随机激励下水轮机调节系统的暂态稳定机理及控制方法

In order to study the transient stability of the hydro-turbine governing system in detail, we select francis turbine as the research subjects. Because electrical load and hydraulic exciting force are difficult to be quantized to an inch, and are speculative, we set them as stochastic excitation. First, we will be the pioneers to establish a stochastic hybrid nonlinear system, which is more suitable for the hydro-turbine governing system in different operating conditions. More specially, the system is a continuous system in each operating mode, nevertheless, the system is a discrete system during switching mode. So, the mathematical modelling is also a hybrid system. Second, we will study the transient stability of the above system by stochastic dynamical theorem and the stability theory of hybrid system. More specially, we will present stability conditions based on probability theory in each operating mode, and propose weakly stable range conditions during switching mode. Furthermore, we will study these interesting phenomena and characters during the unstable states. All of the above results will provide theoretical basis for the design and operation of hydropower station. Finally, we will try to pick out one more method of stochastic control to ensure the stability of the hydropower governing system. Therefore, all of the above contributions will enrich the essential contents of the stability of the hydropower governing system and its control, and offer theoretical guidances for the operation of hydropower station in daily production.

为了更好地系统研究水轮机调节系统的暂态稳定机理，以应用最广泛的混流式水轮机调节系统为研究对象。鉴于电力负荷和水力激励难以精确量化并具有一定随机性，故将其作为随机激励源，创新性地建立适用于五种典型过渡过程的水轮机调节系统的随机混杂非线性数学模型，即工况内为连续系统，而工况过渡间为离散系统，两者共同构成混杂系统。首次引入随机动力学理论和混杂系统稳定理论研究水轮机调节系统的暂态稳定性，分析工况内连续系统的依概率稳定性及稳定化，给出依概率稳定充分条件；分析工况过渡间离散系统的稳定性，给出弱稳定性条件；揭示系统失稳时的动力学机理和特征。上述研究成果将为水轮机调节系统设计和运行中的暂态稳定性问题提供理论依据。最后，研究适用于水轮机调节系统的随机控制方法，保证系统稳定运行。该研究成果将丰富水轮机调节系统暂态稳定理论及控制方法的本质内容，也为生产实践中水电站稳定运行提供理论支撑和指导。

在国家自然科学基金面上项目《随机激励下水轮机调节系统的暂态稳定机理及控制方法》(No. 51479173)的资助下，完成主要内容为：（1）随机激励下水轮机调节系统混杂非线性数学模型的建立；（2）基于随机动力学和混杂系统稳定理论的水轮机调节系统的暂态稳定机理研究；（3）适用于水轮机调节系统的随机控制方法研究。在该项目资助下，培养青年教师3名，博士研究生4名，其中1名即将毕业，3名在读，硕士研究生已毕业8名，在读11名，参加国际学术会议5人次，国内学术会议27人次，发表学术论文41篇（含已录用，均已标明本基金资助），其中SCI收录的期刊论文41篇。又可细分为以下三个方面：.（1）水力发电系统混杂非线性数学建模方面。针对不同运行工况从多种角度出发建立了具有不同适用度的水轮机调节系统非线性数学模型，揭示了系统多工况稳定机制以及系统失稳时的动力学特征，为水轮机调节系统设计和运行中的暂态稳定性问题提供理论依据。在Applied Energy，Energy Conversion and Management，Nonlinear Dynamics等国际SCI期刊上发表论文21篇，单篇最高引用次数59次，其中三篇成为工程学ESI前1%高被引论文；.（2）水轮机调节系统的暂态稳定机理研究与控制方法。基于所建立的水轮机调节系统模型，给出了系统在各典型过渡过程的稳定性机理，并提出了自适应滑模反演控制，模糊广义预测控制方法等改善水力机械系统控制性的先进控制方法，保证系统稳定运行。在Mechanical Systems and Signal Processing, Applied Mathematics letters，Journal of Sound and Vibration等国际SCI期刊上发表论文18篇；.（3）其他方面拓展。项目组还在水电站动态风险评估与安全评价方面进行了研究，建立了水力发电系统动态风险评估模型，揭示了水力发电系统在暂态工况下的安全水平，给出了系统在不同运行水头下的动态风险演化规律；在水力发电系统全耦联动态特性方面，建立了一种新的全局耦合模型，实现了水轮机调节系统外部特征与水轮机内部振动特性的统一。丰富了该课题预期研究内容。