【现货速发】水电机组建模理论

复杂工程系统研究的一般方法是将其分解为多个子系统并抽象为数学模型，利用各种数学工具和动力学理论开展研究。水电机组就是这样一个复杂的水、机、电多场耦合动力学系统，其建模涉及水力、机械、电气、动力学等多学科交叉领域。一方面，由于学科跨度较大，不同专业和学科领域的研究者，对本专业领域熟悉的对象可采用不同详细程度的数学模型，而对不熟悉的专业领域，所采用的数学模型大多为局部简化模型，例如：水机专业对发电机部分不熟悉，研究中大多采用简化的一阶发电机模型，而电气专业不熟悉水机部分，研究中大多假设水轮机机械力矩不变，或采用刚性水击下的水轮机简化模型；另一方面，非线性科学的快速发展及其在水电机组相关领域的应用成为研究热点，在一定程度上也导致对水电机组对象特性基础理论的深入研究。

近年来的许多研究都表明，水电机组涉及的水、机、电三方面的因素相互影响是明显的，将其作为一个整体纳入统一的理论框架下开展研究，可揭示更多的耦合作用机理。因而，将水电机组作为一整体研究其运行控制和稳定分析问题已成必然趋势。而有关水电机组建模方面尚无论著进行系统的介绍。为便于系统学习和研究，本书结合作者十余年来对水电机组数学建模的研究工作，对水电机组建模问题进行了系统的陈述和分析。 本书分为九章，章研究对象概述，主要理清暂态过程研究的主要对象；第二章水力系统基本模型，介绍了经典的特征线方法和传递函数描述方法；第三章水轮机模型，介绍了传统的水轮机功率模型和几种新的功率计算模型；第四章水力系统及水轮机微分方程模型，介绍了刚性和弹性水击下水轮机非线性微分方程模型，以及复杂水力系统解耦和多机微分方程的建模问题；第五章水轮机广义哈密顿建模，采用广义哈密顿实现理论建立刚性水击和弹性水击下的哈密顿模型；第六章发电机模型，从动力学角度建立发电机微分方程模型，并给出了不同情形下的简化形式；第七章发电机哈密顿建模，从发电机的拉格朗日体系出发转化为广义哈密顿模型，并给出了简化方式和水电站局部多机发电机哈密顿模型；第八章水力机组轴系模型，采用轴系集中参数建模方法建立轴系振动的暂态模型，并转化为广义哈密顿形式；第九章调速和励磁控制单元，简单介绍了调速和励磁控制基本原理和构成。

本书内容由对传统理论的梳理和作者课题组的研究成果组成。相关研究成果主要来源于作者承担的国家自然科学基金项目“水力机组主动控制策略研究，51579124”、“水力机组暂态稳定的参数关联机制及控制策略研究，1179079”、“基于广义哈密顿理论的水力机组内部关联机制与控制策略，50949037”，参与的国家自然科学基金重点项目“水电站的水机电耦合研究，50839003”，以及其他一些基金项目和部分企业委托项目的成果。一些关键知识点和公式的详细分析和讨论，掌握核心概念和知识细节是本书的写作特点，期望读者对传统理论学习理解的基础上对发展趋势有一定的认识。

本书分为九章，*章研究对象概述，主要理清暂态过程研究的主要对象；第二章水力系统基本模型，介绍了经典的特征线方法和传递函数描述方法；第三章水轮机模型，介绍了传统的水轮机功率模型和几种新的功率计算模型；第四章水力系统及水轮机微分方程模型，介绍了刚性和弹性水击下水轮机非线性微分方程模型，以及复杂水力系统解耦和多机微分方程的建模问题；第五章水轮机广义哈密顿建模，采用广义哈密顿实现理论建立刚性水击和弹性水击下的哈密顿模型；第六章发电机模型，从动力学角度建立发电机微分方程模型，并给出了不同情形下的简化形式；第七章发电机哈密顿建模，从发电机的拉格朗日体系出发转化为广义哈密顿模型，并给出了简化方式和水电站局部多机发电机哈密顿模型；第八章水力机组轴系模型，采用轴系集中参数建模方法建立轴系振动的暂态模型，并转化为广义哈密顿形式；第九章调速和励磁控制单元，简单介绍了调速和励磁控制基本原理和构成。

曾云， 男，1965年3月出生，博士，教授/博导。1985年毕业于昆明理工大学水电站动力设备专业，1994年毕业于河海大学机电控制及自动化专业，2008年河海大学水利水电工程专业获工学博士学位。2010年到英国阿伯丁大学合作研究一年。主要从事水力机组的运行稳定性与控制策略研究。在理论研究方面，应用非线性动力学、非线性控制理论探索复杂水力机组及其系统多场耦合条件下，运行稳定与控制的动力学机理。在工程应用方面，涉及水力机械及其系统运行稳定分析、试验测试、控制设计与实现等工程实际问题。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目3项、作为主要成员参与1项国家基金重点项目的研究。2011、2012年作为非政府组织(NGO)世界自然基金会(WWF)的咨询专家参与大型水电站的可持续性评估等工作。2014年参与国家自然科学基金委编写：《十三五水力装备学科发展战略报告》。作为组委会主席组织召开了二届“计算建模与模拟进展”国际会议。在《Nonlinear Dynamics》、《中国科学》等期刊以及国际会议发表论文70余篇，其中SCI、EI收录50余篇，申请国家发明专利已获授权8项。现为中国动力工程学会水轮机专委会委员，中国水力发电工程学会自动化专委会委员，中国南方计算力学学会委员，云南省力学学会理事；2017年成为国家自然科学基金委水利科学与海洋工程学科（E09）会评专家，中国博士后基金会函评专家，水利部水资源论证专家。钱晶，女，1967年6月出生，硕士，教授。1989年毕业于华中科技大学,电力系统及其自动化专业，学士学位，2000年四川大学电力系统及其自动化专业获硕士学位。？主持军民融合重点项目1项，国家自然科学基金项目2项，云南省自然科学基金项目1项，云南省教育厅科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目6项，主持和参与多个企业委托项目的研究。在《Nonlinear Dynamics》等杂志及国际会议发表学术论文50余篇，其中SCI、EI收录近30余篇，获得云南省科技进步奖三等奖1项（4），授权专利2项。主持校级精品课程1项，获校级教学成果奖2项，伍达观教育基金“优秀教师奖”1项。？主要科研方向为发电机组的稳定控制及其对电网的影响。理论方面主要研究非线性控制理论在发电机稳定控制及对电网的影响。近年的研究方向主要是应用广义哈密顿系统理论研究多场耦合条件下发电机及其系统的多场耦合特性、运行稳定性，风光水多能协同下的机组稳定控制理论及其分析方法等。工程应用方面，主要涉及发电机系统稳定运行分析、控制设计、试验测试，以及变电站、电网方面实际工程的工程技术问题。

章 研究对象概述
节 水电机组功能单元构成
第二节 水电机组模型概述

第二章 水力系统基本模型
节 管道运动基本方程
第二节 管道水击的特征线方法
第三节 管道动态的传递函数描述I
第四节 管道动态的传递函数描述II
第五节 水力损失的影响
第六节 推荐的水力系统模型

第三章 水轮机模型
节 六个传递系数描述的线性化模型
第二节 电力系统应用的水轮机线性化模型
第三节 水轮机非线性模型
第四节 水轮机力矩模型的扩展

第四章 水力系统及水轮机微分方程建模
节 刚性水击微分方程模型
第二节 弹性水击微分方程模型
第三节 弹性水击非线性微分方程建模
第四节 一管多机系统刚性水击微分方程模型
第五节 一管多机系统弹性水击微分方程模型
第六节 一管多机带隧洞和调压井的弹性水击解耦模型

第五章 水轮机广义哈密顿建模
节 广义哈密顿建模理论简介
第二节 刚性水击水轮机哈密顿模型
第三节 弹性水击水轮机哈密顿模型I
第四节 弹性水击的水轮机哈密顿模型II
第五节 三种水轮机哈密顿模型的比较

第六章 发电机数学模型
节 动力学基础
第二节 发电机的拉格朗日方程
第三节 实用参数表示的发电机模型
第四节 发电机线性化模型

第七章 水轮发电机广义哈密顿模型
节 水轮发电机哈密顿建模
第二节 实用参数描述的发电机哈密顿模型
第三节 对应于传统三阶模型的哈密顿模型
第四节 水电站局部多机条件下五阶发电机哈密顿模型

第八章 水力机组轴系横向振动模型
节 轴系基本模型
第二节 拉格朗日系统的相对值形式
第三节 轴系广义哈密顿建模
第四节 轴系振动的解析表达式
第五节 基于轴系实测摆度提取特征参数

第九章 调速和励磁控制单元
节 调速控制原理
第二节 调速器控制单元
第三节 发电机励磁调节原理
第四节 励磁控制单元
第五节 电力系统低频振荡和PSS

本书分为九章，*章研究对象概述，主要理清暂态过程研究的主要对象；第二章水力系统基本模型，介绍了经典的特征线方法和传递函数描述方法；第三章水轮机模型，介绍了传统的水轮机功率模型和几种新的功率计算模型；第四章水力系统及水轮机微分方程模型，介绍了刚性和弹性水击下水轮机非线性微分方程模型，以及复杂水力系统解耦和多机微分方程的建模问题；第五章水轮机广义哈密顿建模，采用广义哈密顿实现理论建立刚性水击和弹性水击下的哈密顿模型；第六章发电机模型，从动力学角度建立发电机微分方程模型，并给出了不同情形下的简化形式；第七章发电机哈密顿建模，从发电机的拉格朗日体系出发转化为广义哈密顿模型，并给出了简化方式和水电站局部多机发电机哈密顿模型；第八章水力机组轴系模型，采用轴系集中参数建模方法建立轴系振动的暂态模型，并转化为广义哈密顿形式；第九章调速和励磁控制单元，简单介绍了调速和励磁控制基本原理和构成。

曾云， 男，1965年3月出生，博士，教授/博导。1985年毕业于昆明理工大学水电站动力设备专业，1994年毕业于河海大学机电控制及自动化专业，2008年河海大学水利水电工程专业获工学博士学位。2010年到英国阿伯丁大学合作研究一年。主要从事水力机组的运行稳定性与控制策略研究。在理论研究方面，应用非线性动力学、非线性控制理论探索复杂水力机组及其系统多场耦合条件下，运行稳定与控制的动力学机理。在工程应用方面，涉及水力机械及其系统运行稳定分析、试验测试、控制设计与实现等工程实际问题。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目3项、作为主要成员参与1项国家基金重点项目的研究。2011、2012年作为非政府组织(NGO)世界自然基金会(WWF)的咨询专家参与大型水电站的可持续性评估等工作。2014年参与国家自然科学基金委编写：《十三五水力装备学科发展战略报告》。作为组委会主席组织召开了二届“计算建模与模拟进展”国际会议。在《Nonlinear Dynamics》、《中国科学》等期刊以及国际会议发表论文70余篇，其中SCI、EI收录50余篇，申请国家发明专利已获授权8项。现为中国动力工程学会水轮机专委会委员，中国水力发电工程学会自动化专委会委员，中国南方计算力学学会委员，云南省力学学会理事；2017年成为国家自然科学基金委水利科学与海洋工程学科（E09）会评专家，中国博士后基金会函评专家，水利部水资源论证专家。钱晶，女，1967年6月出生，硕士，教授。1989年毕业于华中科技大学,电力系统及其自动化专业，学士学位，2000年四川大学电力系统及其自动化专业获硕士学位。？主持军民融合重点项目1项，国家自然科学基金项目2项，云南省自然科学基金项目1项，云南省教育厅科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目6项，主持和参与多个企业委托项目的研究。在《Nonlinear Dynamics》等杂志及国际会议发表学术论文50余篇，其中SCI、EI收录近30余篇，获得云南省科技进步奖三等奖1项（4），授权专利2项。主持校级精品课程1项，获校级教学成果奖2项，伍达观教育基金“优秀教师奖”1项。？主要科研方向为发电机组的稳定控制及其对电网的影响。理论方面主要研究非线性控制理论在发电机稳定控制及对电网的影响。近年的研究方向主要是应用广义哈密顿系统理论研究多场耦合条件下发电机及其系统的多场耦合特性、运行稳定性，风光水多能协同下的机组稳定控制理论及其分析方法等。工程应用方面，主要涉及发电机系统稳定运行分析、控制设计、试验测试，以及变电站、电网方面实际工程的工程技术问题。