOTHECLASSIFICATIONOFTHEVARIOUSPARTSOFHYDROWHICHCONDUCTEDTHESELECTIONANDANALYSISOFTHEVARIOUSPARTSOFHYDROELECTRICGENERATINGSET,SUCHASWATERSYSTEMS,TURBINE,GENERATOREXCITATIONSYSTEMS,ETCMATHEMATICALMODELTHENUSEMATLABSOFTWAREFORMODELINGEACHPARTSEPARATELYANDTHENBUILDHYDROENTIRESYSTEMBASEDONTHEMODELOFTHERELATIONSHIPBETWEENEACHOTHER,ANDFINALLYUNDERDYNAMICCONDITIONS,ISIMULATIONANALYSISTHERUNNINGSTATEOFMYMACHINETHESISISMAINLYONTHEWORKINGPRINCIPLEANDTHEMODELINGANDSIMULATIONOFHYDROTURBINEGENERATORTHERESULTSSHOWTHATINTHEDYNAMICCASE,THEDESIGNOFTHEOPERATIONALSTATUSOFHYDROGENERATINGUNITCANMAINTAINTHEBASICSTABILITYOFELECTRICITYANDMEETTHEBASICREQUIREMENTSFEATURESOFTHISARTICLESYNCHRONOUSGENERATORTHROUGHFEEDBACKTOCONTROLTHEHYDRO,ANDLETTHEGENERATORRUNSTATUSREMAINEDSTABLEKEYWORDSKILOWATTHYDROELECTRICPOWERHYDROMATHEMATICALMODELMATLABMODELINGANDSIMULATION目录第1章绪论111选题的目的与意义112国内外水力发电现状1121国内外水力发电发展现状1122小水电发展现状2123微水电开发利用技术进展413千瓦级水力发电微水电4131水力发电原理4132微水电简介4133微型水力发电的市场调研614根据水流信息的发电容量的计算方法6第2章千瓦级水力发电机组的选型821微型水力发电机组的选型822水轮机的类型及选择823发电机的类型及选择9第3章千瓦级水力发电机组的数学模型1031引水系统的数学模型1032水轮机调节系统数学模型11321水轮机的数学模型11322调节器的数学模型1233发电机系统数学模型1334负载数学模型14第4章千瓦级水力发电机组的建模与仿真1641MATLAB软件简介1642仿真模型建立17421水轮机系统建模17422发电机及励磁控制系统建模18423千瓦级水力发电机组系统模型1942仿真分析20431正常运行时发电机运行状态20432突甩负载和突加负载时发电机运行状态21第5章结论23参考文献24附录25致谢26第1章绪论11选题的目的与意义水能是目前世界上可大规模开发的可再生能源之一。我国的水能总蕴藏量、经济可开发量和技术可开发量均居世界第一,但开发率却远远低于世界水平。由于这种原因,我国可再生能源发展“十一五”规划指出,未来我国将加大激励措施的力度以及政策扶持来促进可再生能源开发利用的发展。农村的能源开发利用更应该在有条件情况下,顺应全球能源发展态势,把握好优先考虑开发清洁、技术成熟、经济性好的水能资源，来促进农村的全面发展。中国是一个农业大国,农村能源已成为解决三农问题的重要一环1。由于能源的需求及环境问题的日益严峻，越来越多的国家已将节能、开发可再生能源和清洁能源作为生产发展的长期发展战略。例如水力发电、风力发电和光伏发电等，微型水力发电简称微水电作为水力发电的重要组成部分，是偏远或远离电网地区的重要微电源之一2。微水能资源在我国分布范围很广,包括天然瀑布、天然跌水、急滩、小溪、小河、河湾、泉水、高山湖泊、灌渠跌水、潮汐等,只要能满足机组所需流量和水头要求即可构成可利用的微水力3。微型水力发电作为一种具有良好经济性、无污染、安装使用便捷的小型可再生能源项目逐渐被关注。本文中研究的微水电主要指功率在100KW以下的水力发电系统，它能够利用电力负荷附近的微型水力资源发电，离网独立运行，无需变电，直接向用户供电4。本文通过对微型水力发电的发展现状及基本工作原理的调查研究，并结合自己所学的有关发电机方面的专业知识，运用MATLAB软件对千瓦级的微型水力发电机在静态和动态的情况下进行建模和仿真，观察比较发电机的运行状态会随着哪些因素改变，讨论优化方案让自己在应用过程中对专业知识的理解更加深刻，也为大学生涯划上完整的句号。12国内外水力发电现状121国内外水力发电发展现状全世界可开发的水力资源约为2261亿KW，分布不均匀，各国开发的程度亦各异。世界上最大的发电站是三峡水电站，他的总装机容量1820万千瓦，年平均发电量8468亿千瓦时。美国水电装机容量居世界第一位，加拿大水电比重占全国总装机容量的一半以上，巴西水电装机容量居世界第四位，挪威能源消费中水电占一半5。中国水力发电现状有以下几个特点（1）总量十分丰富，而人均资源量并不富裕实际可开发量按规划数据统计近38亿千瓦、225万亿千瓦时左右，居世界第一位。以电量计，约占世界总量的15，而我国人口却占世界的21，因此人均资源并不富裕。到2050年后，我国达到中等发达国家水平，如按人均装机1千瓦计，全国电力总装机为15亿千瓦16亿千瓦。常规水电即使全部开发出来，加上抽水蓄能电站，水电比例也只占3040左右。（2）分布极不均衡，与经济发展的现状更不匹配资源集中在经济相对滞后的西部，尤其是西南。西部云、贵、川、渝、陕、甘、宁、青、新、藏等10个省自治区，直辖市的水能资源占71，其中西南的云、川、藏三省自治区就占全国总资源量的60，经济发达的东部13个省直辖市辽、吉、黑、京、津、冀、鲁、苏、浙、皖、沪、粤、闽仅占7左右。（3）总开发率很低，东西开发差异极大全国平均开发率仍以规划数据统计，按电量算仅912，位居世界第83位，排在很多发展中国家如印度、越南、泰国、巴西、埃及等国家之后，与中国是发展中大国的位置极不相称。但在东部，水电开发率很高，除国际界河外，已开发70以上，可开发的大型水电站只剩下4座，共161万千瓦，即黑龙江的尼尔基电站25万千瓦、浙江的摊坑电站60万千瓦、大均电站46万千瓦和福建的街面电站30万千瓦。西部各省自治区、直辖市从长远看，能输出水电的主要是云、川、青、藏四省自治区，近期鄂、黔、桂三省自治区也可以根据自身的经济发展和开发情况适当输出。从河流看，能输出电能的主要是金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、澜沧江、怒江和黄河上游青海段。近期长江干流、乌江、红水河含上游均可视情况适量外送。122小水电发展现状世界小水电发展报告WSHPDR2013显示，全球范围的小水电潜在资源约为173GW。世界已知的水电潜在资源中，超过一半位于亚洲，三分之一左右分布于欧洲和美洲。非洲和美洲大陆未来潜力较大。2011至2012年，全球小水电装机总容量10兆瓦以上约为75万千瓦，占小水电资源的43。下图为全球小水电装机容量。图11全球小水电潜在资源分布图世界各大洲的小水电装机和资源开发情况表11欧洲小水电装机和资源开发情况东欧西欧北欧南欧小水电装机273510MW580900MW364330MW562500MW小水电资源349530MW664400MW384130MW1223900MW开发比例78879546表12亚洲小水电装机和资源开发情况东亚东南亚南亚西亚中亚小水电装机4048500MW125180MW356270MW48886MW18350MW小水电资源7531200MW668250MW1807718MW775381MW488000MW开发比例54192064表13非洲小水电装机和资源开发情况北非西非南非小水电装机11500MW8249MW4312MW小水电资源18400MW74252MW38350MW开发比例631111表14美洲小水电装机和资源开发情况南美洲中美洲北美洲小水电装机173480MW59850MW784270MW小水电资源939000MW411630MW909870MW开发比例181586表15澳大利亚、新西兰、太平洋国家和地区小水电装机和资源开发情况澳大利亚和新西兰太平洋国家和地区小水电装机31000MW10210MW小水电资源93200MW30570MW开发比例3333中国小水电开发状况是经过多年的努力，中国拥有249GW的水电装机容量，位居世界第一。其中，小水电拥有45,000台机组和65GW的装机容量，年装机容量占水力发电的27，年发电量占水力发电的25，在水力发电中占有重要的地位。123微水电开发利用技术进展近年来,奥地利研制了微型活动水电站,俄罗斯设计了可自行调节的微型水电站机组,法国投产了虹吸管式微水电发电装置,挪威生产了箱式微水电发电机组,英国WPE公司推出了组合式微型水电站,美国JAMESLEFFEL公司生产了配有简易控制装置的微型整装机组。此外,日本、瑞士等国家都在产品的使用可靠性和自动化控制技术方面也有了很大的突破。微水电技术不仅广泛用于边远偏僻地区的农业生产,而且在城市绿化、私家庭院建设方面也有一定的应用。在我国,关于小水电的相关研究较多,技术也相对成熟。小水电的规划设计方法、水轮发电机组的选型都有相应的规范可依。而对微水电,政府引导和政策扶持力度相对较弱,投入的科研经费也非常有限,微水电的研究一直鲜有人问津。微水电设备价格偏低,利润很薄,生产厂家对技术改造投入过少。长期以来,微水电的设计方法以及水轮机组都直接由小水电的成熟的办法缩小比例套用而来。但实际上,由于显著的比尺效应,这种简单的处理会使得水能利用效率极低,系统效率往往只能达到40左右,所集中的水能资源又被白白浪费。微水电系统的设计、选型不能简单套用小水电的方法,必须有一套相对独立的设计理论和方法。13千瓦级水力发电微水电131水力发电原理水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。为实现将水能转换为电能，需要兴建不同类型的水电站。132微水电简介流动的和落下的水拥有潜在的能量，可以通过水力发电系统转化为电能。小河、小溪以及涌泉形成的流水、跌水也可能建设微型水力发电系统简称微水电，微型水力发电系统由微型水力发电机组、微型水力发电水工建筑及机房等两大部分组成。微型水力发电系统一般定义为发电功率小于100KW的系统。在中国，微型水力发电的覆盖范围为单机容量500KW以下的水力发电系统。微型水力发电系统不仅为无电地区提供用电解决方案，而且是重要的清洁可再生能源。以下是介绍微型水力发电的几个专业名词。水头WATERHEAD又称为落差，它是指上水位和下水位之差。通常把建站前测得的上下水位之差称为毛水头；把进入水轮机之前的水工建筑所占用的落差统称为引水水头；机组排水的尾水渠和电站防洪所需要留出的高度，统称为尾水水头。水头单位为米流量DISCHARGE是一定时间内流过的水的体积。对微型水力发电来说，就是单位时间内流过水轮机的水量。流量单位为立方米/小时。微水力资源MICROHYDROPOWERRESOURCES是指小溪、小河在一定河段长度内水所具有的位能（势能）。微水力资源由水头和流量两个基本要素组成，每处微水力资源都具有特定的唯一性。微型水力发电机组MICROHYDROGENERATORUNIT微型水力发电机组是指将微水力资源的势能转化成符合供电标准的电能的水力发电设备，它主要由微型水轮机、发电机、控制器三个部件组成。将微型水力发电机组的三个部件由生产厂在产地组装、调试，整体供应的机组，称为整装机组。微水电是微型水力发电的简称,是指利用电力负荷附近的微小水能资源发电的水力发电系统。微水电一般离网独立运行,无需变电,可以直接向用户供电或者与地方农网并网运行。在我国,一般认为微水电的覆盖范围为单机容量500KW以下的水力发电系统,包括户用型013KW,村用型330KW和乡用型30500KW。大中型水力发电需要拦截河道,建筑大量水工建筑物,不可避免的对生态环境产生一定改变。而微水电只需简单的水工建筑物,直接利用天然微小水能发电,无水量消耗,不造成自然生态改变和环境污染等负面影响。国家“十二五”规划多次强调能源问题,提出“在保护生态的前提下积极发展水电”。因此,发展环境友好的微水电符合国家大力开发清洁能源的战略需求。微水电的技术和市场运作在可再生能源中相对成熟,其电能转化率远远高于其他可再生能源微水电约50,太阳能约20,单位千瓦造价远低于风能和太阳能户用太阳能5万元左右,户用风力发电2万元左右,微小型水力发电1万元左右。微型水力发电的主要特点是机组设备简单、建设工期短、一次性投资成本低、安装使用方便、管理维修容易。所以,在条件具备地区,优先发展微水电是最为经济可行的。133微型水力发电的市场调研我国微水力资源分布非常广泛,遍及全国30个省区的1600多个市县,尤其是四川、云南、贵州、江西、广西、西藏等地区水源最为丰富,占全国的50以上。在这些山区村寨散居着大部分的农牧民,水力资源充足,完全具备修建微水电站的条件,即使只有零星水源,以我国目前的技术条件,也完全可以利用这些水力资源建设微型水力发电站来解决照明、看电视等生活用电及生产用电。微型水力发电,这项利用自然资源造福人类的极具节能环保优点的社会公益事业,正渐渐被世界各国重视起来。报农业部统计,2004年底,全国20个省市自治区共有微小型水发电机组88436台,装机容量206954KW,发电量2678144万KWH,平均每台机组年发电量为30281KWH,解决346308户无电户、1385万无电人口的生活用电问题实际保有量比统计的要大。据不完全统计,2004年微小水能发电机组产量25000台,装机容量45500KW。全国生产微小型水轮发电设备的企业约40多家,年生产能力5万台以上,其中主要企业是浙江乐清机械厂,云南大理洲力达能源实用技术研究所、广西平南光华电机厂、江西奉新水轮机厂、江苏张家港英德利空调风机厂、江西会昌微型发电机厂、四川洪雅水轮机厂、广西桂林平乐电机总厂、江西赣北水轮发电机公司。随着研究的深人及科技的发展,如今我国已经研制出第二代微型水力发电机组。在微水电研究、生产方面,我国目前处在领先地位。浙江乐清机械厂生产的XJA、XJD、XJE、XJ78等四种斜击式单喷嘴和多喷嘴水轮机系统,效率高、寿命长,技术先进。云南大理州力达能源实用技术研究所在产品研发上下功夫,进行了近二十年的探究,他们采用稀土永磁材料生产发电机。发电机组无励磁系统、无碳刷、效率高、运行可靠、寿命长,彻底解决了在第一代微水电组中存在的一系列难题。其产品经农业部南京微水电中心检测,全部产品的指标均符合国家标准,被公认为第二代微水电产品的代表。在产品的深度开发上,他们还研制出与微水电和小水电配套的“以电代柴”产品“电力蓄能电炉”。此产品如能得到广泛应用,将在国家环境保护、资源的节约、社会经济的可持续发展等方面发挥巨大的作用。近年来,他们的产品已出口到美国、英国、法国、智利、几内亚、俄罗斯、东南亚等国家及地区。这些发达国家在他们的援助项目中,都选用云南大理州力达能源实用技术研制的微水电产品。其中法国电力公司在对多家微水电同类产品进行仔细的分析后,决定与大理州力达能源实用技术研究所合作,提出共同开发生产微水电产品,在世界范围的缺电地区推广应用计划。14根据水流信息的发电容量的计算方法（1）水轮机的主要参数设置，包括水轮机的功率和水轮机的效率。水轮机的功率是指水流所蕴藏的水能通过水轮机后所能转化的机械能，可用表示。SP（11）SSQHP819式中水轮机水头（米）；H水流的流量（米3/秒）；Q水轮机效率，一般在之间。S806（2）水轮机效率是指水轮机轴输出功率（发电机轴的输入功率）与输入水轮机的功率的比值，通常用（12）PSN/式中水轮机输出功率（千瓦）；SP水轮机输入功率（千瓦），。NQHP819微型水轮机的效率比较低，一般。小型水轮机的效率可稍高，一般706S。是水轮机工作在额定的水头和额定流量的条件下的效率，如果实际工作807SS水头或流量小于额定值，水轮发电机组将达不到保证功率，这一点必须特别注意。（3）水轮机转速，它是水轮机的一个重要参数，单位为转/分。当水轮机在额定转速下运行时，发电机才能发出工频50赫兹交流电压。挡水轮机组的负荷在额定功率以内时，水轮机转速与水头及转轮直径有关，其关系为（13）11/DHN式中水轮机转速（转/分）；N净水头（米）；H转轮直径（米）；1D最优单位转速（转/分）。（4）估算微型水力发电机组的发电容量可用以下公式（14）QHGN21式中微型水力发电机组的发电容量（千瓦）；N机组效率，一般为0405；1引水效率，一般为080095；2重力加速度（取981米2/秒）；G发电站水头（米）；H水流流量（米3/秒）Q水电站出力不光受到流量和水头两个因素制约，于此同时也会受水轮发电机组额定容量的限制。水电站发出最大功率称为水电站的最大出力；受各种条件限制（包括流量、水头和机组技术条件等）所能发出的最小功率称为水电站的最小出力；在某一时段中功率的平均值称为该时段的平均出力；在相应于水电站设计保证率的时段内所能发出的平均出力称为保证出力。保证出力是确定水电站能够承担电力系统负荷的工作容量的依据，是选择水电站装机容量时一项主要的动能指标。水电站24小时出力的平均值称为日平均出力。在一日内，出力随时间的积分值就是水电站日发电量。第2章千瓦级水力发电机组的选型21微型水力发电机组的选型微型水力发电机组一般按水轮机的适用的水头分为低水头机组（适用水头1220米）、中等水头机组（适用水头1540米）、高水头机组（适用水头25米以上）三类。100KW以下的低水头机组多采用轴流式水轮机。微型轴流式机组多为立式，其中又分为带蜗壳的轴流式水轮机（适用水头420米）和明槽轴流式水轮机（适用水头126米）两种。带蜗壳的轴流式水力发电机组的结构带有蜗壳，明槽轴流式水力发电机组没有蜗壳，造价低，但在安装时需要用水泥浇筑蜗壳。100KW以下的中水头水轮机组多采用双击式和轴伸贯流式两种。双击式微型水力发电机组，该机组安装简便，流量可调。但转速低，发电机需要增速传动，整机效率较低；轴伸贯流式微型水力发电机组，其整机效率较高，安装简便，但造价较高；混流式机组，因其效率高，工作寿命长，也常在选择之例，但机组造价高。100KW以下的高水头机组多采用斜击式水轮机。斜击式水轮机有立式和卧式，小功率机组多采用立式，较大功率的机组采用卧式，斜击式水轮机结构简单，机组造价低，流量可调，安装也很方便。水轮机与发电机之间的传动有直接和间接两种方式。直接传动用于水轮机与发电机转速相吻合的情况，采用联轴器联接水轮机和发电机。这种形式传动效率高，结构简单，维护方便；当发电机转速与水轮机转速不同时，常采用皮带传动和联接水轮机和发电机，进行间接传动。微型水轮发电机组中的间接传动，常采用平皮带传动和三角皮带传动。根据水轮机和发电机的布置形式，平皮带传动又分为开口传动和半交叉传动。开口传动用于两轴平行的传动。半交叉传动用于水轮机轴与发电机轴成90度交角（一个为立式装置，一个为卧式装置）的传动，只适用于变速比小，且不能逆转的地方。微型整装水轮发电机组通常为直接传动，整体性好，效率高。直立安装的机组称为立式机组。它的主轴是竖立的，一般采用直接传动。轴流式微型水力发电机组是典型的立式机组。主轴是水平安装的机组，称为卧式机组，它一般采用间接传动，也有直接传动的（如贯流式机组）。选用立式机组占地面积小、土建投资低。22水轮机的类型及选择水轮机是将水能转化为机械能，带动发电机发电的关键设备，其效率、寿命、可操作性、可维护性和维护周期是重要的指标。根据水头、流量和用电量选择合适的机型非常重要。通常低水头、大流量的水轮机的价格高于高水头、小流量的水轮机价格。如果用高水头的水轮机代用低水头水轮机，系统的发电效率会大幅度降低。对于单机容量100KW以下的微型水力发电，推荐采用整装机组，以保证机组质量和节省投资。目前在中国市场上，包括整装机组在内的微型水力发电机组价格差异很大，相同标称功率的同类机组，价格差异超过20倍；同时在微型水力发电机组的品质方面也是差异很大，效率差异超过2倍、寿命差异超过15倍、维护周期差异超过20倍等。采购时要从以下几方面对机组进行质量鉴别设计、制造标准；产品成套性；制造质量；服务承诺等。23发电机的类型及选择发电机的结构主要因励磁方式的不同而异。目前中国常用的微型水力发电机有三种永磁同步发电机，异步发电机，同步发电机。永磁同步发电机结构最为简单，但不同产品性能差异大，其机组容量小，目前在百瓦级机组中使用最广。异步发电机的运用一般由异步电动机配上励磁电容改制而成，借助于异步电动机批量生产的优势，价格低，但励磁电容可靠性差，效率较低，并且容易产生失磁现象。微型水力发电专用的同步发电机，效率高、电压调节性能好、可靠性高。要保证水轮发电机的输出电压和频率满足用电需求，不能用永磁同步发电机，而可以选用异步发电机或者同步发电机。表21列出异步发电机和同步发电机的优点和缺点比较。考虑到所设计的千瓦级水轮发电机需要在离网状态下独立运行，应该选择同步发电机。表21异步发电机和同步发电机的优点和缺点比较项目异步发电机同步发电机结构定子与同步发电机相同，转子为鼠笼型，结构简单，牢固转子上有励磁绕组和阻尼绕组，结构比较复杂励磁由电网取得励磁电流，不需要励磁装置及励磁调节装置需要励磁装置及励磁调节装置尺寸及总量无励磁装置，尺寸较小，重量较轻有励磁装置及历次调节装置并网强制并网，不需要同步装置需要同步装置功率因数功率因数有输出功率决定，不能调节，由于需要电网供给励磁的无功电流，会导致功率因数下降功率因数可以很容易的通过励磁调节装置予以调整，既可以在滞后的功率因数下运行，也可以在超前的功率因数下运行单独运行及电压调节单独运行时，电压、频率调节比较复杂单独运行时可以很方便的调节电压第3章千瓦级水力发电机组的数学模型31引水系统的数学模型当转速变化时，调速器会按照水轮机工作状态自动调节水轮机导叶关闭或开启，导致引水管道中的流量及流速发生变化。由于水的流动存在惯性，并且需要考虑到水体和管壁都存在弹性，开始先是引起阀门处压力上升或下降，然后压力以波的形式向上游传播，经过水库反射后又向下游传播，从而造成管道内水压力上升或下降，这种现象称为水击。水击压力既直接影响水轮机出力，更重要的是水击作用效果恰好与导叶调节作用相反，严重恶化水轮机调节系统动态性能。因此，调节系统动态特性与引水系统特性密切相关。水轮机引水系统如图31所示。图31水电站机组引水系统在调节系统小波动情况下，压力管道长度时，采用刚性水击模型的误608LM差是满足工程要求的。刚性水击模型假设水和管壁没有弹性，都是刚性的，水击压力波瞬间传播到整个压力引水管道，水击压力可描述为31DQHGAT式中，为水击压力，为管道中流量，为管道长度，为管道截面面积6。HQLA考虑到流量可表示为初始流量与流量变化值之和，于是0，对式（31）取相对值得0DQDTTT32WDQHTT式中，。其中，为额定水头，为额定流量。对RHHRQQRWLGAHRRQ式（32）两边取拉氏变换得33WSTQS于是引水系统传递函数为34HWHSGTQ式中，为水流惯性时间常数，可理解为以额定水头加速管道中水流到额定流量WTR所需要的时间。越大，水击压力越大，对调节过程影响越大。的取值一般为RQWT。S450刚性水击引水系统方块图如图32所示。WTSQH图32刚性水击引水系统方块图32水轮机调节系统数学模型321水轮机的数学模型在水轮机工况缓慢变化时可近似用稳态特性描述其动态特性，实践表明，当水轮机工况变化时，理论分析结果与实测结果的误差是允许的。水轮机动态特性常采用水1S轮机稳态工况下的力矩特性和流量特性表示，35,TTMNH36Q式中，为水轮机力矩，为水轮机流量，为导叶开度，为机组转速，为水TMNH轮机工作水头。在小波动情况下，设水轮机的初始工况点为，。进入动态过程000后，。将式（35）、（36）隐函数表示的力矩特00N0H性和流量特性在工况点展开为泰勒级数，并忽略二阶及以上高阶微量，得,370,TTTTTTMMNNNH380,QQH取相对值，有39MAXTTTRRRTRRMYHNH310MAXTTRRRRRQQYHNH式中，为力矩偏差相对值，为流量偏差相对值，为导叶开TTRMMEQMAXY度偏差相对值，为转速偏差相对值，为水头偏差相对值。令RNXRHH311MAX,TTTRRRYHRRMEENH312MAX,RRRQYQQHRRQQEEN式中，为水轮机力矩对导叶开度传递系数，为水轮机力矩对转速传递系数，YEX为水轮机力矩对水头传递系数，为水轮机流量对导叶开度传递系数，为水轮机流HEQYEQXE量对转速传递系数，为水轮机流量对水头传递系数7。QHE于是，式（39）、（310）可写为313TYXHME314QQ经拉氏变换得水轮机传递函数为315TYXHMSEYXSEH316QQQQ322调节器的数学模型调节器型调速器一般采用并联PID控制规律，如图33所示。PKIS1DNKTSPB11YAKTSXSYSFCS图33并联PID调节器型调速器方块图为微分环节时间常数，由于，取，得调节器型调速器在频率调节模NTNDTK0N式下的传递函数为317211PIRPDPPIYASKYSKGXBSBTS由于电网频率基本保持不变，机组并入大电网后，在人工频率死区范围内，机组不参与频率调节，调速器接受人为给定的开度值控制机组开度，得调节器型调速器在开度调节模式下的传递函数为318211DPIFPFPPIYAKSYSKGBCSBKTS33发电机系统数学模型三相同步发电机仿真程序的编写基于同步发电机的数学模型，因此，首先要建立发电机的数学模型。同步发电机运行分为对称运行和不对称运行。对称运行采用DQ0系统仿真，不对称运行采用系统仿真。本文只分析对称运行状态，故根据第三章分析，D0Q可以建立在DQ0坐标系统下的发电机的数学模型，其模型如下319DDSQTQQDDFDFFTKKKDQQQTDMFKDQDQKFFDKDKDKDMFQQQURIIRLIIIILII式中D、QDQ0坐标系轴坐标；R、S定转子轴坐标；L、M自感和互感；F、K励磁绕组和阻尼绕组。上述数学模型是在假设发电机含有阻尼绕组的基础上写出来的；当发电机没有阻尼绕组时，在上述数学模型的基础上去掉相应的电压方程和磁链方程即可10。即320DDSQTQQDTDFDFDFTMFKDQDQKFFDKDURILIIII34负载数学模型1GM1K22GNMNKGMM11G图34负载力矩简化模型在图34中，表示发电机，表示负载力矩，表示断路器。G1GNM1NK初始稳定工况时，设，全部闭合，发电机负载力矩0K。在时刻断开，切除，发电机负荷减少。001NGGIIMT1MN1GMGNM当时，调节系统进入到动态过程，于是有T001GGII321000011MNGGGIGIGIIIMM式（321）第一项可写成3220011MGIGIGIIIDM令式（321）第二项，于是式（331）变为001NGIGIMM32301MGIGGID对式（323）取相对值，得3240GGEX式中，。GGRMMRX1IMRGIRMDE00GGR表示发电机负载力矩随转速的变化率，其数值大于零。当转速升高时，这部分GEGEX负载力矩增加，从而抑制了转速的进一步升高；当转速下降时，这部分负载力矩减小，GEX从而抑制了转速的进一步降低，因而也称为发电机负载自调节系数。GE由式（324）知，发电机负载力矩可分为两部分，第一项表示调节系统进入动态GEX过程时随转速变化的力矩，第二项表示在切除或投入的时刻负载力矩，这0GMT0部分力矩不随转速变化，是调节系统的负荷扰动力矩。第4章千瓦级水力发电机组的建模与仿真41MATLAB软件简介MATLAB，MATRIXLABORATORY的缩写，即矩阵实验室的缩写。是国际上最流行的科学与工程计算软件之一。它是由美国MATHWORKS公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理想集成环境12。最初，它被用来专门的矩阵运算，后来经过发展，其与已经成为一种功能全面的软件，CLEVEMOLER和JOHNLITTLE等人成立了一个名叫THEMATHWORKS公司，该公司于1984年推出了第一个MATLAB商业版本，此后，新的版本不断出现，至今到了MATLAB71版本。这个过程是一个版本功能越来越强大，应用范围越来越广的过程。现在，它不仅仅是矩阵实验室了，它已成为一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言6。MTALAB系统由五个主要部分组成集成开发环境、语言句柄图形系统、数学函数库、应用程序接口API、MTALAB编译器总之。MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务13。它的优点有（1）语言简洁紧凑，使用方便MATLAB允许用户以数字形式的语言编辑程序，并且，用户可以在命令窗口中输入命令后，系统后立即得出结果。这一点比其它高级语言如C、FORTRAN、BASIC等都要方便。（2）源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。（3）可以支持多种操作系统MATLAB可以在多种操作系统上运行，如WINDOWS2000/XP及不同版本的UNIX操作系统，并且，在一个操作系统上编制的程序可以在不需要修改的情况下转移到其它操作系统中，在一个平台上编写的数据软件也可以在不需要修改的情况下转移到其它平台上，这说明程序的可移植性好，这对用户来说是极大的方便。（4）丰富的内部函数MATLAB的内部函数有丰富的函数，这些函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性，利用这些函数可以解决很多问题，同时，MATLAB还有各种工具箱。其工具箱又分为两类功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是用于专业性比较强的，解决特定领域的复杂问题。（5）强大的图形和符号功能MATLAB具有较强的编辑图形界面的能力。它本身有很多的绘图库函数，可以很简单绘出二维和多维图形，同时，MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，这些符号功能可以和其它相关软件功能相媲美。（6）可以自动选择算法MATLAB许多功能函数有自适应能力，这就意味着其会根据情况自动选择最合适的算法，而使用其它语言编程时，一般要在算法的选择上下一番功夫。（7）与其它软件和语言有良好的连接性MATLAB与MAPLECBASICFORTRAN等语言都可以很方便的连接，用户只需将EXE文件换成MEX文件即可，这样对于用户来说，可以最大限度的利用各种资源的优势，使MATLAB编制的程序能够做到最大程度的优化。它的缺点有（1）MATLAB是一种合成语言，和一般的高级语言相比，程序运行的时间更长，但是，随着计算机的运行速度变快，加上用MATLAB语言编程的省时，总的说来，从编程到运行程序，运用MATLAB还是比用其它语言节省时间。（2）MATLAB软件的比较贵，但鉴于其对我们来说有极大的用途，我想，还是比较值。并且，THEMATHWORKS公司推出了价格相对比较便宜的MATLAB的学生版。可以预测，MATLAB还将在未来保持着竞争优势，其受欢迎程度有增无减。在这里，我们主要利用MATLAB中SIMULINK功能，因此，有必要介绍一下SIMULINK仿真。SIMULINK是一个针对动力学系统建模、仿真和分析的软件包，具有非常高的开放性，提倡将模型通过框图形式表示出来，具有较高的交互性，允许随意修改模型参数，并且可以直接使用MATLAB的所有分析工具，对最后得到的结果进行分析，并能够将结果可视化显示。SIMULINK提供了大量的模块，方便用户快速的建立动态的系统模型，用户只需用鼠标进行简单的托放和模块间的连接，就能建立非常复杂的仿真模型，SIMULINK非常实用，应用领域广泛，在电子、数学、通信、控制等都有应用。42仿真模型建立421水轮机系统建模根据第3章中水轮机数学模型，在MATLAB软件TQYQXQHMSEYXSEHQ中建立水轮机模型，如图41所示。图41水轮机仿真模型图中的红线输入为同步发电机反馈的转速信息，红线输出为水轮机输出给同步发电机的力矩。水轮机系统模型中还包含了引水系统模型，见图41中的传递函数由Q到H。图42转速与导叶开度输出模块422发电机及励磁控制系统建模同步发电机模型如图43所示。图43同步发电机仿真模型同步发电机的参数设置如下发电机励磁控制系统如图44所示。图44发电机励磁系统仿真模型发电机励磁系统中的4个红线输入分别为通过同步发电机反馈回的D轴电压、Q轴电压、发电机发出的有功功率、发电机发出的无功功率，而一个红线输出为送入同步发电机的励磁电压。423千瓦级水力发电机组系统模型根据水轮发电机各部分相互之间的关系，加上模拟小村乡的用电用户的负载模型，连接成最后的模型，如图45所示。图45水力发电机组仿真模型42仿真分析431正常运行时发电机运行状态第一步，设置发电机额定转速为1500R/MIN，单相额定电压的有效值为220V，其开机启动过程波形如图46。图46水轮发电机起动转速电压波形启动过程中经过PID调节和反馈控制环节，发电机转速稳定为1500R/MIN，调节时间为58S，发电机的单相电压有效值稳定为220V，调节时间为58S。然后使发电机工作在额定状态下，同步发电机的参数设置为P7KW，FN50HZ，UN400V,所带的负载的总和为P7KW，Q1400VAR。同步发电机正常运行时，各参数分别为转速、有功功率、无功功率、单相电压有效值的波形如图47。图47同步发电机正常运行状态各参数波形由仿真结果可知，同步发电机工作在正常状态时，同步发电机的转速保持1500R/MIN,所发出的有功功率保持7KW，无功功率保持1400W,一相的电压有效值均是稳定的保持2234V不变。同步发电机的额定电压略高于380V，考虑到了输电线路的损耗，最终到达负载的相电压为2234V，约为220V与实际相符。432突甩负载和突加负载时发电机运行状态在2S，4S时，分别使一个P1KW,Q200VAR的负载断开与输电线路的连接，观察同步发电机的转速、发出的有功功率、无功功率和单相电压有效值的变化；然后再在6S，8S时，分别增加一个P1KW,Q200VAR的负载连入输电线路，再观察同步发电机的转速、发出的有功功率、无功功率和单相电压有效值的变化，其波形如图48。图48突甩负载和突加负载时同步发电机的各参数波形由仿真结果可以看出，在突甩负载时，会对电路的各参数都有一定的影响，转速会在略微变大后，又返回1500HZ而趋于稳定，转速最大值为1510HZ，超调量为0667，26S是基本回到稳态，调节时间06秒。有功功率和无功功率会在每次突甩负载后也有一定的抖动后分别在减少1KW和200VAR的位置趋于稳定，其中第一次突甩负载时有功功率超调量为0417，到25S时基本回到稳态，调节时间为05S，无功功率超调量为1333，调节时间为06S。同步大电机发出的电压也会在突甩负载后变大一些，其超调量为1791，调节时间为13S，再返回原值最后趋于稳定。在突加负载时，同步发电机的转速会有一定的降低，然后经过调节系统调节而返回1500HZ趋于稳定，有功功率和无功功率会在每次增加负载之后有一定的抖动后分别在原值基础上增加1KW和200VAR而趋于稳定，相应的同步发电机发出的电压也会有略微的降低后返回220V又稳定。考虑到导叶开度的软件仿真无时间延迟，与现实中机械系统会有略微的差别，此仿真结果为理性状态下的简单水力发电机的动态运行状态。第5章结论本文研究了微型水力发电的发展，微型水力发电作为一种具有良好经济性、无污染、安装使用便捷的小型可再生能源项目逐渐被关注。本文中研究的微水电主要指功率在100KW以下的水力发电系统，它能够利用电力负荷附近的微型水力资源发电，离网独立运行，无需变电，直接向用户供电。以及千瓦级的微型水力发电机的基本原理和微水电开发利用技术进展，包括世界上微型水力发电机技术发展和中国国内微型水力发电技术发展。接下来是水轮发电机的类型及选择。微型水力发电机组的类型，水轮机的类型，发电机的类型。对于