多能互补发电系统中杨家湾水电站水轮机压力脉动特性的数值研究

杨钧翔，刘小兵，庞嘉扬，宋 罕，彭源杰，徐连琛

（西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川省成都市 610039）

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随着技术的高速发展，世界主要国家的能源结构开始向新能源化进行转变，以中国为例，截至2020年，风电及光电的装机容量已经达到24.3%。新能源电站的大规模并网使得电网的调节压力剧增。而水电具有优良的调节性能，基于水电的多能互补系统的发展是大势所趋[1]。混流式水轮机广泛应用于国内各大水电站，因此对以混流式水轮机为核心的多能互补调节系统的研究具有重要意义。

在目前的研究中，研究人员通常将水电模型进行了简化，未研究水轮机内部流动特性，而在考虑水电调节性能时，水轮机的压力脉动及机械振动是无法忽视的问题。在对水电厂进行互补控制时，必须考虑水电机组振动的影响。杨秀媛等[2]对风水协同运行的计划制定、协同优化控制和网络约束等问题进行了详细研究，在协同运行理论的应用中出现了水电机组的振动问题。从整个水电站来看，水电机组振动主要是因为风能的间歇性使水电负荷变化频繁，导致水电站水头频繁波动且变幅较大，水流在水轮机叶片头部产生脱流、空化和漩涡等现象，从而导致压力脉动及结构振动的产生[3，4]。当水轮机发生压力脉动及结构振动时，容易造成疲劳破坏，直接影响水电站以及电网的安全运行[5]。刘小兵等[6]基于大涡模型对小负荷、部分负荷、设计负荷和超负荷这四个工况进行数值模拟，研究结果表明，在部分负荷下，尾水管内出现涡旋流，而在最优工况下产生涡带，同时进口段的压力脉动比较大。……