基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法技術

本發明專利技術公開了一種基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，得到水輪機過渡過程仿真模型。本發明專利技術基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，通過建立改進水輪機內特性方程，采用水輪機外特性曲線和辨識改進內特性方程相關參數實現水輪機內特性與外特性相融合的建模方法，該方法能夠提高水輪機調節系統的仿真精度。

Water turbine modeling method based on improved internal characteristics and external characteristics

The invention discloses an improvement based on internal characteristics and combined with the characteristics of the hydraulic turbine modeling method, the energy loss of the turbine components were divided in detail, the expressions of energy loss of hydraulic turbine is established, and then the turbine energy balance equation, combined vertical turbine flow control equation characteristic equation the improvement of hydraulic turbine, then the turbine characteristics as the sample data, using the method of combining the least squares method and genetic algorithm, the relevant parameters of turbine characteristic equation of the improved identification of the obtained turbine transient simulation model. The turbine modeling method of the invention improves the internal and external characteristics and based on the characteristics of integration, improve the characteristic equation in turbine by a modeling method using turbine characteristic curve and the identification of the characteristic equation of related parameters to achieve improved internal characteristics and external characteristics of the turbine in combination, the method can improve the accuracy of simulation control system turbine.

【技術實現步驟摘要】
基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法
本專利技術屬于水輪機調節系統
，具體涉及一種基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法。
技術介紹
目前，應用于水輪機調節系統仿真的水輪機建模方法，其原理均是根據水輪機綜合特性曲線中各參數的變化趨勢并結合飛逸特性曲線等約束后而進行的拓展得到，沒能充分考慮水輪機內在規律，模型過度依賴個人經驗，具有較大的隨意性。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，解決了現有方法沒能充分考慮水輪機內在規律，拓展結果過度依賴個人經驗，具有較大的隨意性的問題。本專利技術所采用的技術方案是，基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，得到水輪機過渡過程仿真模型。本專利技術的特點還在于：建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程具體為：將水輪機中的能量損失分為容積損失、導葉入口撞擊損失、葉片入口撞擊損失、葉片出口旋轉損失和圓盤摩擦損失：容積損失功率表示為：Pc＝λcρgQtHt其中λc為容積損失系數，表示漏水流量與總流量的比值；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Qt為水輪機流量，m3/s；Ht為水輪機水頭，m；導葉入口撞擊損失功率表示為：其中，αg為導葉入流角，rad；αfg為固定導葉出流角，rad；D0為導葉分布圓直徑，m；b0為導葉高度，m；ρ為水密度，kg/m3；Qt為水輪機流量，m3/s；葉片入口撞擊損失功率表示為：其中，α0為導葉出流角，rad；β1為葉片入口安放角，rad；D1為水輪機標稱直徑，m；nt為水輪機轉速，r/min；葉片出口旋轉損失功率表示為：其中，r2為水輪機出口半徑，m；A2為水輪機出流面積，m2；β2為水輪機葉片出口安放角，rad；圓盤摩擦損失功率表示為：其中，k為圓盤損失系數；水輪機中能量損失總和表示為：PL＝Pc+Pg+P1+P2+Pf將水輪機各部件的能量損失代入能量守恒方程：Pw＝Pt+PL其中，Pw為流過水輪機的水體失去的能量，W，Pw＝ρgQtHt；Pt為水輪機獲得的能量，W，Pt＝πMtnt/30，Mt為水輪機力矩，Nm；利用相似原理將nt、Qt和Mt用單位轉速n11、單位流量Q11和單位力矩M11表示，經過整理可得基于能量平衡的表達式：其中，a7＝-1.2×10-5kρ。聯立水輪機能量平衡方程和水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，具體為：其中，α為導葉角度，Δα0為導葉角度α與導葉出流角α0之間的差角，Δαg為導葉角度α與導葉入流角αg之間的差角，參數a2、a5、a6、a7、b1～b8及Δα0、Δαg根據水輪機高效率區域的實測數據辨識得到。參數a2、a5、a6、a7、b1～b8及Δα0、Δαg根據水輪機外特性數據辨識得到，水輪機特性曲線中的每一個工況點都可以用一個4維向量表示，記為(α,n11,Q11,M11)，那么水輪機綜合特性可以看作有限個工況點的集合，記為{(α_i,n11_i,Q11_i,M11_i)|i＝1,2,…,n}，其中i表示第i個工況點，n為工況點總數量，遺傳算法中的種群記為{(Δα0_j,Δαg_j)|j＝1,2,…,m}，其中j表示第j個個體，m為種群中個體總數量；具體為：步驟a：首先產生隨機的{(Δα0_j,Δαg_j)|j＝1,2,…,m}，做為遺傳算法的初始種群；步驟b：針對式采用最小二乘法得到個體j的系數b1_j,b2_j,a2_j的表達式為：其中，B1＝[b1_jb2_ja2_j]T，C1＝[c1_1c1_2c1_3]T，對應的擬合誤差為：步驟c：針對式：采用最小二乘法辨識其余參數b3～b8及a5～a7得到表達式為：其中，B2＝[b3b4b5b6b7b8a5a6a7]T，C2＝[c2_1c2_2…c2_9]T，對應的擬合誤差為：采用誤差E1_j與E2_j的平均值作為整體誤差，表示為：步驟d：將Emax-E1_j-E2_j作為個體j的適應度進行篩選操作，Emax為種群中{E1_j+E2_j|j＝1,2……m}的最大值，對篩選后的個體進行交叉和變異來操作，產生新一代的種群，然后重新從步驟b開始執行直至所有個體足夠接近為止；此時所得個體(Δα0_j,Δαg_j)及對應的b1_j～b8_j，a2_j，a5_j，a6_j，a7_j為模型參數，從而得到水輪機過渡過程仿真模型。本專利技術的有益效果是：本專利技術基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，通過建立改進水輪機內特性方程，采用水輪機外特性曲線和辨識改進內特性方程相關參數實現水輪機內特性與外特性相融合的建模方法，該方法能夠提高水輪機調節系統的仿真精度。附圖說明圖1是本專利技術方法中導葉入口速度三角形示意圖；圖2是本專利技術方法中葉片入口速度三角形示意圖；圖3是本專利技術方法中水輪機出口速度三角形示意圖；圖4是本專利技術方法中參數辨識流程圖；圖5是水輪機HLN574綜合特性曲線圖；圖6是水輪機HLN574飛逸特性曲線圖；圖7是繪制的仿真與實測的水輪機流量特性曲線對比圖；圖8是繪制的仿真與實測的水輪機力矩特性曲線對比圖；圖9是由水輪機HLN574繪制各導葉角度下的x與y關系圖；圖10是不同模型對甩負荷過渡過程的影響仿真圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術進行詳細說明。本專利技術基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，最終得到水輪機過渡過程仿真模型。為便于分析，在不失一般性的前提下，做以下4條假設：假設1：水為理想液體，即不考慮水體的可壓縮性及粘性；假設2：水輪機及流道壁面為剛性壁面，其物理形狀不隨受力的變化而變化；假設3：流道內水體的流動為有壓流，不考慮水體的空化影響；假設4：水輪機內的流動為軸對稱流動。水輪機流量調節方程為：其中，Ht為水輪機水頭，m；Qt為水輪機流量，m3/s；ηt為水輪機效率；nt為水輪機轉速，r/min；r2為水輪機出口半徑，m；A2為水輪機出流面積，m2；β2為水輪機出口安放角，rad；b0為導葉高度，m；α0為導葉出流角，rad。水輪機力矩為：其中ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。將式(2)帶入式(1)并將nt、Qt及Mt分別用單位轉速n11、單位流量Q11及單位力矩M11表示，經過整理可以得到如下表達式：其中，D1為水輪機標稱直徑。水輪機的能量平衡關系可以表述為：流過水輪機的水體失去的能量等于水輪機獲得的能量與損失能量之和。表示為：Pw＝Pt+PL(4)其中，Pw為流過水輪機的水體失去的能量，W，Pw＝ρgQtHt；Pt為水輪機獲得的能量，W，Pt＝πMtnt/30；PL為損失能量，W。其中能量損失項最為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，得到水輪機過渡過程仿真模型。

【技術特征摘要】
1.基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，對水輪機各部件的能量損失進行了詳細劃分，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程，聯立水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，然后將水輪機外特性作為樣本數據，采用最小二乘法與遺傳算法相結合的方法，辨識改進的水輪機內特性方程的相關參數，得到水輪機過渡過程仿真模型。2.根據權利要求1所述的基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，建立了水輪機各部件的能量損失表達式，進而得到水輪機能量平衡方程具體為：將水輪機中的能量損失分為容積損失、導葉入口撞擊損失、葉片入口撞擊損失、葉片出口旋轉損失和圓盤摩擦損失：容積損失功率表示為：Pc＝λcρgQtHt其中，λc為容積損失系數，表示漏水流量與總流量的比值；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Qt為水輪機流量，m3/s；Ht為水輪機水頭，m；導葉入口撞擊損失功率表示為：其中，αg為導葉入流角，rad；αfg為固定導葉出流角，rad；D0為導葉分布圓直徑，m；b0為導葉高度，m；葉片入口撞擊損失功率表示為：α0為導葉出流角，rad；β1為葉片入口安放角，rad；D1為水輪機標稱直徑，m；nt為水輪機轉速，r/min；葉片出口旋轉損失功率表示為：其中，r2為水輪機出口半徑，m；A2為水輪機出流面積，m2；β2為水輪機葉片出口安放角，rad；圓盤摩擦損失功率表示為：其中，k為圓盤損失系數；水輪機中能量損失總和表示為：PL＝Pc+Pg+P1+P2+Pf將水輪機各部件的能量損失代入能量守恒方程：Pw＝Pt+PL其中，Pw為流過水輪機的水體失去的能量，W，Pw＝ρgQtHt；Pt為水輪機獲得的能量，W，Pt＝πMtnt/30，Mt為水輪機力矩，Nm；利用相似原理將nt、Qt和Mt用單位轉速n11、單位流量Q11和單位力矩M11表示，經過整理可得基于能量平衡的表達式：其中a7＝-1.2×10-5kρ。3.根據權利要求2所述的基于改進內特性并與外特性相融合的水輪機建模方法，其特征在于，聯立所述水輪機能量平衡方程和水輪機流量調節方程得到改進的水輪機內特性方程，具體為：其中，α為導葉角度，Δα0為導葉角度α與導葉出流角α0之間的差角，Δαg為導葉角度α與導...

【專利技術屬性】
技術研發人員：南海鵬，門闖社，羅興琦，
申請(專利權)人：西安理工大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61