（机械电子工程专业论文）plc水轮机双调节系统研究.pdf

致谢 致谢 本论文的研究工作是在导师李伟教授的悉心指导下完成的。李老师渊博的知识， 严谨的治学态度以及宽广的胸怀，令我在学习期间受益非浅，对此向李老师表示衷 心的感谢。 课题的研究得到了哈尔滨电机有限责任公司控制事业部刘磷工程师的大力支持 和帮助，提供了试验装黄、场所，并在实验室试验和现场试验过程给予悉心指导， 同时还提供了一些有价值的参考资料，在此也对他表示诚挚的谢意。 最后，我要感谢所有关心和支持我的朋友。 摘要 本文针对当前我国水轮机调速器领域技术现状，将可编程控制器技术应用于水 电厂发电机组的转速控制，提出了在应用可编程控制器实现导叶控制系统的基础上， 以可编程控制器实现导叶、轮叶双调整控制系统，并参与研制了以f x 2 可编程控制 器为核心的水轮机双调节控制器，样机的实际运行良好，系统的软硬件设计得到验 证，结果令人满意。 本文的第一章介绍了水轮机调速器技术的发展概况，重点阐述了微机调速器发 展趋势及可编程控制器的特点和优势。继而提出了选题意义及研究内容和方法：第 二章介绍了水轮机调节系统的基本任务及原理，建立了调节对象的数学模型，分析 了水轮机调速器控制规律，建立了水轮机导叶调节系统的传递函数，据此分析了水 轮机调节系统参数对系统稳定性的影响。介绍了水轮机轮叶离散调节系统原理，并 建立了轮叶离散控制系统的数学模型和框图；第三章研究了以可编程控制器实现水 轮机双调节系统。根据控制功能需求情况进行可编琨控制器的选型与配置，比较了 单片机测频、专用电路测频等几种测频方案，尤毒优缺点进行了分析，提山j 高可 靠性的多通道冗余测频方案；在此基础上设计了可编程控制器导叶控制系统的硬件 结构和软件结构。重点进行了可编程控制器型调速器轮叶控制系统的研究，通过可 编程控制器进行信号综合、处理和决策，通过比例阀调节主配压阀阀e l 开度，以控 制轮叶接力器的位置，保持导叶、水头和轮叶三者之间的协联关系。详细阐述了可 编程控制器轮叶控制系统的硬件结构、软件结构和实现方法。 参与研制的p l c 水轮机双调整调速器在哈尔滨电机有限责任公司试验站，使用 h g 8 6 - 3 型水轮机调速器测试仪进行了阶跃法测转速死区、静特性曲线、机组转速摆 动测量、空载扰动试验、开机过程试验、停机过程试验等九项仿真与测试，各项技 术指标均符合国家标准g b 9 6 5 2 8 8 的要求。并在黑龙江省五大连池山口水电站进行 了现场试验，试验表明静特性、协联特性均满足设计和有关规程要求。调速器自动 开机、停机及带负荷正常、稳定，手自动切换无波动现象，顺利通过了7 2 小时试运 行。 最后进行了工作总结，并结合在火力发电厂实际工作经验，提出了可编程程序 控制器在火力发电厂应用设想。 a b s t r a c t a i m i n ga t t h e p r o b l e m s i nt h ef i e l do ft h eg o v e r n m e n tf o rh y d r a u l i c t u r b i n e ，t h i st h e s i sa p p l i e st h et e c h n o l o g yo fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rt o t h e s p e e dc o n t r o l o fh y d r o e l e c t r i c g e n e r a t o r s i n h y d r o p o w e rs t a t i o n a d i g i t a lr e g u l a t i n gs y s t e mb a s e do nt h ef x 2p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rf o r t h ew a t e r - g a t ea n d p a d d l eo f h y d r a u l i c t u r b i n ei sd e v e l o p e d f i r s t ，t h e t u r b i n e r e g u l a t i n gs y s t e m i s b r i e f l y i n t r o d u c e da n d t h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es y s t e mi sd e r i v e d t h ec o n t r o lo f t h eg o v e r n m e n t i s a n a l y s i s e d ，t h ew a t e r - g a t er e g u l a t o rs y s t e m a n d p a d d l ed i s p e r s e d r e g u l a t o rs y s t e m i si n t r o d u c e d s e p a r a t e l y s e c o n d ，t h er e g u l a t o rs y s t e m b a s e do n p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d t h es t r u c t u r e o f w a t e r g a t er e g u l a t o rs y s t e m b a s e do n p r o g r a r n m a b l e c o n t r o l l e ri si l l u s t r a t e d ， t h ef o c a lp o i n to ft h ew o r ki st h er e s e a r c h i n go fp a d d l er e g u l a t o rs y s t e m ， t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fg o v e r n m e n ta n dr e a l i z a t i o n o ft h es o f t w a r e s y s t e m a r ei n t r o d u c e d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，as u m m a r yo fr e s e a r c hi sg i v e n c o m b i n i n gw i t h m yw o r k i n ge x p e r i e n c e i nh e a ta n d p o w e rp l a n t ，s o m e i d e a so ft h e p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e ra p p l y i n gt ot h eh e a ta n dp o w e r p l a n t a r eo f f e r e d i no r d e rt ov e r i f yt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，t h e p h y s i c a l - n u m e r i c a lm i x e d s i m u l a t i o nt e s t sa n df i e l dt e s t sh a v eb e e nc a r r i e d o u t t h et e s tr e s u l t sa r es a t i s f a c t o r y 3 ， 第一章综述 第一章综述 水电能源是电力系统的重要组成部分，我国的水力资源丰富，但开发水平很低，低 于世界平均开发利用率约十个百分点，水电是一次能源开发和二次能源转换同时完成 的，属于可再生、不产生污染的清洁能源。因此近年来水电建设事业出现了前所未有 的发展势头，对水电站综合自动化系统中的关键设备提出了更高的要求。 1 - 1 水轮机调速器技术发展概况 水轮机调速器是水力机组两大调节设备之一，它不仅起调速作用，而且也承担了水 轮发电机组的各种工况转换和频率、功率、相角等各种控制以及保护水轮发电机组的 任务。随着水轮发电机组数量及单机容量的不断增加，水电在电力系统中已占相当的 比重，因此对水电机组电能的品质及机组运行的安全可靠性提出了更高的要求。如要 求有更高的可靠性，更完美的控制功能以及报警、显示信息等附加功能，这就要求调 速器具有更大的灵活性、通用性和可靠性。 水轮机调速器的发展与其他工业相类似，都离不开当时的社会生产力的发展和科学 技术进步。早期的水轮机调速器是利用测速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用 式小型调速器；随着水轮发电机组容量的不断增大，十九世纪末出现了应用液压元件 进行功率放大的间接作用式调速器；由于引水系统的水锤作用，水轮机调节时出现不 稳定现象，为克服引水系统水锤所产生的不利影响，带有缓冲器的机械液压型调速器 问世，至二十世纪三十年代机械液压型调速器已经发展得相当完善，并一直沿用至今。 随着电子技术及液压技术的进步，出现了电气液压型调速器，与机械液压型调速器 相比，电气液压型调速器是以电气形式代替机械形式进行了信号传递、交换和综合， 具有响应速度快、控制精度高、易于实现所需要的调节功能等特点，五十年代已有相 当成功的电气液压型调速器，电气液压型调速器经历了电子管、晶体管和集成电路等 发展阶段，从调节规律上也从p i ( 比例积分) 调节规律发展到了p i d ( 比例积分j 教 分) 调节规律。 此外，为了提高电气液压型调速器的技术指标并使它具有更好的通用性和互换性， 出现了一种组合式( 又称积木式) 电气液压型调速器，它由测速、调节、位置控制操 作、执行机构等具有单一功能的元件组合而成，通过各单元的不同组合，构成适用于 各种不同机组要求的调速器。法国n e y r p i c 公司二十世纪七十年代初生产的r a p i p 7 7 型集成电路电液调速器就是这类调速器的典型代表。 二十世纪七十年代以来，随着电子计算机技术的发展和普及，丌展了在电力系统应 用电子计算机进行生产过程控制的研究。第一台数字式调速器是二十世纪七十年代初 期研制成功的，从二十世纪八十年代开始，由于微处理机技术的推广和应用，研制出 j 4 第一章综述 了以微处理机为核心的水轮机调速器，从而使数字式水轮机调速器投入工业运行成为 可能。瑞典a s e a 二十世纪八十年代中叶推出的h p c 6 1 0 6 2 0 调节器代表了国外微机 调速器的发展水平，该调节器的c p u 为8 位6 8 0 3 ，由m p l 0 0 可编程控带j 器组成，编 程设计语言为a m p l ( a s e am a s t e rp i e c el a n g u a g e ) ，该调速器具有优良的性 能和较高的可靠性，现场使用情况良好。 我国水轮机调速器制造业是解放后才发展起来的，二十世纪五十年代主要生产机械 液压型调速器，二十世纪六十年代起我国自行研制的电子管、晶体管、集成电路电气 液压型调速器陆续投入运行，二十世纪八十年代起我国有少数科研单位开始从事微处 理机调速器的研制工作。 二十世纪八十年代以来，调速器技术的发展主要表现在以下几个方面： 第一、系统结构的变革。从二十世纪八十年代初开始，我国新设计的水轮机电液 调速器和微机型调速器大多采用了先进的电子调节器式结构，它由转速测量单元、电 子调节单元和电液执行单元组成，其特点是转速测量、调节规律的形成和驱动导水机 构的职能分别由上述三个功能单一的单元来实现。采用这种系统结构的调速器。在不 提高机械液压部件 j 口- r 耩度的前提下，其转速死区可达到0 0 2 - 0 0 3 ，而以往的缓 冲一中间接力器式结构的调速器要达到这样的技术指标是比较困难的，必须在提高机械 加工精度和减小主配压阀搭接置的基础上才能实现。 第二、高可靠性电液伺服阀的研制。电液伺服阀是调速器的一个关键部件，以往 最常见的毛病是油孔容易堵塞和控制套发卡，造成特性不稳定、接力器抽动，有0 ：。二 造成溜负荷、甩负荷等现象，严重影响电厂的安全经济运行。据有关部门统计，有6 0 的电液调速器存在上述质量问题。针对这一情况，不少调速器研制单位着手改进这一 技术，先后推出了多种类型的电液伺服阀，其中具有代表性的有长江控制设备研究所 的双锥阀式电液伺服阀和湖南水利水电科学研究所与武汉水电控制设备研究所联合推 出的环喷式电液伺服阀。 第三、新型电液随动系统的采用。长控所等单位研制了从液伺服润、引导阀、辅 助接力器至主配压阀直连的机械液压系统，这是一种新型的无杆件机械液压系统，具 有结构简单，调试方便等特点。湖南水科所与武汉水控公司研制出一种直连型的电液 随动系统，该随动系统高度集成的块式结构，完全取消了原来的外管道系统，将所有 暗管布置在一个外方内圆的集成块内和主配压阀盖内。系统具有体积小、结构简单、 运行可靠、维修方便等特点，并使机械液压部分的死区大大减小。 第四、工作油压的普遍提高。二十世纪八十年代以前我国生产的调速器，其工作 油压多为2 5 m p a ：而二十世纪八十年代到二十世纪九十年代大多采用了3 9 m p a 油压 等级。提高工作油压，不仅可以使调速器液压放大级数减少，简化了液压系统，而且 便于采用标准液压件，使接力器尺寸减小。 第五、微机技术的应用及调速器功能的扩展和可靠性的提高。二十世纪八十年代 5 第一章综述 初，微机技术被引入水轮机调速器设计，并与现代控制理论相结合，研制出新型的水 轮机调速器一微机调速器，使水轮机调节技术迈向了一个新的高度。调节器功能不断 扩展，如广泛设置的频率跟踪功能、人工死区功能、电气开度限制功能、快速准同期 功能等，在微机调速器中还引入了在线故障诊断功能，故障处理及计算机辅助试验等 功能。由于这些功能的设置，不仅提高了水轮机调速器的速动性、准确性和可靠性， 而且适应了水电厂计算机监控的需要，有助于提高电厂自动化程度和安全经济运行水 平。 i - b 微机调速器综述 世界各国对微机调速器研究十分活跃。瑞典a s e a 公司1 9 8 2 年率先研制出第一台 微机调速器，并投入了运行，此后a s e a 公司与瑞士b b c 公司联合组成a b b 公司又推 出了h p c 6 1 0 6 2 0 型调速器产品，其他各大公司，如法国的n e y r p i c ，加拿大的d b s ， 比利时的a c e c 日本的h i t a c h i 以及美国的w o o d w a r d 也相继迸行了微机调速器的研 制与生产。国内微机调速器的研制以华中理工大学起步最早，1 9 8 4 年我国自行研制的 第一台微机调速器在湖南欧阳海水电站投入了运行；i 9 8 5 年华中工学院率先开声。e 以 z - 8 0 单板机为核心的微处理机单调节水轮机调速器并投入运行；1 9 8 7 年南京自动化研 究所研制出以i n t e l 8 0 2 4 单板机为核心的微机双调节水轮机调速器样机，并寸 电站 运行后通过技术鉴定。此后，天津电气传动设备研究所、长控所、武汉控制设备公司、 河海大学和浙江大学等单位进行了微机调速器的研制和生产，并相继投入了运行。 现有微机调速器主要有以下几类： 第一、通用单片单板机型。以z 8 0 单板机。4 8 、5 l 、9 6 系列八位或十六位单片微 机为硬件系统的调速器的特点是性能价格比高，易于实现实时控制，缺点是系统抗干 扰能力差，用户需掌握计算机知识，难以进行质量管理和人员培训。 第二、工控机型。为了提高系统的抗干扰性能并实现微机调速器的标准化、系列 化和模块化，普遍采用了基于总线的工业控制杌。以s t d 总线工业控制机或p c 总线控 制机为硬件系统的调速器的特点是小型化、系列化、模块化、兼容性好和可靠性高： 缺点是汇编语言软件系统开发工作量大，用户仍需掌握计算机知识，当系统复杂特别 是采用双机系统时，价格较高。 第三、可编程控制器型。为了进一步提高调速器的可靠性，从二十世纪八十年代 后期开始，国外发达国家以复杂工业现场长期运行标准设计的可编程控制器( p l c ) 为 核心，开发了新一代数字调速器或包括调速、调功功能的综合控制器，代表了当前的 国际水平，其优点是抗干扰能力强，编程语言通俗化( 编程语言易于工程技术人员掌 握) ，模块化结构可减少确定故障和停机检修对闻：缺点是可编程控割器型调速器的硬 件、软件通用性差，价格较贵。 6 第一章综述 1 - 3 可编程控制器的特点和优势 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 简称p l c ，其概念、特征最初由美国 通用汽车公司液压工程部于1 9 6 8 年提出，第一台p l c 由美国数字设备公司( d e c ) 于 1 9 6 9 年研制成功。三十多年来获得了很大发展，已成为一种新型工业控制装置，在工 业上应用广泛。1 9 8 2 年，国际电工委员会( i e c ) 在颁布可编程控制器标准草案中所作 的定义是：可编程控制器是一种专为在工业环境而设计的数字运算操作的电子系统。 它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 和算术运算等操作指令，通过数字式可模拟式输入输出来控制各种类型的机械设备或 生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体， 易于扩充其功能的原则设计。 现代可编程控制器是面向用户的工业控制计算机，具有如下特点： l 、抗干扰能力强，可靠性高。工业生产过程的环境往往比较恶劣，不仅存在各种 干扰，而且灰尘大、湿度大、温度高且变化范围大，因此对控制设备提出了较高的要 求。通用计算机无法适应这样的环境，而p l c 由于采用了大规模集成电路，器件的数 量大大减少，且大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，另外，p l c 在硬件设计 和电源设计时采取了屏蔽、滤波和隔离等抗干扰措施，系统采用模件式结构，分散了 危险陛，因而可靠性很高，故障率较低。为适应工业现场的恶劣环境，p l c 在设计时允 许电压波动+ 1 5 ：允许环境温度为0 - 5 5 度，有的甚至可以是- 1 0 - 5 5 度；允许空气相 对湿度为1 5 一9 5 ，无凝露：还具有抗振荡、抗震动、抗噪声、抗射频、抗电磁干扰的 能力。 2 、编程、操作简单方便。p l c 是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，因此 在进行p l c 操作系统和编程语言的设计时，充分考虑到他们已有的知识水平和习惯， 采用他们比较熟悉和易于接收、类似与继电器控制电路的梯形图或面向工业控制的简 单指令形式。这种编程语言和方式形象直观，且简单易学，不易出错，也不需要专门 的计算机高级语言知识。因此，对于已对继电器控制电路相当熟悉的现场工程技术人 员来说，他们非常容易使用和推广p l c 。这也是p l c 得以迅速发展和应用的重要原因之 一。另外，若通过编程器对p l c 进行编程，则只要使用有限的专用键即可，操作非常 方便；若是在微机上p l c 厂家提供的专用编程软件环境中进行编程，由于每一步操作 都采用菜单方式提示，使编程工作更加简单。一般编程人员不需要具有专门的计算机 知识，只需经过不长时间的培训即可掌握编程方法。在p l c 运行过程中，p l c 的面板( 或 c r t 显示器) 上显示有生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中 有数，即使出现故障甚至事故也能及时处理。 3 、采用模件式结构，通用性好，灵活性大，维修方便。p l c 通常采用模件式结构， 这样在构成控制系统时，可以像积木一样，根据控制要求，将各种功能模件组合起来。 第一章综述 当需要变更控制系统时，也可以方便地在原系统中添加或撤除相应的模件，具有较大 的灵活性。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线 修改程序。同一p l c 装置应用于不同的被控对象，只是i 0 模件和控制软件的不同， 具有较好的通用性，另外，模件式结构也便于安装和维修，当一块模件发生故障时， 只需将其拆下，然后换上一块好的的模件，就可以使系统正常工作。同时，在各模件 上都设有故障检测电路，并有相应的指示灯指示模件的状态，用户可以迅速确定故障 模件的位置。 4 、有较强的控制功能和驱动能力。现代p l c 不仅具有逻辑运算、计时、计数、步 进控制等功能，而且还能完成a d 和d a 转换、数值运算、数据处理、矩阵运算以及 通信联网、生产过程监控等。因此，它既可用于开关量控制也能用于模拟量控制： 既可以控制单机或一条生产线，也能控制多台设备或多条生产线：既能就地控制，也 可以远距离控制：既能控制简单系统，也能控制复杂系统。 p l c 的输入输出模件具有较强的驱动能力，可以直接与2 2 0 v a c ，l i o v a c 和2 4 v d c ， 4 8 v d c 输入输出信号相连接，输出可直接驱动2 a 以下的负载，而且p l c 也有t t l 和c m o s 电平输入输出模件，可以驱动t t l 或c m o s 电平的设备，因此可以方便地与现场的各种 设备如继电器、接触器、各种开关、电磁阀等相连接。 5 、易于实现机电一体化。随着微电子工业的迅速发展，集成电路的制造水平不断 提高。可以将p l c 设计得非常紧凑，体积很小，抗震防潮和耐热能力增强，可靠性进 一步提高，因此就有可能将p l c 安装到每个机械设备的内部，与机械设备有机地融合 在一起，真正做到机电一体化。 近年来，可编程控制器已被引入水轮机调速系统，其可行性、有效性已得到实际验 证。p l c 调速器的出现也从另一个侧面表明，可编程控制器不仅仅被大量用来替代传统 的继电器系统，也己开始步入闭环控制领域。可编程控制器被引入调速系统的主要原 因是： 第一、将p l c 作为主要硬件系统，控制器部分可有很高的可靠性，可适应恶劣的 工作环境，特别是增强了抗干扰能力。 第二、p l c 的接口功能比现有微机要强，并可直接驱动，有利于配置新型液压随动 系统，简化接口，提高这部分的可靠性。 第三、p l c 模块化的结构可减少停机检修时间，操作方便，提高发电效率。 第四、基于p l c 的统一硬件( 主要部分不需要另制板) 易于生产出系列化、批量 化的产品，形成产业。 1 - 4 选题意义 水电站运行灵活、运行成本低，长期效益大。而且开发水电站的社会及生态效益大， 第一章综述 世界各国无不优先开发水电资源，使资源得到最大限度的利用，许多国家的开发度达 6 0 以上，甚至达9 0 。 水轮机调速器是水电站发电机组的重要控制设备，其可靠性直接影响到水轮机调节 系统的正常运行，对电力系统的稳定和电能质量有十分重大的影响，可靠性是调速器 实现所有功能和性能的基础。 微机调速器虽然具有优良的静动态指标和较高的可靠性，但与水电站运行的高可靠 性要求尚有距离，主要是硬件设计和制造工艺不完善所致，在元件筛选、老化、p c b 工艺、调试监测手段等方面达不到高可靠性要求，导致m t b f ( 平均无故障间隔时间) 远低于进口的微机调速器，因此目前大型水电站的调速器仍依赖进口。国产微机调速 器在运行中硬件不可靠的问题己引起重视，如硬件设计采用双机冗余，或选用工业总 线模块构成微机调速器的硬件主体。为了提高微机调速器的硬件可靠性，我们采用其 它工业领域己广泛使用的、以高可靠性著称的可编程控制器( p l c ) 作为调速器的硬件 主体，p l c 本身也是一种特殊的微机系统，由于它在结构上和运行方式上的特点，当被 应用于水轮机调速器时，也会产生特有的问题，其中技术关键在于处理好频率( 转速) 的测量、输入和闭环控制的实时性，在保证p l c 调速器具有与微机调速器相当的控制 性能指标的同时，通过容错设计、简化输入输出接口和优化系统等措施，使系统具有 更高的可靠性与性价比。本文将可编程控制器技术应用于水力发电机组的转速控制中， 具有以下两个方面的意义。 第一、高可靠性和高性价比的可编程控制器调速器设计、开发和推广应用必将提 高我国水电厂综合自动化技术水平，保证电力系统的供电质量和安全稳定运行，对三 峡等大型水电站水电控制设备的国产化具有参考意义。 第二、应用可编程控制器技术实现水轮机导叶、桨叶的双调整控制，大大提高了 导叶、桨叶针对不同水头等情况开度的协调精度，提高了水能的利用率，从而有助于 提高水电厂，尤其是水头变化比较大的水电厂的经济效益。 1 - 5 本论文研究内容和方法 本论文着重对可偏程控制器水轮机双调整系统进行了研制和试验，具体包括以下方 面： 一、水轮机调节系统概述及动态分析 简要阐述了水轮机调节的任务和实现方法，对各种调速器的组成及结构特点进行了 比较分析，从理论上推导了调节对象的数学模型，以经典控制理论为基础对水轮机调 节系统稳定性及参数整定方法进行了分析。 二、p l c 调速器系统结构 阐述了可编程控制器构成方案及技术难点。 第一章综述 证。 法。 三、p l c 水轮机双调整系统研究 阐述了调速器的技术构成，总体结构及其优势所在。 四、p l c 水轮机双调整系统性能测试和试验结果分析 对调速器的软硬件系统进行调试，通过物理数字混合仿真试验对系统软硬件进行验 五、总结和进一步开发设想 对论文工作进行了总结，并对p l c 控制系统在火电厂的进一步应用提出了一些想 第二章水轮机调节系统 第二章水轮机调节系统 2 一l 水轮机调节的基本任务及原理 一、水轮机调节的基本任务 水轮发电机把水能转变成电能供用户使用，用电户除要求供电安全、可靠外，还要 求电能的频率及电压在额定值附近某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影 响用户的产品质量。按照规定。电力系统的额定频率应保持在5 0 h z ，其偏差不应超过 o 2 h z ，有关标准对额定电压及其偏差值也有相应的规定。 电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分的负荷波动，这种 负荷波动的幅值可达系统容量的2 3 ，而且是不可预见的。此外，一天之内系统负 荷有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可以预见的， 但从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有的电力系统记录到每分钟负荷增加达到系 统容量的1 。电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率的变化。 水轮发电机一般是三相同步发电机，其频率f 与转速r l 之间有着严格的关系式： f = p x n 6 0 ( 2 1 ) 式中p 为发电机磁极对数；n 为发电机转速 r m i n ；f 为频率 h z 。 发电机的磁极对数p 是由发电机的结构确定的，对于运行中的机组一般是固定不变 的，所以发电机的输出频率实际上是随着水轮发电机组转速的变化而变化。而水轮机 的转速是由导叶开度控制的，因此。水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生 变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速 保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。具体来讲， 水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。 转速调节主要用于在空载工况和带孤立负荷工况，空载工况时，调节器的任务是使 机组转速跟踪转速给定或系统频率；带孤立负荷时，调节器的任务是在发生负荷扰动 时维持转速( 频率) 和跟踪转速给定( 频率给定) ：在与电网并列运行时，调节器有时 作为电站调频装置的一部分起作用。 有功功率调节用于与电网并列运行工况，其任务是保持本机组的输出功率，在频率 变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。 水位调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用水量 超过来水量，水位就会下降，从而导致水电站水头下降和单位水量的发电量下降，这 样就降低了电站运行的经济效益；当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致 弃水，这也会降低电站的经济效益。所以需要以保持上游水位为目标调整机组出力， 这就是水位调节。 从自动控制原理来看，压力引水系统( 包括进、排水管道) 、水轮机、装有电压调 1 1 第二章水轮机训节系统 节器的发电机及其所并入的电力系统( 调节对象) ；由水轮机调速系统和被控制系统组 成的闭环自动控制系统，习惯上称之为“水轮机调节系统”。水轮机调节系统方块图如 图2 - 1 所示。 i频率给定i ：一一一一一一，一一一一一i 图2 一l水轮机调节系统方块图 二、水轮机调节原理 水轮发电机组是由水轮机和发电机连接而成的机组。如图2 - 2 所示，水轮发电机组 转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的方程可由以下方程来描述： j d a d t = m t + m g( 2 2 ) 式中：j 一机组转动部分的转动惯量( k g m 2 ) ( ) = n n 3 0 一旋转角速度( r a d s ) m t 一水轮机力矩( n m ) ，其中包括发电机所有机械和电气损失。 图2 2 水轮发电机组示意图 水轮机动力矩m t 是由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小 决定于水头h ( m ) ，导叶开度( 流量q ) ，机组转速n 等。 m x = r q h n ( 2 3 ) 式中：r 一水的比重( 1 0 0 0 k g m 3 ) q 一通过水轮机的水流量( 一s ) 第二章水轮机训节系统 h 一水轮机的工作水头( m ) n 一水轮机的效率( ) 发电机阻力矩m g 是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与旋转方向相反，是 阻力矩。由发电机原理可知，m g 代表发电机有功功率输出，即负荷的大小，它与用电 户性质有关。 当负荷( 用电设备) 变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可稳定在某一数值上， 如图2 - 3 中的转速n 1 或n 2 ，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡调节能力。仅仅依靠 自平衡调节能力来保持转速是不行的，因为转速将偏离额定值。 要使机组转速在负荷变动以后仍维持在原来额定值，从图2 - 3 中可以看出，这就需 要相应改变导叶开度。当负荷减少时，阻力矩由f ：( n ) 变到( r 1 ) 时，只需把导叶开度 减小到0 ，机组转速将维持在n o ；相反，当负荷增加时，相应开启导叶至a 。，就能维 持机组转速不变。所以随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，以使水轮发电机 组的转速维持在某一预定值，或按某一预定规律变化，这一过程就是水轮发电机组的 转速调节，或称水轮机调节。 f l y ，州 力 m c m a 而 图2 3 水轮机调节示煮图 三、对水轮机调节过程的基本要求 评价调节过程的品质，通常是在相同的负荷或转速扰动下比较其转速动态特性曲线 是否满足以下要求： 1 、稳定性 调节系统在负荷或转速扰动下偏离了平衡状态，如果扰动消失后，经过一定的时间， 系统能够回到原来的或新的平衡状态，这样的调节过程是稳定的，否则是不稳定的。 2 、速动性 调节系统受到扰动后，就迅速产生足够大的调节作用，以保证在尽可能短的时间内 达到稳定状态，这一特性称速动性。 3 、准确性 第二章水轮机调节系统 调节系统动态特性的准确性用动态偏差和静态偏差来表示。动态偏差是指被调节参 数在调节过渡过程中的最大偏差。静态偏差是指调节过程结束后，被调节参数新稳定 值与原来稳定值之偏差。 稳定性、准确性、速动性这三个要求常常互相矛盾，互相制约。在水轮机调节系统 中，对调节品质的首要要求是稳定性，应在保证稳定的基础上提高速动性，满足一定 的动态偏差和静态偏差，以获得最佳调节过程。 2 - 2 调节对象的数学模型 水轮机调节系统中调节对象包括水轮机引水系统，发电机及其所在电网三部分。这 三者对机组动态特性都有重大影响，它们与调速器构成一闭环调节系统。 作为调节对象，其输入量是水轮机调节机构开度的变化，输出量是机组转速的变化， 即电力系统中频率的变化。 一、水轮机数学模型 对混流式水轮机，力矩方程和流量方程为 m 。= e y y + e , x + e h h q = e y + e x x + e 帅h 其中m 。一为相对转矩偏差； ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) q 一为相对流量偏差； x 一为相对转速偏差； y 一为相对接力器行程偏差： e ，一为水轮机力矩对导叶开度的传递系数； e 。一为水轮机力矩对转速的传递系数，亦称水轮机的自调节系数； e 。一为水轮机力矩对水头的传递系数： e 。广一为水轮机流量对导叶开度的传递系数； e 。l - 一为水轮机流量对转速的传递系数； e 。一为水轮机流量对水头的传递系数。 式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 就是单一调节的水轮机力矩方程式和流量方程式，方程式 中六个传递系数一般由水轮机模型综合特性曲线求取，理想水轮机在额定工况点的六 个传递系数为： e ，= 1e 。= 一1 e h 21 5 e q y = 1 e 。，= 0e n = o 5( 2 - 6 ) 二、引水系统数学模型 引水系统中水击是导致调节系统动态特性变化的一个重要因素，所以对引水系统动 态特性的探讨是至关重要的。对简单直管路，当管路较短( 压力引水管道长度小于6 0 0 8 0 0 m ) 时，管壁及水体弹性可以忽略，流动磨擦阻力也可以忽略，则在管道中水流 第二章水轮机调节系统 量变化所引起的水压可按刚性水锤的基本方程来描述： h ：一t 。旦( 2 7 ) 式中，h 一管道水头的变化 q 一管道中瞬时流量的变化 t 。一管道中水流惯性时间常数 由于研究的对象具有零初始条件，取拉氏变换，上式写成： h t 。s q( 2 - 8 ) 式( 2 - 7 ) 和式( 2 - 8 ) 即为引水系统刚性水击基本方程式，其传递函数为： g 。( s ) = 一t 。s( 2 - 9 ) t 。：= 暑称为引水系统水流惯性时间常数( 秒) ，它表示引水管道中的水流在额 g r h r 定水头h r 作用下，从流量q = o 增加到0 = 0 ，所需时间，它就是表示引水管道中水流惯性 越大，水击作用就越显著。由于引水系统各部分管道面积不一样，所以水流惯性时间 常数t 。一般表示为： k 韶 式中l 和f 分别为相应各部分的管长和截面积。 三、水轮机组段数学模型 在刚性水击基本方程的基础上，可以建立水轮机力矩和开度之间的关系，对混流式 水轮机，根据式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 和( 2 7 ) 有 m t = e ，y + e x x + e h h q= e j + e q 。x + e q h h h t 。s q ( 2 1 1 ) 从而可以画出水轮机组段的方块图( 如图2 - 4 ) 图2 - 4 水轮机组段方框图 由图2 - 4 可见，水轮机组段输入有两个，转速x 和接力器行程y 。输出只有一个 即水轮机力矩m t 。根据方框图可写出传递矩阵g 。( s ) ： g ( s ) = e “i 6 菊o ( s ) 西e 6 帕i( 2 - 1 2 ) e ”而g ( s ) e h + 叫州 上式可写为 g ( j ) = 巳+ ( e 们h e q h e ) ，) g 。( j ) 1 7 1 一e q l , g m ( s ) e,。+(eqreh。-e,eog,o(s) 】一叫g m ( 5 ) ( 2 1 3 ) 输出m ( s ) 为： r l ，1 ( 2 1 4 ) m 【s ) ；i 、，i l j 四、发电机负载数学模型 当负载变化时，水轮发电机组阻力矩变化，使得机组转速( 或供电频率) 产生变化， 而转速变化通过调速器作用又引起导时开度的变化，因此发电机负载是与杌组工作密 不可分的，它是调节对象的一个组成部分。常用的发电机数学模型有一阶、二阶、三 阶和高阶，一阶模型是在水轮机调节系统分析计算中用得最多的发电机模型。此时， 发电机仅作为具有一定惯量的旋转刚体来考虑，其传递函数为： 1 铽o 。面靠五 q 。1 5 ) 其中，t 。= ju ，m ，称为机组惯性对闻常数，它表示机组在额定力矩作用下，由零 加速到额定角速度所需时间，t 。的大小代表了机组本身惯性的大小。实际上，电网中 具有转动部分的负载同样也存在着转动惯量( 包括各种电机及其所拖动的机械的转动 惯量) ，在此用负载惯性时间常数r 来表示其转动惯量的大小。 令! 墨：蚀称为发电机负载力矩对转速的传递系数或称为发电机负载的自调节系 d r 数。 式中机组惯性时间常数t 。可由算式求出，e 。值可根据实验数据求出，也可由统计 得出。 图2 5 发电机及负载框图 2 - 3 水轮机调速器控制规律分析 水轮机调速器调节规律一般可分为比例一积分( p i ) 控制、串联p i d 控制和并联 p i d 控制三种。软反馈型p i 调节器是具有比例控制作用( p ) 和积分控制作用( i ) 的 1 6 第二章东轮机调节系统 p i d 控制三种。软反馈型p i 调节器是具有比例控制作用( p ) 和积分控制作用( i ) 的调节器，这种调节器是目前国内使用最多的一种调速器，机械液压调速器大多是软 反馈调节器，过去我国生产的电气液压型调速器也是软反馈调节器。 由控制理论可知：比例控制信号较积分控制信号快，偏差一出现，立即能给出控 制信号，但在偏差很小时，控制信号很小，调节过程较慢。积分控制作用可以防止小 偏差长期存在，并保证实现无差调节，但在偏差出现初期，偏差比较小，此时无论是 比例控制还是积分控制作用都比较小，因此速动性差。微分控制信号反应偏差变化速 度，所以在偏差刚开始形成时。就能有较大控制作用，从而加快调节过程。故在p i 调节规律的基础上加上微分控制作用( d ) 就构成了具有p i d 调节规律的调速器。 p i d 调节规律又可以分为串联p i d 和并联p i i ) 两种典型结构。串联p i d 调速器就 是在p i 软反馈型调速器调节输入信号通道上加上一个超前较正装置，它可使系统速 动性大为提高，另一方面也使系统更易于稳定。串联p i d 调速器的微分环节积分环节 是串联的，这种调节规律存在两方面的不足：第一、比例、积分、微分参数是由永态 转差系数b ，、缓冲时间常数tt 、加速度时间常数t 。相互并列决定的，这样参数调整 比较复杂。第二、调节规律由电气和机械两部分共同组成，这样机械液压部分死区等 非线性因素就会影响到调节规律。 并联p i d 型水轮机调速器由实现p 、i 、d 调节规律的三个独立单元并联形成，其 最大特点是比例、微分、积分放大系数相互独立，因而参数容易整定，相互无干扰。 并联p i d 调节规律克服了串联调节规律的不足，并联p i d 调节规律目前已得到广泛应 用。 由于b ，有利于系统稳定，并且值比较小，因此分析水轮机调节系统动态特性时， 传统上是令其等于零进行分析的，这样就无法充分考虑取自何处更好。实际上永态转 差系统b ，反馈取自不同的地方对系统的动态特性有较大的影响，根据永态转差系数 b ，反馈点引出位置及反馈输出位置不同构成四种改进并联p i d 调节器。文献。3 讨论 了b ，反馈点从积分环节引出比b ，从t e 例、微分、积分相加以后的环节取出有更好的 动态特性( 这两种调节器b ，反馈输出位置均为比例、微分和积分环节之前) 。图2 - 6 、 图2 7 和图2 - 8 分别为三种不同的改进并联p i d 调节器。 第二章水轮机调节系统 图2 - 6 改进i 型并联p i d 结构框图 图2 7 改进i i 型并联p i d 结构框图 图2 - 8 改进i i i 型并联p i d 结构框图 经典并联p i d 调节规律传递函数为 邮) = 雨k 瓣, + 鬲k d 丽s + k 面d sj k d f + k 。s4 - k | ( 2 - 1 6 ) 廿p k d s 上+ ( 1 3 p k d 七o s 七b p k l 图2 - 6 所示的改进型i 型并联p i d 调节规律，其传递函数为： f 、k p + k | l s + k d ，s u ”u ) 2 i + ( k p + 1 6 s ) b e ( 2 1 7 ) 1 + f 1 6 , 1 1 6 ) 5 + ( i 岛k o s 2 。_ 万吾_ 第二章永轮机调节系统 图2 7 所示的改进型i i 型并联p i d 调节规律和图2 - 8 所示的改进型i i i 型并联 p i d 调节规律传递函数相同，均为： ，? 、k 口+ k | s 七k d s 2 百瓦矿 ( 2 18 ) k o s 2 + k p s + 1 0 s + b p k l 比较式( 2 - 1 6 ) 与式( 2 - 1 8 ) 两式分子相同，式( 2 - 1 8 ) 的分母比式( 2 - 1 7 ) 的 分母少一阶，即改进型并联p i d 控制策略比经典并联p i d 控制策略极点数少一个。从 控制理论可知，传递函数的极点起滞后作用，所以式( 2 - 1 6 ) 比式( 2 1 8 ) 的超前校 正作用要小。而水轮机调速系统的调节对象是一非最小相位系统，调节对象的滞后比 较严重，要求调节器具有很大的超前校正作用。由此可见，与经典并联p i d 控制策略 相比。改进i 型并联p i d 控制策略对调节系统动态特性具有很好的改善作用。 图2 - 7 所示为改进i i 型并联p i d 调节规律，实验室试验已表明这种调节规律与 经典并联p i d 调节规律相比具有以下优点： ( 1 ) 永态转差系数仅包围积分环节的并联p i d 型调速器的调节性能优于永态转 差系数包围p i d 环节的调速器，两者相比，在甩部分负荷时前者具有上升速率小、调 节时间短、频率扰动时也有调节时间短的特点。 ( 2 ) 永态转差系数b ，仅包围积分环节的并联p i d 型调速器比永态转差系数b ，包 围整个p i d 环节的调速器具有较快的响应速度。 ( 3 ) 用误差绝对积分( i a e ) 准则衡量调节品质时，永态转差系数b ，仅包围积分 环节的并联p i d 型调速器比永态转差系数b ，包围整个p i d 环节的调速器具有较小的 误差面积。 图2 - 8 所示为改进i