水机电系统的振动特性和稳定性研究涉及水力系统、机械系统和电力系统的动态特性,以及各系统的数学模型和诸多研究分析方法,国内外有针对性的研究很少。 本文通过理论分析、数值计算和试验模拟,建立水机电系统振动和稳定性分析的数学模型,对水机电系统的振动特性和稳定性进行了较为深入的研究。论文的创新点和主要成果如下: 1、建立了实用的压力管道内水体振动分析的弹性模型 应用泛函变分理论以及里兹-伽辽金(Ritz-Galerkin)近似方法,建立了描述有压管道内水体振动特性的线弹性模型和非线性模型,该模型适合于水机电系统振动特性和稳定性分析,易于解耦,且解耦得到的一阶二次常微分方程能较准确反映压力管道内水体的各阶振动模式;文中分析了该模型的实用性,给出了考虑电力系统动态特性影响下,压力管道长度不同时所需弹性模型的最少阶数。 2、可逆式机组自激振动特性的研究 结合可逆式机组全特性曲线上可能存在的“S”形特性区的流量特性,建立在抽水或发电工况下描述单机和双机自激振动的数学方程,并进行解析分析。考虑机组在“S”形特性区运行,采用自由振动分析和特征线法,验证了振荡频率、幅值的计算结果和理论分析的一致性,表明实际工程中自激振动的危害性。 3、压力管道内水体弹性对系统稳定性分析的影响研究 应用线性系统理论和相关因子法,研究了稳定性分析中因种种原因可能出现的零特征值与状态变量之间的相关关系。分析了压力管道内水体采用弹性模型与刚性模型时稳定域的差别,结果表明两者的稳定域存在交叉现象,但总体上前者的稳定域较小,压力管道越长,差别越明显;应视输水道的布置和长度选择合适的弹性模型阶数,以保证稳定性分析的准确性和考虑电力系统动态特性的影响;结合算例定性分析了压力管道内水体的振动特性对电力系统低频振荡阻尼的影响,若考虑压力管道高阶振荡特性,当压力管道的惯性时间常数T_w较小时,系统整体正阻尼会增大,T_w较大时,系统整体正阻尼会减小。 4、电力系统及负荷特性对系统稳定性和低频振荡阻尼影响的试验模拟和计算分析 建立水机电系统试验装置,考虑不同的运行条件和负荷特性,进行试验模拟,同