本書(shū)分為九章，按水力系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸系、機(jī)組控制五個(gè)水電機(jī)組單元組織，從經(jīng)典模型的歸納分析，到新近建模理論成果進(jìn)行了系統(tǒng)的陳述，并結(jié)合仿真進(jìn)行分析說(shuō)明。
復(fù)雜工程系統(tǒng)研究的一般方法是將其分解為多個(gè)子系統(tǒng)并抽象為數(shù)學(xué)模型，利用各種數(shù)學(xué)工具和動(dòng)力學(xué)理論開(kāi)展研究。水電機(jī)組就是這樣一個(gè)復(fù)雜的水、機(jī)、電多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其建模涉及水力、機(jī)械、電氣、動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。一方面，由于學(xué)科跨度較大，不同專(zhuān)業(yè)和學(xué)科領(lǐng)域的研究者，對(duì)本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域熟悉的對(duì)象可采用不同詳細(xì)程度的數(shù)學(xué)模型，而對(duì)不熟悉的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，所采用的數(shù)學(xué)模型大多為局部簡(jiǎn)化模型，例如：水機(jī)專(zhuān)業(yè)對(duì)發(fā)電機(jī)部分不熟悉，研究中大多采用簡(jiǎn)化的一階發(fā)電機(jī)模型，而電氣專(zhuān)業(yè)不熟悉水機(jī)部分，研究中大多假設(shè)水輪機(jī)機(jī)械力矩不變，或采用剛性水擊下的水輪機(jī)簡(jiǎn)化模型；另一方面，非線性科學(xué)的快速發(fā)展及其在水電機(jī)組相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)，在一定程度上也導(dǎo)致對(duì)水電機(jī)組對(duì)象特性基礎(chǔ)理論的深入研究。
近年來(lái)的許多研究都表明，水電機(jī)組涉及的水、機(jī)、電三方面的因素相互影響是明顯的，將其作為一個(gè)整體納入統(tǒng)一的理論框架下開(kāi)展研究，可揭示更多的耦合作用機(jī)理。因而，將水電機(jī)組作為一整體研究其運(yùn)行控制和穩(wěn)定分析問(wèn)題已成必然趨勢(shì)。而有關(guān)水電機(jī)組建模方面尚無(wú)論著進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。為便于系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究，本書(shū)結(jié)合作者十余年來(lái)對(duì)水電機(jī)組數(shù)學(xué)建模的研究工作，對(duì)水電機(jī)組建模問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的陳述和分析。
本書(shū)分為九章，第一章研究對(duì)象概述，主要理清暫態(tài)過(guò)程研究的主要對(duì)象；第二章水力系統(tǒng)基本模型，介紹了經(jīng)典的特征線方法和傳遞函數(shù)描述方法；第三章水輪機(jī)模型，介紹了傳統(tǒng)的水輪機(jī)功率模型和幾種新的功率計(jì)算模型；第四章水力系統(tǒng)及水輪機(jī)微分方程模型，介紹了剛性和彈性水擊下水輪機(jī)非線性微分方程模型，以及復(fù)雜水力系統(tǒng)解耦和多機(jī)微分方程的建模問(wèn)題；第五章水輪機(jī)廣義哈密頓建模，采用廣義哈密頓實(shí)現(xiàn)理論建立剛性水擊和彈性水擊下的哈密頓模型；第六章發(fā)電機(jī)模型，從動(dòng)力學(xué)角度建立發(fā)電機(jī)微分方程模型，并給出了不同情形下的簡(jiǎn)化形式；第七章發(fā)電機(jī)哈密頓建模，從發(fā)電機(jī)的拉格朗日體系出發(fā)轉(zhuǎn)化為廣義哈密頓模型，并給出了簡(jiǎn)化方式和水電站局部多機(jī)發(fā)電機(jī)哈密頓模型；第八章水力機(jī)組軸系模型，采用軸系集中參數(shù)建模方法建立軸系振動(dòng)的暫態(tài)模型，并轉(zhuǎn)化為廣義哈密頓形式；第九章調(diào)速和勵(lì)磁控制單元，簡(jiǎn)單介紹了調(diào)速和勵(lì)磁控制基本原理和構(gòu)成。
本書(shū)內(nèi)容由對(duì)傳統(tǒng)理論的梳理和作者課題組的研究成果組成。相關(guān)研究成果主要來(lái)源于作者承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水力機(jī)組主動(dòng)控制策略研究，51579124”、“水力機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定的參數(shù)關(guān)聯(lián)機(jī)制及控制策略研究，1179079”、“基于廣義哈密頓理論的水力機(jī)組內(nèi)部關(guān)聯(lián)機(jī)制與控制策略，50949037”，參與的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“水電站的水機(jī)電耦合研究，50839003”，以及其他一些基金項(xiàng)目和部分企業(yè)委托項(xiàng)目的最新成果。一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和公式的詳細(xì)分析和討論，掌握核心概念和知識(shí)細(xì)節(jié)是本書(shū)的寫(xiě)作特點(diǎn)，期望讀者對(duì)傳統(tǒng)理論學(xué)習(xí)理解的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)展趨勢(shì)有一定的認(rèn)識(shí)。
曾云， 男，1965年3月出生，博士，教授/博導(dǎo)。1985年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)水電站動(dòng)力設(shè)備專(zhuān)業(yè)，1994年畢業(yè)于河海大學(xué)機(jī)電控制及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，2008年河海大學(xué)水利水電工程專(zhuān)業(yè)獲工學(xué)博士學(xué)位。2010年到英國(guó)阿伯丁大學(xué)合作研究一年。
主要從事水力機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性與控制策略研究。在理論研究方面，應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)、非線性控制理論探索復(fù)雜水力機(jī)組及其系統(tǒng)多場(chǎng)耦合條件下，運(yùn)行穩(wěn)定與控制的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。在工程應(yīng)用方面，涉及水力機(jī)械及其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析、試驗(yàn)測(cè)試、控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等工程實(shí)際問(wèn)題。
作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、作為主要成員參與1項(xiàng)國(guó)家基金重點(diǎn)項(xiàng)目的研究。2011、2012年作為非政府組織(NGO)世界自然基金會(huì)(WWF)的咨詢專(zhuān)Z家參與大型水電站的可持續(xù)性評(píng)估等工作。2014年參與國(guó)家自然科學(xué)基金委編寫(xiě)：《十三五水力裝備學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告》。作為組委會(huì)主席組織召開(kāi)了二屆“計(jì)算建模與模擬進(jìn)展”國(guó)際會(huì)議。在《Nonlinear Dynamics》、《中國(guó)科學(xué)》等期刊以及國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文70余篇，其中SCI、EI收錄50余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利已獲授權(quán)8項(xiàng)。現(xiàn)為中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)水輪機(jī)專(zhuān)委會(huì)委員，中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)自動(dòng)化專(zhuān)委會(huì)委員，中國(guó)南方計(jì)算力學(xué)學(xué)會(huì)委員，云南省力學(xué)學(xué)會(huì)理事；2017年成為國(guó)家自然科學(xué)基金委水利科學(xué)與海洋工程學(xué)科（E09）會(huì)評(píng)專(zhuān)Z家，中國(guó)博士后基金會(huì)函評(píng)專(zhuān)Z家，水利部水資源論證專(zhuān)Z家。
錢(qián)晶，女，1967年6月出生，碩士，教授。1989年畢業(yè)于華中科技大學(xué),電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位，2000年四川大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位。
主持軍民融合重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，云南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，云南省教育廳科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目6項(xiàng)，主持和參與多個(gè)企業(yè)委托項(xiàng)目的研究。在《Nonlinear Dynamics》等雜志及國(guó)際會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中SCI、EI收錄近30余篇，獲得云南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（4），授權(quán)專(zhuān)利2項(xiàng)。主持校J精品課程1項(xiàng)，獲校J教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng)，伍達(dá)觀教育基金“優(yōu)秀教師獎(jiǎng)”1項(xiàng)。
主要科研方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定控制及其對(duì)電網(wǎng)的影響。理論方面主要研究非線性控制理論在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定控制及對(duì)電網(wǎng)的影響。近年的研究方向主要是應(yīng)用廣義哈密頓系統(tǒng)理論研究多場(chǎng)耦合條件下發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合特性、運(yùn)行穩(wěn)定性，風(fēng)光水多能協(xié)同下的機(jī)組穩(wěn)定控制理論及其分析方法等。工程應(yīng)用方面，主要涉及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行分析、控制設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試，以及變電站、電網(wǎng)方面實(shí)際工程的工程技術(shù)問(wèn)題。
第一章 研究對(duì)象概述
第一節(jié) 水電機(jī)組功能單元構(gòu)成
第二節(jié) 水電機(jī)組模型概述
第二章 水力系統(tǒng)基本模型
第一節(jié) 管道運(yùn)動(dòng)基本方程
第二節(jié) 管道水擊的特征線方法
第三節(jié) 管道動(dòng)態(tài)的傳遞函數(shù)描述I
第四節(jié) 管道動(dòng)態(tài)的傳遞函數(shù)描述II
第五節(jié) 水力損失的影響
第六節(jié) 推薦的水力系統(tǒng)模型
第三章 水輪機(jī)模型
第一節(jié) 六個(gè)傳遞系數(shù)描述的線性化模型
第二節(jié) 電力系統(tǒng)應(yīng)用的水輪機(jī)線性化模型
第三節(jié) 水輪機(jī)非線性模型
第四節(jié) 水輪機(jī)力矩模型的擴(kuò)展
第四章 水力系統(tǒng)及水輪機(jī)微分方程建模
第一節(jié) 剛性水擊微分方程模型
第二節(jié) 彈性水擊微分方程模型
第三節(jié) 彈性水擊非線性微分方程建模
第四節(jié) 一管多機(jī)系統(tǒng)剛性水擊微分方程模型
第五節(jié) 一管多機(jī)系統(tǒng)彈性水擊微分方程模型
第六節(jié) 一管多機(jī)帶隧洞和調(diào)壓井的彈性水擊解耦模型
第五章 水輪機(jī)廣義哈密頓建模
第一節(jié) 廣義哈密頓建模理論簡(jiǎn)介
第二節(jié) 剛性水擊水輪機(jī)哈密頓模型
第三節(jié) 彈性水擊水輪機(jī)哈密頓模型I
第四節(jié) 彈性水擊的水輪機(jī)哈密頓模型II
第五節(jié) 三種水輪機(jī)哈密頓模型的比較
第六章 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
第一節(jié) 動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)
第二節(jié) 發(fā)電機(jī)的拉格朗日方程
第三節(jié) 實(shí)用參數(shù)表示的發(fā)電機(jī)模型
第四節(jié) 發(fā)電機(jī)線性化模型
第七章 水輪發(fā)電機(jī)廣義哈密頓模型
第一節(jié) 水輪發(fā)電機(jī)哈密頓建模
第二節(jié) 實(shí)用參數(shù)描述的發(fā)電機(jī)哈密頓模型
第三節(jié) 對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)三階模型的哈密頓模型
第四節(jié) 水電站局部多機(jī)條件下五階發(fā)電機(jī)哈密頓模型
第八章 水力機(jī)組軸系橫向振動(dòng)模型
第一節(jié) 軸系基本模型
第二節(jié) 拉格朗日系統(tǒng)的相對(duì)值形式
第三節(jié) 軸系廣義哈密頓建模
第四節(jié) 軸系振動(dòng)的解析表達(dá)式
第五節(jié) 基于軸系實(shí)測(cè)擺度提取特征參數(shù)
第九章 調(diào)速和勵(lì)磁控制單元
第一節(jié) 調(diào)速控制原理
第二節(jié) 調(diào)速器控制單元
第三節(jié) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)原理
第四節(jié) 勵(lì)磁控制單元
第五節(jié) 電力系統(tǒng)低頻振蕩和PSS
書(shū)單推薦
