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水 利 学 报

２０２３年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０６ － ０７３９ － １０

设调压室水电站输水发电系统耦合振荡特性研究

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刘 熠 １，２ ，俞晓东 ，张 健 １，２
（１．河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 ２１１１００；２．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：设调压室水电站输水发电系统是复杂的水机电耦合系统，目前对耦合系统的振荡特性以及各个子系统间的
耦合作用关系尚不明晰。本文首先将整个水电站系统分为 “引水隧洞 － 调压室” 子系统和 “压力管道 － 机组” 子
系统，针对 “压力管道－ 机组” 子系统的稳定性提出了耦合振荡域的概念并推导了其解析公式，然后结合特征值
分析法和数值模拟揭示了耦合系统的振荡特性，最后运用频域分析法探究了两个子系统间的幅频特性及相互作用
关系，提出了衡量系统耦合振荡稳定性的定量指标。结果表明：当调速器参数在耦合振荡域外取值时，水电站系
统恒不稳定，因此调速器参数在耦合振荡域内取值是整个水电站系统稳定的必要条件。当调速器参数在耦合振荡
域内取值时，耦合系统的稳定性由低频振荡模式决定，将系统低频振荡模式的频率代入到两个子系统的幅频特性
函数之积中，可以得到振荡叠加率，该值反映了系统扰动在闭环系统中增益值，具有明确的物理意义，当振荡叠
加率小于 １时，受扰系统趋于稳定。研究成果不仅丰富了水力过渡过程理论体系，对提高水电站运行稳定性也具
有较好的工程应用价值。
关键词：水电站；过渡过程；调压室；耦合振荡；稳定性
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ１３６ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２１０１２
１ 研究背景

在推动 “双碳” 目标实现、加快构建新型电力系统的背景下，以风能、光能为主力的间歇性可再
生能源大规模并网，使水电机组面临更为复杂的运行环境和更为频繁的工况转换，导致其稳定性问题
日益突出 ［１ － ２］ 。水电站输水发电系统是水力系统、机械系统和电力系统相互耦联的复杂系统，各子系
统间的耦合振荡特性直接影响着水电站的运行稳定性和调节品质 ［３ － ４］ 。因此，揭示耦合系统振荡特性
及各子系统间耦合作用机理对提高水电站运行稳定性、保障电网安全性具有重要的理论意义和工程
价值。
调压室是水电站常用的、重要的平压设施 ［５ － ６］ 。对于设调压室水电站输水发电系统，设置调压室
将整个水电站系统分为两个部分，一部分是由引水隧洞和调压室组成的 “引水隧洞 － 调压室” 系统，
另一部分是由压力管道、水轮发电机组组成的 “压力管道 － 机组” 系统。在过渡过程中，调速器的调
节产生的振荡通过压力管道传递到调压室，影响调压室内的水位波动；反过来，引水隧洞水体和调压
室水体质量的交换引起的调压室水位波动也会通过压力管道传递并作用到水轮发电机组，影响机组的
转速和出力。因此，带调压室输水发电系统过渡过程中存在着不同性质、不同类型的振荡耦合作用，
直接决定了该类过渡过程的复杂程度。如何利用 “引水隧洞 － 调压室” 系统和 “压力管道 － 机组” 系
统的耦合振荡作用这一本质特点，揭示设调压室输水发电系统耦合振荡机理，对确保设调压室水电站
稳定运行具有重要的工程意义和科学价值。

收稿日期：２０２２ － １２ － ２０
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１７９０６２，５１８３９００８）
作者简介：刘熠（１９９５ － ），博士，主要从事水电站过渡过程仿真及稳定性控制研究。Ｅ＿ｍａｉｌ：１１７１４２６０８９＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：俞晓东（１９８５ － ），教授，主要从事水电站及泵站系统过渡过程研究。Ｅ＿ｍａｉｌ：ｙｕｘｉａｏｄｏｎｇ＿８５１＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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