水流扰动对水电站发电稳定性影响的建模与仿真分析

前言：探究水流波动的属性及其作用到水电站发电效能的程度，既有理论意义，也有现实的价值，通过细致地分析水流波动的原理，可以更精确地预测并且控制它给发点带来的影响，改善水电站的操作策略，并能提前判断水流波动对发电机组负荷变化和电力出力改变的机理，以此规划恰当而且合理的调度策略，解决因水电站发电过程中出现的功率波动所引起的电网稳定问题。

1.分析水流扰动对水电站发电稳定性影响的试验装置及方案

1.1 试验装置布置

本研究设计的试验装置包含试验水槽、水流扰动装置、水轮机模型、数据采集系统以及控制系统，试验水槽选用透明材质制作而成，其长度达到 5 米，宽度为 1 米，高度为 1.5 米，这样的尺寸足以容纳足够多的水来模仿实际水电站的进水状况。水流扰动装置由若干个可调节角度与流量的喷嘴构成，借助调整喷嘴的喷射方向及流量，可以模仿不同种类的水流扰动，水轮机模型采用小型化设计，安置于试验水槽的下游末端，可以模仿实际水轮机的运行情况。数据采集系统包含许多高精度传感器和数据记录仪，用以即时检测水位，流量，压力等参数，控制系统由电脑和可编程逻辑控制器（PLC）组成，用来操控水流扰动装置的运作并控制数据采集系统的操作[1]。

1.2 测试工况设计

为了全方位地测评水流扰动对于水电站发电稳定性产生的影响，设定无扰动工况、轻扰动工况、中等扰动工况以及强烈扰动工况这样几个不同的测试工况。当处于无扰动工况时，水流扰动装置是关闭状态的，此时水流以恒定速度穿行在水槽当中，模拟水电站正常运行状况下的稳定进水情景。在轻扰动工况之下，水流扰动装置采用比较小的角度以及流量来运作，并模拟水电站进水口可能存在的轻微水流扰动现象，中等扰动工况则设定水流扰动装置采用中等喷射角度以及流量来进行运作，模仿水电站进水口或许会遭遇到的中等级别强度水流扰动。通过上面这些不同工况的测试流程开展，就能够较为全面地考察出各种程度水流扰动给水电站发电稳定性造成何种影响[2]。

2.水流波动特性分析

2.1 进水口处水位波动特性

在不同的工况下，进水口水位波动规律存在较大差异，无扰动工况下的水位波动幅度小，波动频率低、水流比较稳定、轻微扰动工况下水位波动幅度稍有增加，波动频率有所提升，但仍在可控范围内，中等扰动工况下水位波动幅度进一步增大，波动频率大幅上升，表明水流扰动对水位的影响显著，强烈扰动工况下水位波动幅度最大，波动频率最高，水流扰动对水位的影响最明显，通过对水位波动规律进行分析，可知水流扰动强度的增大，会导致水位波动幅度和频率的大幅增加，从而影响水电站进水的稳定性[3]。

2.2 机组流量波动特性

机组流量波动特征也受水流扰动强度影响，无扰动工况下机组流量较稳定，波动幅度小，轻微扰动工况下机组流量波动幅度稍有增加，仍较稳定，中等扰动工况下机组流量波动幅度增加，波动频率增加，表明水流扰动对机组流量影响较大，强烈扰动工况下机组流量波动幅度最大，波动频率最高，水流扰动对机组流量影响最大，通过对机组流量波动特征分析，可以发现水流扰动强度增加会使机组流量波动幅度和波动频率增加，从而影响水电站发电稳定性。

2.3 不同工况的对比分析

通过对不同工况下水流波动特性进行对比分析，发现水流扰动强度增加时，对水电站发电稳定性的影响也逐渐增大。无扰动工况下水电站运行最稳定，水位、流量波动最小。轻微扰动工况下，水位、流量波动增加，但仍在可控范围之内，对发电稳定性的影响较小。中等扰动工况下，水位、流量波动增加，对发电稳定性的影响逐渐增加。强烈扰动工况下，水位、流量波动最大，对发电稳定性影响最大，可能会导致机组运行不稳定甚至停机。因此在实际水电站运行过程中，要尽量避免强烈水流扰动的发生，确保水电站的稳定运行。

3.水流波动对水电站电力输出稳定性的影响

3.1 输出功率时均特性

输出功率的时均特性表示水电站在一段时间内的平均发电功率，是评判水电站运行效率和稳定性的关键指标.在水流波动的情况下，水电站的输出功率时均值会受水流波动幅度和频率所影响。

假设水电站的水轮机发电系统在水流波动下的输出功率 P(t) 可以表示为：

其中 P₀ 为无水流波动时的稳定输出功率，ΔP（t）为水流波动引起的功率变化，在一个时域T 内的平均输出功率 可以表示为：

平均功率公式：

水流波动幅度较小时，输出功率的时均值与无水流波动时的稳定输出功率 P₀ 差别不大，这显示水电站的平均发电效率比较稳定，但是随着水流波动幅度的增大，输出功率的时均值慢慢减小，这表明水流波动给水电站的平均发电效率带来了不良影响，水流波动频率的增多同样会使输出功率的时均值减小，从而影响水电站的运行效率。

3.2 输出功率波动特性

3.2.1 功率波动幅度分析

功率波动幅值表示输出功率在短时间内变化的剧烈程度，通过对功率波动幅值进行分析，可以了解水流波动对水电站运行稳定性的程度，在仿真分析中，功率波动幅值定义为：

ΔPmax=max(ΔP(t))-min(ΔP(t))

通过不同水流波动工况下的仿真结果可知，功率波动幅值与水流波动幅度、频率呈正相关。水流波动幅度较小时，功率波动幅值相对较小，水电站运行相对稳定。但随着水流波动幅度的增加，功率波动幅值随之增大，说明水流波动对水电站运行稳定性的影响随之增强。水流波动频率的增加也会导致功率波动幅值的增加，进一步影响水电站的运行稳定性。

3.2.2 功率波动的概率分布特性

仿真结果显示，功率波动的概率分布曲线呈现明显的非正态分布趋势，当水流波动幅度较小时，功率波动大多处于较小的波动水平上，概率分布曲线比较集中，但是随着水流波动幅度增大，功率波动的概率分布曲线慢慢朝着较大的波动水平延伸，这就显示出水流波动对水电站运行稳定性的冲击程度慢慢变大，而且水流波动出现的频率增多时，功率波动的概率分布曲线同样会朝向较大的波动水平方向发展，从而对水电站的运行稳定性造成影响。

3.2.3 功率波动的频率特性分析

由仿真结果可知，功率波动的频率谱主要集中在低频段，说明水流波动对水电站运行稳定性的主要影响是低频波动。当水流波动的幅度较小时，功率波动的频率谱比较集中，主要集中在某一频率范围内。但是随着水流波动的幅度增大，功率波动的频率谱逐渐向高频段扩展，说明水流波动对水电站运行稳定性的主要影响频率范围逐渐扩大。水流波动频率的增大也会导致功率波动的频率谱逐渐向高频段扩展，进一步影响水电站的运行稳定性。

结语：通过水流波动下水电站电力输出稳定特性分析，发现水流波动对水电站输出功率时均值、波动幅值、概率分布和频率特性均产生了明显影响。水流波动幅度和频率的增加，导致输出功率时均值下降、波动幅值增大、概率分布曲线向大波动水平扩展、频率谱向高频段扩展，表明水流波动对水电站运行稳定性的影响程度逐渐增加。

参考文献：

[1]王煜,郭绪静,石敏.四大家鱼幼鱼对水电站进水口有压加速流行为响应研究[J].水生态学杂志,1-16.

[2]疏杏胜.耦合长中短期径流预报信息的水电站发电优化调度研究[D].大连理工大学,2024.

[3]王少真.某水电站下游三维洄游通道识别与集诱鱼进口位置选择[D].西安理工大学,2024.