水轮机及其调速系统模型优化

水轮机是将水能转换成机械能的水力机械。水轮机模型描述的是水轮机导水叶开度μ和输出机械功率P_m之间的动态关系。在稳定研究中，通常忽略引水管道的弹性，即假设为刚性引水管道，并假设引水管道和水轮机均为理想无损的，且在额定水位及额定转速下额定运行，则相应的传递函数为^[10]

式（2-41）中，T_w为水流时间常数，典型值为0.5～4.0s。式（2-41）右侧分子中的负号反映了水锤效应。实用中常将此增量传递函数关系近似推广用于全量，即

水轮机调速器的基本功能是控制转速，保持原动机转速恒定。此外，调速器的功能还可以扩展到进行“负荷/频率控制”等。水轮机调速器模型描述的是发电机转速ω和水轮机导水叶开度μ之间的传递函数关系。较陈旧的水轮机组多采用机械液压调速器，现代的水轮机组多采用电气液压调速器，这两种调速器在功能上非常类似，动态特性也基本相似。图2-14给出了适合于系统稳定研究的水轮机调速系统传递函数框图^[10，11]。(www.xing528.com)

图2-14 水轮机调速系统传递函数框图

图2-14中，T_P表示辅助阀和伺服电动机的时间常数，K_S表示伺服增益，T_G表示导叶伺服电动机的时间常数，R_P表示永久下降率，R_T表示暂时下降率，T_R表示复位时间，R_max.open表示最大导叶打开速率，R_max.close表示最大导叶关闭速率。该模型的典型参数如下：T_P=0.05s，K_S=5，T_G=0.2s，R_P=0.04，R_T=0.4，T_R=5s，R_max.open=0.16pu/s，R_max.close=0.^16pu/s。