抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰及方法与流程
本发明属于水电站控制技术领域，具体涉及一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰及方法。
背景技术：
水轮发电机是由水力驱动的同步发电机，水库或河道上游的水经引水管进入水轮机蜗壳，驱动水轮机旋转，把水的势能转化为动能，流出水轮机蜗壳的尾水流入水库或河道的下游。旋转的水轮机驱动发电机，把动能转化为电能并送入电网。
水轮发电机输出的电功率必须是稳定的，调节过程中引起的功率变化也必须快速收敛，否则就会引起水轮发电机功率振荡。水轮发电机功率振荡可分为低频振荡(2.5hz～0.1hz)和超低频振荡(0.1hz～0.01hz)。引起低频振荡的主要原因之一是励磁控制系统产生负阻尼，有效解决方法是配置电力系统稳定器pss，用附加正阻尼抑制低频振荡。引起超低频振荡的主要原因之一是调速器系统产生负阻尼，有效缓解方法是改变调速器，特别是一次调频参数，降低调速器所产生的负阻尼。引起超低频振荡的另一个原因是一种水力作用，比如水库水位周期性波动，引水管、蜗壳或尾水管压力脉动过大等。
还有一种两台水轮发电机尾水互相作用引起的超低频振荡，是因为这两台水轮发电机共用一条尾水渠，并且在某种条件下，两条尾水支管之间产生压力振荡，进而引起发电机功率振荡。由于这种振荡与发电机的机电设备及其控制系统没有关系，因此解决此类振荡的唯一办法，是采用水力和水工技术措施，消除这种尾水压力振荡。
目前，解决尾水支管压力振荡最常见的措施，主要有两条。第一是避开引起尾水压力振荡的运行条件，比如限制水轮发电机功率输出等，破坏诱发振荡的条件，只能是临时措施，极不经济。第二是改造尾水流道，包括修建闸门等，提高流道水压振荡正阻尼。由于水电站尾水渠一般属于地下建筑，改造尾水流道，不仅施工难度大，而且施工时间长，也极不经济。因此，工程实践和理论都需要一种新技术和新方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰及方法，在保证发电机运行效率的情况下，有效阻尼尾水支渠的压力振荡，具有实施简单和经济适用的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰，所述阻尼宽顶堰为梯形截面的阻尼宽顶堰，安装在两台水轮发电机共用尾水渠之前的某一台尾水支渠底部，并且与尾水支渠的宽度相等。
进一步的，所述阻尼宽顶堰的梯形截面的高度值需满足的条件为：所述阻尼宽顶堰的梯形截面在设定的高度值的情况下，所产生的局部水头损失能够阻尼消除尾水支渠压力振荡。
进一步的，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的迎水面为斜坡式进水口，斜边与底部之间的夹角为锐角。
进一步的，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的背水面为斜坡式出水口；所述出水口角度大于进水口角度。
进一步的，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的堰顶长度小于堰底长度。
一种抑制水轮发电机超低频振荡的方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：根据尾水支渠以及尾水渠的结构和水力参数，采用水力阻抗法仿真计算，求解能够阻尼消除尾水水压振荡的水头损失dh；
步骤2：根据尾水支渠水工尺寸设计阻尼宽顶堰，所述阻尼宽顶堰为梯形截面的阻尼宽顶堰，并绘制尾水支渠及其阻尼宽顶堰三视示意图；
步骤3：绘制尾水支渠增加阻尼宽顶堰后所形成的尾水支渠堰流示意图，再取堰前和堰上两个断面的水头能量方程，进行堰高p仿真计算，在设定的前提条件下计算出多个满足设定的条件的所需堰高p结果；
步骤4：进行堰高合理性计算，计算得出合理性最高的堰高p；
步骤5：对堰高p的仿真计算结果进行精度计算，找出流量满足宽顶堰堰流流量计算公式所得理论流量值的解对应的各状态；
步骤6：在步骤4和步骤5的计算结果的基础上，得到能够产生局部水头损失dh的堰高，然后提升设定的裕度值，安装在两台水轮发电机尾水洞合并之前的某一台水轮发电机尾水支渠里，然后执行步骤7；
步骤7：进行通过三维动力学仿真验证，具体包括：首画出三维仿真中阻尼宽顶堰安装位置示意图，计算和显示三维模型的网格划分及压力分布情况。
进一步的，所述阻尼宽顶堰的梯形截面的高度值需满足的条件为：所述阻尼宽顶堰的梯形截面在设定的高度值的情况下，所产生的局部水头损失能够阻尼消除尾水支渠压力振荡；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的迎水面为斜坡式进水口，斜边与底部之间的夹角为锐角；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的背水面为斜坡式出水口；所述出水口角度大于进水口角度；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的堰顶长度小于堰底长度。
进一步的，所述步骤3的堰前断面的水头能量方程，使用如下公式表示：
进一步的，所述步骤4：进行堰高合理性计算，计算得出合理性最高的堰高p的方法执行以下步骤：通过将各组h2取值情况下的设计参数带入堰流流量方程式：
进一步的，所述步骤5：对堰高p的仿真计算结果进行精度计算，找出流量满足宽顶堰堰流流量计算公式所得理论流量值的解对应的各状态的方法执行以下步骤：将仿真计算结果代入如下公式进行计算：h1＝h2+p+c；
本发明的一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰及方法，具有如下有益效果：本发明通过设计和计算阻尼宽顶堰物理尺寸，将阻尼宽顶堰安装在两台水轮发电机共用尾水渠之前的尾水支渠底部，并且与尾水支渠的宽度相等，能够有效阻尼尾水支渠的压力振荡，进而抑制水轮发电机超低频振荡。一方面不需要限制发电机出力，能够保证发电机额定出力运行；另一方面实施简单，无论工程量和施工时间，都比修建尾水闸门实用和经济。本发明思路新颖，首先根据水力阻抗法和水力学仿真计算，并采用三维动力学验证，具有可操作性，具有较大的社会和经济效益，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种抑制水轮发电机超低频振荡方法的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰的结构示意图；
图3为尾水支渠结构和阻尼宽顶堰位置布置示意图；
图4为尾水支渠阻尼宽顶堰三视示意图；
图5为尾水支渠超低频振荡波形；
图6为增加局部水头损失前后的尾水压力仿真波形；
图7为阻尼宽顶堰所形成的堰流示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰，所述阻尼宽顶堰为梯形截面的阻尼宽顶堰，安装在两台水轮发电机共用尾水渠之前的某一台尾水支渠底部，并且与尾水支渠的宽度相等。
具体的，本发明公开的一种抑制水轮发电机超低频振荡的尾水支渠阻尼宽顶堰，阻尼宽顶堰安装在两台水轮发电机共用尾水渠之前的某一台尾水支渠底部，并且与尾水支渠的宽度相等；阻尼宽顶堰设计梯形截面，且堰顶小于堰底和进水口角度小于出水口角度；阻尼宽顶堰高度，按照所述设计步骤和计算方法包括：步骤1是利用水力阻抗法，求解能够有效阻尼并消除尾水水压振荡的局部水头损失dh米；步骤2是初步确定阻尼宽顶堰几何尺寸，并绘制三视示意图；步骤3是画出阻尼宽顶堰堰流示意图，并选择2个断面水头能量方程求解堰高p；步骤4是利用堰流流量方程计算堰高合理性；步骤5是对经过合理性计算的堰高再进行精度计算；步骤6是对阻尼宽顶堰进行三维动力学仿真，验证产生了dh米的局部水头损失，同时又不影响水轮发电机的工作水头以及额定出力。满足所产生的局部水头损失足以消除尾水支渠压力振荡，而且又不影响水轮发电机的额定出力。本发明克服现有技术中的不足，思路新颖、方法简单、经济适用，具有较大的社会和经济效益。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述阻尼宽顶堰的梯形截面的高度值需满足的条件为：所述阻尼宽顶堰的梯形截面在设定的高度值的情况下，所产生的局部水头损失能够阻尼消除尾水支渠压力振荡。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的迎水面为斜坡式进水口，斜边与底部之间的夹角为锐角。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的背水面为斜坡式出水口；所述出水口角度大于进水口角度。
实施例5
在上一实施例的基础上，所述梯形截面的阻尼宽顶堰的堰顶长度小于堰底长度。
实施例6
一种抑制水轮发电机超低频振荡的方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：根据尾水支渠以及尾水渠的结构和水力参数，采用水力阻抗法仿真计算，求解能够阻尼消除尾水水压振荡的水头损失dh；
步骤2：根据尾水支渠水工尺寸设计阻尼宽顶堰，所述阻尼宽顶堰为梯形截面的阻尼宽顶堰，并绘制尾水支渠及其阻尼宽顶堰三视示意图；
步骤3：绘制尾水支渠增加阻尼宽顶堰后所形成的尾水支渠堰流示意图，再取堰前和堰上两个断面的水头能量方程，进行堰高p仿真计算，在设定的前提条件下计算出多个满足设定的条件的所需堰高p结果；
步骤4：进行堰高合理性计算，计算得出合理性最高的堰高p；
步骤5：对堰高p的仿真计算结果进行精度计算，找出流量满足宽顶堰堰流流量计算公式所得理论流量值的解对应的各状态；
步骤6：在步骤4和步骤5的计算结果的基础上，得到能够产生局部水头损失dh的堰高，然后提升设定的裕度值，安装在两台水轮发电机尾水洞合并之前的某一台水轮发电机尾水支渠里，然后执行步骤7；
步骤7：进行通过三维动力学仿真验证，具体包括：首画出三维仿真中阻尼宽顶堰安装位置示意图，计算和显示三维模型的网格划分及压力分布情况。
具体的，经过前述仿真计算和精度计算后阻尼宽顶堰，得到能够产生局部水头损失dh米的堰高，然后提高一点裕度，安装在两台水轮发电机尾水洞合并之前的某一台水轮发电机尾水支渠里，然后进行通过三维动力学仿真验证。
前述三维动力学仿真验证，首先画出三维仿真中阻尼宽顶堰安装位置示意图，接着计算和显示三维模型的网格划分及压力分布情况。通过仿真可得到如下计算结果：当阻尼宽顶堰高度设置为p时，未加阻尼宽顶堰时两断面水力损失为xxxx.xxpa，加阻尼宽顶堰后对应的水力损失为yyyy.yypa，增加的水力损失折合水头为dh＝xxxx.xx-yyyy.yy＝0.x米，应与前述仿真和精度计算结果吻合。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述阻尼宽顶堰的梯形截面的高度值需满足的条件为：所述阻尼宽顶堰的梯形截面在设定的高度值的情况下，所产生的局部水头损失能够阻尼消除尾水支渠压力振荡；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的迎水面为斜坡式进水口，斜边与底部之间的夹角为锐角；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的背水面为斜坡式出水口；所述出水口角度大于进水口角度；所述梯形截面的阻尼宽顶堰的堰顶长度小于堰底长度。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述步骤3的堰前断面的水头能量方程，使用如下公式表示：
具体的，所述堰高p仿真计算，在计算时，堰前水深h1、流量q1为已知量，因此方程中的未知量为dh、c及堰上水深h2。在求解中，采用的方法为假设局部水头损失dh为固定值，工程实际已经仿真计算出dh米，通过遍历h2(0≤h2≤h1)的可能取值，通过式(3)解出各h2可能取值所对应的堰前后水位差c，在通过式(4)求出各个情况下所需堰的高度p。其中，p＝h1-h2-c
实施例9
在上一实施例的基础上，所述步骤4：进行堰高合理性计算，计算得出合理性最高的堰高p的方法执行以下步骤：通过将各组h2取值情况下的设计参数带入堰流流量方程式：
实施例10
在上一实施例的基础上，所述步骤5：对堰高p的仿真计算结果进行精度计算，找出流量满足宽顶堰堰流流量计算公式所得理论流量值的解对应的各状态的方法执行以下步骤：将仿真计算结果代入如下公式进行计算：h1＝h2+p+c；
实施例11
为解决某大型水电站两台共尾水渠的水轮发电机发生超低频振荡的工程问题，其录波如图5所示。由此可见，这两台水轮发电机产生了超低频振荡，振荡幅值7.5mw，振荡周期16秒，振荡频率0.0625hz。工程上传统的解决方法主要有2个：第1是避开引起尾水压力振荡的运行条件，比如当尾水位达到临界值，降低水轮发电机输出功率，限负荷运行。第2是改造尾水流道，包括修建闸门等。为了寻找更加经济合理的解决方法，本发明利用电力系统稳定器pss的原理，在这个水压振荡回路中附加一个阻尼，以达到抑制和消除这种超低频振荡。
增加尾水压力振荡的阻尼，只能引起一个局部水头损失，不能引起水轮发电机工作水头损失，不能影响水轮发电机额定出力运行。那么多大的局部水头损失会阻尼该水压振荡？首先需要根据该尾水支渠以及尾水渠的物理尺寸以及水力参数，进行水力阻抗仿真计算，其计算结果如图6所示。由此可见，在一定的条件下，该尾水支渠产生了明显的水压振荡，其频率与图5的振荡频率一致。此时，在尾水支渠中附加一个阻尼，并使局部水头损失了0.1米，这种振荡随之消失。因此，应用阻尼方式抑制水压超低频振荡，步骤1是要仿真计算出抑制振荡的局部水头损失dh米。
在水工水力工程中，宽顶堰又称为消能坎，主要用于消除泄洪和尾水的有害能量，保护流道、护坡。这里作为阻尼水压振荡，极具创新价值。因此，步骤2是要根据尾水支渠水工尺寸初步设计阻尼宽顶堰，图2是根据该工程实例所设计的尾水支渠阻尼宽顶堰，采用梯形截面；图3是该尾水支渠结构和阻尼宽顶堰位置布置示意图；图4是尾水支渠阻尼宽顶堰三视示意图。根据该工程实际，该宽顶堰迎水面采用斜坡式进水口，初步底部设为锐角，初步设计为30°，通过查询有关上游斜坡式进水口流量系数表，可得到堰的流量系数m＝0.38。该宽顶堰背水面应采取斜坡式出水口。为提高堰体对反向水击波的抑制作用，出水口角度应大于进水口角度。工程上可将出水口角度设为2倍进水口角度，可取60°。该宽顶堰堰顶长度应小于堰底长度，工程上可按约3倍关系设计，堰顶初步设计为1米，堰底为3.3米。
阻尼宽顶堰的高度，需要进行反复仿真计算，也是本发明的重点内容。因为阻尼宽顶堰的高度p刚好要产生局部水头损失dh米，少了不能有效阻尼水压振荡，多了可能会影响水轮发电机的正常工作。根据本工程实际，该宽顶堰的高度p需要产生0.1米的局部水头损失。为了计算该宽顶堰高度，步骤3是画出尾水支渠增加阻尼宽顶堰后所形成的尾水支渠堰流示意图，再取堰前和堰上两个断面的水头能量方程，进行堰高p仿真计算。
所述堰前断面的水头能量方程，如式(1)所示。其中，h1＝h2+c+p，h1是堰前水深、h2是堰上水深、p是所需堰高、c是水位抬升量，v1、q1、b分别表示堰前行近流速、渠内流量和渠道宽度，g＝9.8m/s2为重力加速度。
所述堰上断面的水头能量方程，如式(2)所示。其中，堰前和堰上流量不变q2＝q1，且假设由于宽顶堰会产生局部水头损失dh，v2是堰上行近流速，q1、b分别表示堰前渠内流量和堰上渠道宽度，g＝9.8m/s2为重力加速度。
所述堰高p仿真计算，因为能量守恒定律e1＝e2+dh，则可以推导出堰体水位雍高高度c求解方程式，如式(3)所示。
所述堰体水位雍高高度c求解方程式，dh是局部水头损失、h1是堰前水深、h2是堰上水深，q1、b分别表示渠内流量和渠道宽度，g＝9.8m/s2为重力加速度。
所述堰高p仿真计算，在计算时，堰前水深h1、流量q1为已知量，因此方程中的未知量为dh、c及堰上水深h2。在求解中，采用的方法为假设局部水头损失dh为固定值，工程实际已经仿真计算出dh米，通过遍历h2(0≤h2≤h1)的可能取值，通过式(3)解出各h2可能取值所对应的堰前后水位差c，在通过式(4)求出各个情况下所需堰的高度p。
p＝h1-h2-c(4)
在初步得到阻尼宽顶堰高度p的基础上，步骤4是进行堰高p的合理性计算，其方法是通过将各组h2取值情况下的设计参数带入堰流流量方程式(5)中进行流量试算，堰流流量需满足该计算式。根据式(5)得到各组参数取值下的堰流流量计算值q'1，查找出q'1最接近于流量设定值q1对应的参数作为最终方程的解。
所述堰流流量方程式，σc侧收缩系数、σs是淹没系数、m是堰的流量系数。
得出了一个合理的阻尼宽顶堰高度p，步骤5是对仿真计算结果进行精度计算，其方法就是将前述仿真计算结果应满足公式(6)和公式(7)。为此，首先设置需要进行仿真的工况，主要改变流量q，堰前水深h1，局部水头损失dh。接着以堰上水深度h2为因变量，仿真所有可能的h2取值对应的情况，并找出流量满足宽顶堰堰流流量计算公式所得理论流量值的那组解对应的各状态，主要包括：堰上水深h2、所需堰高p、水位抬升量c、局部水头损失dh、实际流量与理论流量偏差dq；仿真程序中考虑了宽顶堰所带来的堰前水位抬升量以及堰造成的局部水头损失，程序中能量以水头能量代替。
h1＝h2+p+c(6)
经过前述仿真计算和精度计算后阻尼宽顶堰p，步骤6再进行三维动力学仿真验证，看能否产生局部水头损失dh米的堰高，本工程实际是0.1米。首先画出三维仿真中阻尼宽顶堰安装位置示意图，接着计算和显示三维模型的网格划分及压力分布情况。通过仿真可得到如下计算结果：当阻尼宽顶堰高度设置为1米时，该尾水支渠未加阻尼宽顶堰时两断面水力损失为3898.38pa，加阻尼宽顶堰后对应的水力损失为5269.44pa；增加的水力损失折合水头为0.1398m，符合工程技术要求。
针对图5给出的具体案例，按照图1的设计和计算6个步骤，经过反复仿真计算和三维动力学验证，设计出图2所示的阻尼宽顶堰，可以有效阻尼并消除该尾水支渠水压振荡，进而有效抑制该水轮发电机所发生的超低频振荡。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
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