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NARI微机水轮机调速器培训教材国电自动化研究院电气控制技术研究所二四年八月前 言本书首先介绍了水轮机调节及水轮机调速器的基本概念、控制对象的数学模型、水轮机调节系统的动静态特性，然后以南瑞电气控制技术研究所最新研制的SAFR-2000型32位微机调速器为例说明了微机调节器的电气部分，接着以南瑞集团推出的ZFL系列自动复中式主配压阀液控装置为例说明了调速器机械液压部分原理，然后又介绍了调速器的压油装置和油压系统的控制部分，最后本书介绍了SAFR-2000型调速器的现场实验以及水轮机调速器的非线性鲁棒控制等。本书共分为八章，主要由南瑞电气控制技术研究所调速工程部编写，其中第五章由陈东民编写，第六章第二部分由蒋克文编写，其余由蔡卫江编写，全书由蔡卫江统稿。 本书第三章引用了华中科技大学魏守平教授的现代水轮机调节技术中的部分内容，在此表示感谢。其他部分章节引用的内容详见参考文献，在此对作者一并表示感谢。教授级高工曾继伦对本书进行了审阅，并提出了许多宝贵意见。南瑞电气控制技术研究所 于南京2004-9-2 目录_ TOC o 1-3 h z _ HYPERLINK l _Toc82255683 _第一章水轮机调节概述_ PAGEREF _Toc82255683 h _1_ HYPERLINK l _Toc82255684 _1.1水轮机调节的任务_ PAGEREF _Toc82255684 h _1_ HYPERLINK l _Toc82255685 _1.2水轮机调速器的控制策略和结构_ PAGEREF _Toc82255685 h _3_ HYPERLINK l _Toc82255686 _1.2.1控制策略的发展_ PAGEREF _Toc82255686 h _3_ HYPERLINK l _Toc82255687 _1.2.2调速器装置的发展_ PAGEREF _Toc82255687 h _8_ HYPERLINK l _Toc82255688 _1.2.3控制策略的发展方向_ PAGEREF _Toc82255688 h _10_ HYPERLINK l _Toc82255689 _第二章控制对象数学模型_ PAGEREF _Toc82255689 h _12_ HYPERLINK l _Toc82255690 _2.1水轮机组段模型_ PAGEREF _Toc82255690 h _12_ HYPERLINK l _Toc82255691 _2.1.1有压引水系统模型_ PAGEREF _Toc82255691 h _12_ HYPERLINK l _Toc82255692 _2.1.2水轮机模型_ PAGEREF _Toc82255692 h _15_ HYPERLINK l _Toc82255693 _2.1.3液压随动系统模型_ PAGEREF _Toc82255693 h _17_ HYPERLINK l _Toc82255694 _2.1.4同步发电机模型_ PAGEREF _Toc82255694 h _18_ HYPERLINK l _Toc82255695 _2.1.5包括水轮机组段-发电机-电力网络的整体系统模型_ PAGEREF _Toc82255695 h _19_ HYPERLINK l _Toc82255696 _第三章水轮机调节系统的静态和动态特性_ PAGEREF _Toc82255696 h _20_ _ HYPERLINK l _Toc82255698 _3.1 水轮机调速系统国家标准. _ PAGEREF _Toc82255698 h _2_0_ HYPERLINK l _Toc82255698 _3.2 水轮机调速系统静态特性. _ PAGEREF _Toc82255698 h _2_0_ HYPERLINK l _Toc82255698 _3.3 水轮机调速系统动态特性. _ PAGEREF _Toc82255698 h _2_2_ HYPERLINK l _Toc82255697 _第四章微机水轮机调速器电气调节装置_ PAGEREF _Toc82255697 h _34_ HYPERLINK l _Toc82255698 _4.132位微机水轮机调速器简介_ PAGEREF _Toc82255698 h _34_ HYPERLINK l _Toc82255699 _4.232位微控制器MC68332特性介绍_ PAGEREF _Toc82255699 h _36_ HYPERLINK l _Toc82255700 _4.2.1概述_ PAGEREF _Toc82255700 h _36_ HYPERLINK l _Toc82255701 _4.2.2内部结构_ PAGEREF _Toc82255701 h _37_ HYPERLINK l _Toc82255702 _4.3SAFR2000微机调速器硬件系统_ PAGEREF _Toc82255702 h _44_ HYPERLINK l _Toc82255703 _4.3.1系统控制插箱简介_ PAGEREF _Toc82255703 h _44_ HYPERLINK l _Toc82255704 _4.3.2继电器层简介_ PAGEREF _Toc82255704 h _46_ HYPERLINK l _Toc82255705 _4.4装置硬件基本工作原理_ PAGEREF _Toc82255705 h _46_ HYPERLINK l _Toc82255706 _4.5SAFR2000微机调速器软件系统_ PAGEREF _Toc82255706 h _56_ HYPERLINK l _Toc82255707 _4.5.1概述_ PAGEREF _Toc82255707 h _56_ HYPERLINK l _Toc82255708 _4.5.2上位机运行监视软件_ PAGEREF _Toc82255708 h _56_ HYPERLINK l _Toc82255709 _4.5.3上位机智能化调试维护软件_ PAGEREF _Toc82255709 h _60_ HYPERLINK l _Toc82255710 _4.5.4下位机软件基本构成及框图_ PAGEREF _Toc82255710 h _83_ HYPERLINK l _Toc82255711 _4.5.5调节控制原理_ PAGEREF _Toc82255711 h _87_ HYPERLINK l _Toc82255712 _4.6微机测速装置_ PAGEREF _Toc82255712 h _93_ HYPERLINK l _Toc82255713 _4.6.1概述_ PAGEREF _Toc82255713 h _93_ HYPERLINK l _Toc82255714 _4.6.2主要技术参数_ PAGEREF _Toc82255714 h _93_ HYPERLINK l _Toc82255715 _4.6.3装置的操作说明_ PAGEREF _Toc82255715 h _94_ HYPERLINK l _Toc82255716 _4.6.4装置工作模式说明_ PAGEREF _Toc82255716 h _97_ HYPERLINK l _Toc82255717 _第五章调速器机械液压控制装置_ PAGEREF _Toc82255717 h _99_ HYPERLINK l _Toc82255718 _5.1南瑞ZFL型液压控制装置概述_ PAGEREF _Toc82255718 h _99_ HYPERLINK l _Toc82255719 _5.2液压控制装置系统组成_ PAGEREF _Toc82255719 h _100_ HYPERLINK l _Toc82255720 _5.2.1系统原理概述_ PAGEREF _Toc82255720 h _100_ HYPERLINK l _Toc82255721 _5.3主要技术参数、性能指标及工艺特点_ PAGEREF _Toc82255721 h _103_ HYPERLINK l _Toc82255722 _5.3.1主要技术参数_ PAGEREF _Toc82255722 h _103_ HYPERLINK l _Toc82255723 _5.3.2主要性能指标_ PAGEREF _Toc82255723 h _103_ HYPERLINK l _Toc82255724 _5.3.3主要工艺特点_ PAGEREF _Toc82255724 h _104_ HYPERLINK l _Toc82255725 _5.4主要液压元件原理介绍_ PAGEREF _Toc82255725 h _104_ HYPERLINK l _Toc82255726 _5.4.1伺服比例阀_ PAGEREF _Toc82255726 h _104_ HYPERLINK l _Toc82255727 _5.4.2双联可切换滤油器_ PAGEREF _Toc82255727 h _105_ HYPERLINK l _Toc82255728 _5.4.3主配压阀_ PAGEREF _Toc82255728 h _105_ HYPERLINK l _Toc82255729 _5.5液控柜操作说明_ PAGEREF _Toc82255729 h _108_ HYPERLINK l _Toc82255730 _5.5.1导、轮叶控制部分的操作_ PAGEREF _Toc82255730 h _108_ HYPERLINK l _Toc82255731 _5.6安装与调整_ PAGEREF _Toc82255731 h _109_ HYPERLINK l _Toc82255732 _5.7插装阀式液压控制装置_ PAGEREF _Toc82255732 h _111_ HYPERLINK l _Toc82255733 _5.7.1插装阀概述_ PAGEREF _Toc82255733 h _111_ HYPERLINK l _Toc82255734 _5.7.2插装阀式调速器原理介绍_ PAGEREF _Toc82255734 h _111_ HYPERLINK l _Toc82255735 _5.8机械过速保护及事故关机装置_ PAGEREF _Toc82255735 h _115_ HYPERLINK l _Toc82255736 _5.8.1系统组成_ PAGEREF _Toc82255736 h _115_ HYPERLINK l _Toc82255737 _5.8.2工作原理_ PAGEREF _Toc82255737 h _115_ HYPERLINK l _Toc82255738 _5.8.3系统特点_ PAGEREF _Toc82255738 h _116_ HYPERLINK l _Toc82255739 _5.8.4机械过速保护装置与液压系统接口_ PAGEREF _Toc82255739 h _116_ HYPERLINK l _Toc82255740 _5.9分段关闭装置_ PAGEREF _Toc82255740 h _119_ HYPERLINK l _Toc82255741 _第六章油压装置_ PAGEREF _Toc82255741 h _121_ HYPERLINK l _Toc82255742 _6.1YZ-8.0-6.3油压装置工作原理_ PAGEREF _Toc82255742 h _121_ HYPERLINK l _Toc82255743 _6.2油压装置控制柜_ PAGEREF _Toc82255743 h _99_ HYPERLINK l _Toc82255744 _6.2.1概述_ PAGEREF _Toc82255744 h _125_ HYPERLINK l _Toc82255745 _6.2.2主要功能_ PAGEREF _Toc82255745 h _125_ HYPERLINK l _Toc82255746 _6.2.3供电方式_ PAGEREF _Toc82255746 h _127_ HYPERLINK l _Toc82255747 _6.2.4油源控制柜状态_ PAGEREF _Toc82255747 h _128_ HYPERLINK l _Toc82255748 _6.2.5油源控制柜控制方式及功能描述_ PAGEREF _Toc82255748 h _129_ HYPERLINK l _Toc82255749 _第七章SAFR2000微机调速器现场试验_ PAGEREF _Toc82255749 h _134_ HYPERLINK l _Toc82255750 _7.1电站及机组概况_ PAGEREF _Toc82255750 h _134_ HYPERLINK l _Toc82255751 _7.2试验项目_ PAGEREF _Toc82255751 h _135_ HYPERLINK l _Toc82255752 _7.3现场试验录波_ PAGEREF _Toc82255752 h _144_ HYPERLINK l _Toc82255753 _第八章微机调速器的非线性鲁棒控制_ PAGEREF _Toc82255753 h _153_ HYPERLINK l _Toc82255754 _8.1概述_ PAGEREF _Toc82255754 h _153_ HYPERLINK l _Toc82255755 _8.2工程上实用化的非线性鲁棒控制规律_ PAGEREF _Toc82255755 h _154_ HYPERLINK l _Toc82255756 _8.2.1控制模型的线性化_ PAGEREF _Toc82255756 h _154_ HYPERLINK l _Toc82255757 _8.2.2鲁棒控制规律_ PAGEREF _Toc82255757 h _157_ HYPERLINK l _Toc82255758 _8.3非线性鲁棒控制调速器的实验验证_ PAGEREF _Toc82255758 h _159_ HYPERLINK l _Toc82255759 _参考文献_ PAGEREF _Toc82255759 h _164_- _ PAGE _I_ -_ STYLEREF 标题 1n * MERGEFORMAT _第四章 _ STYLEREF 标题 1 * MERGEFORMAT _微机水轮机调速器电气调节装置_第一章 水轮机调节概述水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。水轮发电机组把水能转变为电能供工业、农业、商业及人民生活等用户使用，用户除了要求供电安全可靠外，还要求电能的频率和电压保持在额定值附近的某一范围内，我国电力系统规定：频率应保持在50Hz，对于大容量系统不得超过额定值的0.2 Hz，这就对水轮机的控制设备（调速器）提出了较高的要求。水轮发电机组输电系统包括水轮机及其有压过水系统、发电机和电力网。可以分为水轮机组段子系统和发电机子系统两部分。水力系统在调控过程中由于水流惯性有“反调”作用，即当打开导水叶时，水流惯性使水头减小，从而导致机组出力在开始时反而减小，随后再增加。其结果从控制理论上看是使水轮机组段成为一个非最小相位系统。因此，水轮机的调节还具有一定的特殊性，必须考虑水流惯性的影响。1.1 水轮机调节的任务电力系统任何时刻的总能量都是平衡的。当某系统内各发电厂发出的有功功率的总和大于系统的有功功率负荷（包括各种用电设备所需的有功功率和电网的有功功率损耗）时，电力系统中储存的动能就会增加，系统的频率亦会随之增加，反之频率降低。电力系统的负荷在不停地波动，由于电能不能大量储存，负荷功率的变化将引起频率的相应变化。电负荷和发电机电磁功率的变化可以是瞬时的，原动机输出功率由于调节系统的惯性和时延的存在，不可能实时跟踪发电机电磁功率的瞬时变化，因此在任何瞬间严格地维持电力系统频率不变是不可能的，调速系统的一个主要任务就是要把系统频率对于其额定值的偏移限制在一个相当小的范围内（如(2%）。即根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的功率输出，并维持机组转速在规定的范围内。这就是水轮机调节的基本任务。_ LISTNUM l 5 _ 水电厂示意图水电厂的生产过程如图所示。水轮发电机一般是三相交流同步电机，频率f与转速n之间的关系为_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _式中P为发电机磁极对数，n为转速，f为频率。水轮发电机组的转速由作用在机组转轴上的转矩决定，其运动方程式可写为：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _式中J为水轮机转动部分的转动惯量，为机组旋转角速度，Mt为水轮机转矩，Mg为发电机负荷阻力转矩。上式表明，只有在水轮机转矩与负荷阻转矩相等的时候，机组的转速才能稳定。否则，机组角速度将发生变化，由此引起频率波动。由水轮机原理，水轮机转矩的表达式为：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _式中为水的重度，单位是N/m3，Q为通过水轮机的流量，H为水轮机净水头，t为水轮机效率。可见，改变水轮机转矩的最有效方法是通过调速器改变水轮机的流量。如上所述，水轮机调节的基本任务是：当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应的改变流入水轮机流量，以使水轮机转矩与发电机负荷转矩达到新的平衡，以维持频率在规定的范围之内。水轮机调速器除了完成调节机组频率这一任务外，还负有多种控制功能，如机组启动、停机、工况转换、增减负荷等。随着现代电力系统规模不断扩大，单台发电机的容量在整个系统的总容量中所占的比重越来越小。当发电机与系统并网后，发电机的转速已经不能有较大变化，调速器这时所调节的实际上是水轮机的输出转矩，它正比于发电机的输出功率。当电力系统中发生大的扰动时，将引发电力系统的机电暂态过程，引起机组转子摇摆。如果干扰过大，发电机组又没有适当的控制，机组可能会失去同步。早期的水轮机水门调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节。随着控制理论的发展，调速器已经有所改进，以图改善水轮机的运行状态。1.2 水轮机调速器的控制策略和结构1.2.1 控制策略的发展水轮机控制策略从较早的20世纪70年代的研究，发展到21世纪初，经历了一个不断改进的过程。PI调节早期的调速器是机械液压型的。根据其反馈系统的结构，可以分为两种：一种是从主接力器引出反馈，称为辅助接力器型；另一种从中间接力器引出反馈，称为中间接力器型。_ REF _Ref511702524 r h _图1-2_所示为采用从主接力器引出反馈的调速器的传递函数结构图。图中输入量是速度偏差，输出量是导水机构行程。从理论上讲，辅助接力器型和中间接力器型的动态特性是相近的，但工程实践表明，中间接力器调节型的动态特性往往较易满足要求。其重要原因之一是在工程上主接力器处于水轮机井内，其反馈系统较长，杠杆较多，易产生死程，从而导致动态特性恶化。而中间接力器位于调速器柜内，易于保证反馈质量。_ LISTNUM l 5 _ 主接力器软反馈调节器系统结构图_ REF _Ref511702524 r h _图1-2_所示系统的传递函数为_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _其中，_ EMBED Equation.3 _为辅助接力器时间常数，_ EMBED Equation.3 _为主接力器时间常数，_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _为暂态转差系数，_ EMBED Equation.3 _为暂态反馈（软反馈）时间常数，_ EMBED Equation.3 _为永态转差系数。在_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _时，传递函数近似为_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _这种比例加积分的控制方式调节响应时间较长，不能很好满足对调节特性的需要。有关文献（孔昭年，水轮机调节系统极点分布域及调节器参数的整定，大电机技术，1985）、（沈祖诒，水轮机调速器最佳参数整定频率响应法，水轮机调速器最佳参数整定极点配置法，华东水利学院学报， 1984）讨论了_ REF _Ref512911003 r h _(1-4)_式中_ EMBED Equation.3 _和_ EMBED Equation.3 _两个参数整定问题，并给出了选择这两个参数的计算方法。PID调节为了改善调节性能，在比例-积分的基础上，增加了微分环节，这便是PID控制方式。其传递函数为：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _PID控制主要适用于低阶、不太复杂的线性系统，它物理概念清晰、易于实现，目前也是水轮机调速器中应用最广泛、技术最成熟的一种控制规律，由于微处理器在水轮机调速器上的大量使用，PID控制目前大多数由软件来实现，以下图4-3所示结构比较常用，称为经典PID控制。_ LISTNUM l 5 _ 经典PID结构图 上式中，输入的是转速偏差，输出的是与偏差成比例的控制量。永态转差率bp取自PID综合输出。经典PID控制传递函数为：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _对于微分环节的引入使水轮机调节系统稳定性和动态过程改善的研究，国内外学者很早就有论述。1981年7月，J.C.Howe应用简化的数学模型，比较了PI调节器和PID调节器的动态性能，得出的结论是采用PID调节器可以显著改善调节效果。但是，1983年1月，G.D.Ransford应用优化参数来比较PI与PID控制，认为PID调节器虽然改善了转速过渡过程，但是使水压变化巨大，并没有带来实际效益。以上两者在分析时都没有考虑接力器时间常数。实际上，在水轮机调速系统中，由于接力器平缓了微分环节的作用，因此微分环节的引入效果，正如1991年，沈祖诒在水轮机调节系统分析一书中指出，既没有文献（J.C.Howe, Predicting the stability of regulation, Water Power & Dam Construction, 1981,7）认为的那么大，其引起的水压变化也没有文献（G.D.Ransford, P.i.d. regulation revisited, Water Power & Dam Construction, 1983,1）认为的那么大。实现PID控制的具体结构很多，例如在原有的PI反馈调节环节上增加测量加速度的回路。到目前为止，大量的调速器还是采用PID控制规律。为了改善水轮机的动态性能，提高输电系统的稳定性，PID调节器的参数设定曾经成为一项重要的研究课题。文献水轮机调速器调节参数优化计算拟牛顿法提供了一种参数空间寻优法拟牛顿法求取PID调节器最佳参数整定。该方法把调节参数作为输入的一部分，_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _式中，_ EMBED Equation.3 _为状态向量，_ EMBED Equation.3 _为输入向量，_ EMBED Equation.3 _为调节参数向量，并设计一个目标函数来衡量调节系统的动态品质_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _将水轮机调节参数优化计算归结为在参数空间内寻找_ REF _Ref512911720 r h _(1-9)_式所示的泛函的极小值。该算法虽然提供了一种优化调节参数的方法，但是该方法对于参数初值的选取有依赖性，有可能得到只是目标函数的局部极小值；而且初值选取不当还可能导致计算不收敛。状态反馈设对于_ REF _Ref511718619 r h _图1-4_所示系统，控制对象的状态方程和输出方程为_ EMBED Equation.3 _是完全可控的。引入状态反馈_ EMBED Equation.3 _，其中K是状态反馈增益矩阵，则闭环系统状态方程可写成_ EMBED Equation.3 _根据现代控制理论，如果系统是完全可控的，对任意一种给定的闭环系统极点配置总可以找到一相应的秩为1的状态反馈矩阵K_ LISTNUM l 5 _ 状态反馈控制结构图即闭环极点可根据系统动态特性的要求来设置。例如，可以根据对调节时间的要求来确定，也可以设计二次目标函数来确定闭环系统最优极点配置。文献水轮机调节系统分析（沈祖诒）和通过长输电线与电网并列运行水轮机的控制（沈祖诒，黄宪培）给出了水轮机调速系统采用状态反馈的设计算例。必须指出，上述状态反馈控制设计方法也是工作于基于系统的近似线性化模型。变调节参数控制和自校正控制为了进一步改进调速系统性能，有些作者试图将变增益控制方法用于调速器。把运行工况分成若干子集，对每个子集确定一组最佳调节参数，并储存于控制机中。在运行时，实测运行工况，并相应改变增益。文献水轮机调节系统的适应式变参数调节（魏守平）和适应式变参数PID微型计算机调速器（叶鲁卿，魏守平）介绍了这种变增益调节的实用控制器。根据上述方法，对于水轮机调节系统的变参数控制是把水轮机按照工况分为几个集合，在线选择对应的增益。显然，采用这种控制技术的增益变化是不连续的。我们知道，自校正控制由K.J.STRM提出（K.J. STRM, U.BORISSON, etc., Theory and Applications of Self-Tuning Regulators, Automatica, 1977, 13），并被D.W.Clarke应用于非最小相位系统（D.W.Clarke, Self-tuning Control of Nonminumum-phase Systems, Automatica, 1984, 20）。自校正控制有最小方差控制、极点配置自校正控制、零极点配置自校正控制等几种形式。最小方差控制以最小二乘参数估计法估计对象参数。当被估计的参数值收敛于某一数值时，根据估计模型得到输出量偏差的方差最小控制。D.W.Clarke试图将自校正控制方法用于调速系统，但到目前为止，这种控制方式并没有在实际工程中得到应用。1.2.2 调速器装置的发展机械液压型我国曾广泛使用机械液压型的调速器。它使用离心摆作为测速元件，以离心摆的移动支持块的机械位移作为输出，输出信号送至综合放大元件之一的引导阀，经比较、放大后去调节水轮机导叶的开度。到20世纪50年代，机械液压型调速器发展得比较完善。随着生产的发展，用户对系统频率的要求更为严格；大机组大电网的出现，对电站运行和自动化程度提出了新的要求。这就要求人们对调速器装置的性能和结构进行不断的改进。20世纪40年代，出现了电气液压型调速器。电气液压型电气液压型调速器是在机械液压型调速的基础上发展起来的，它保留了液压放大部分，用“电-液转换器”代替了机械-液压转换器调速器，原来的离心摆测速器也为先进的输出电信号的转速传感器所取代。电气-液压型调速器比机械-液压调速器有以下明显的优点：具有较高的精确度和灵敏度。电液调速器的转速死区通常不大于0.05%，而机械液压型调速器则为0.15%，电液调速器接力器的不动时间为0.2秒，而机械液压型调速器则为0.3秒。制造成本低。用电气回路代替了较难制造的离心摆、缓冲器等机械元件降低了成本。便于综合各种信号（水头、流量、出力等），便于实现成组调节，为电站的经济运行、自动化水平及调节品质的提高提供了很有利的条件。广泛使用的功率与频率双调节的功频电液调节器就属于这种形式。便于扩充新的控制模块。便于与数字计算机连接，实现计算机控制，达到改善机组控制的目的。便于标准化、系列化，也便于实现单元组合化，以利于调速器生产质量的提高。安装、检修和测试调整都比较方便。微机型调速器近年来，将微机用于电气-液压型调速器，使调速器的功能有了更进一步的提高。近十多年来，国内外不少学者和研究单位都在研究和开发水轮机发电机组的微机液压型调速器（简称微机调速器）。微机调速器自80年代中期在国内研制出来以后，经历了8位机，16位机时代，现在已进入了百花齐放的局面，有单片机型，PLC型(可编程控制器)，工控机型等等。对于32位微机水轮机调速器，目前已有电力自动化研究院选用32位微控制器MC68332研制成功，也有部分厂家采用高性能PLC来实现32位机控制，但由于硬软件均依赖于PLC生产厂家，因此不易实现复杂的控制算法，也不易实现双机冗余结构。在国外32位微机水轮机调器也处于研制阶段，目前已有美国WOODWARD公司推出723 PLUS型32位微机调速器。三峡水电站水轮机调速器招标中已明确提出要求32位机系统，目前该设备由法国阿尔斯通和美国伏依特公司提供，国内现在投产的最大的水轮发电机组二滩电站其调速器由瑞士HYDRO VEVEY(维维)公司提供，采用的是摩托罗拉68系列的16位微处理器，可见研制和推广国产的32位机调速器，可以使我国在这一行业的国际研究前列占据一席之地，有利于大型水轮发电机组控制设备的国产化。微机调速器与模拟试电液调速器相比，有许多明显的优点：调节规律用软件程序实现，不仅可以实现PI、PID调节规律，还可以实现其他更复杂的调节规律，如前馈控制、自适应调节等。调节参数的整定和修改方便，运行状态的查询和转换灵活。机组的开、停机规律可方便地用软件程序实现。即停机过程可根据调保计算要求，灵活地实现折线关闭规律；开机过程可根据机组增速及引水系统最大压力降的具体要求进行设定。简化了操作回路。各种运行操作相互间的逻辑关系均可以用软件程序完成，取消了相应的继电器，降低了成本，也提高了可靠性。便于与电厂中控室或区域电力系统中心调度所的上位机相连接，提高水电厂和电力系统的自动化水平。对于水轮机调节系统的控制规律的研究，国内外调速器的研制基本上经历了比例调节，PI调节，PID调节以及功频调节等过程，但水轮机调速系统是一个复杂的水、机、电的综合非线性系统，上述控制规律都是基于水轮发电机组的近似线性化模型设计的，没有考虑系统固有的非线性特性，从而难以适应电力系统在动态过程中（如系统短路）的最佳调节，因此研制基于非线性控制规律的水轮机调速器，可以最大程度的把握系统的非线性特性，代表着水电自动化控制发展的方向。1.2.3 控制策略的发展方向近年来，随着控制理论和计算机技术的发展，新的控制策略被应用到调速器的设计中。尽管这些设计还处于研制和数字仿真阶段，但离应用已经越来越近了。水轮机调节系统是一个非线性系统，对这样一个系统进行控制需要运用新理论于新技术。已有的控制都是建立在适用于微小工况变化下的近似线性化模型上，控制目标基本是跟踪转速给定。在对整个输电系统稳定性要求日益提高的情况下，例如三峡水电站这样的大系统，仅仅跟踪转速给定是远远不够的。只有综合考虑压力引水系统、水轮机、发电机和输配电系统，才能较好地达到上述目的。以往对水轮机调节系统的非线性研究，主要限于两各方面，一个是研究水轮机在不同工况下的非线性，而采用变参数控制。另一个是仅考虑接力器与反馈系统内部的间隙、测速、主配压阀等环节的死区和输出的限幅等环节的非线性特性。以上对于非线性的研究没有涉及到整个电力系统的非线性问题，对于电力系统的非线性控制问题的研究，我国的科技工作者已经取得了一些有价值的成果。如：电力系统非线性控制（卢强、孙元章著），电力系统鲁棒非线性控制的研究博士学位论文，（孙春晓，清华大学，1996）等。 从1989年，微分几何控制理论首次应用于汽轮发电机汽门控制以来，非线性控制理论、模糊控制理论、自适应控制理论被不断地应用于电力系统（孙元章，黎雄，卢强，发电机调速系统的模糊逻辑控制器，控制理论与应用, 1996）。1993年，非线性理论应用于水门控制，讨论了刚性水锤的调速系统的控制问题。文献水轮发电机水门非线性控制器研究（孙元章，卢强，李国杰，等，清华大学学报,1994，34(1)）给出了数字仿真和动模实验结果。同时，非线性控制理论、非线性鲁棒控制理论也应用于励磁控制领域，在水轮机的调速控制方面，既有对经典控制的改进，又有新理论的尝试。国电自动化研究院和清华大学于1999年就开始研究非线性鲁棒控制理论在大型水轮机调速系统的应用，当时由原国电公司立项，设立了重点攻关科研项目大型水轮发电机组调速系统的非线性鲁棒控制及工程实用化研究。本课题研究就是要把非线性控制理论实用化,然后应用到水轮机控制系统中去，开发出与常规调速器不同的全新概念的“非线性最优鲁棒控制水轮机调速系统”。与目前传统调速器相比，新型调速器将显著改善大型输电系统的传输能力和提高系统安全稳定性。特别是在特大严重故障下，电力系统失稳后的短时间内，使系统自动恢复再同步功能。该项目已经完成了实验室控制器样机、现场工业控制样机的研制；开发了水轮发电机组和电力系统的硬件仿真装置，完成了动模实验、常规性能试验、出厂仿真试验等，于2004年初通过专家组验收。专家组认为该项成果技术水平达到了国际领先，推广应用前景广阔。第二章 控制对象数学模型控制对象包括有压过水系统、水轮发电机组和电力网络，其中引水系统和水轮机合称水轮机组段。对于水轮机组段的研究，虽然原则上可以用各种数值方法（如三维有限元）求解分析水轮机内水的流动，或者用几何参数定性地表示水轮机的过流量和力矩等，但实际上仍然只能依靠模型实验的方法来求得水轮机特性的定量表示。目前还只能用水轮机稳态特性来分析调节系统的动态过程。实践证明，在工况变化速度不太高，如_ EMBED Equation.3 _时，使用水轮机稳态特性得出的理论结果与实测结果是比较接近的。对于发电机和电力网络则可以用一组微分-代数方程来描述。另外对于设计控制器而言，应避免在模型中使用复杂的电力网络参数，否则不容易求解控制规律。2.1 水轮机组段模型2.1.1 有压引水系统模型_水电厂压力引水系统是由不同截面的过水段组成，包括压力进水管道、水轮机过水管道、排水管道等。在水轮机调节过程中，由于水流惯性的影响会发生水击造成“反调”现象，从而恶化了系统的动态调节过程。下图为单管单机压力引水系统。_ _ LISTNUM l 5 _ 有压管道示意图 _ LISTNUM l 5 _ 有压引水系统及示意图从文献水轮机调节和水轮机调节系统分析（沈祖诒）我们知道，图2-1所示有压管道内非恒定流可用下述偏微分方程来描述（前一个为动量方程，后一个为连续方程）： _ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _式中 Q为流量；H为压力；A为截面；x为上游端开始计算的长度；a为波速；D为管路直径；f为摩擦损失系数。经推导可得：1，2断面流量和压力之间的关系式如下： _ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _和 _ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _上式中_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _不考虑水头损失时，_ EMBED Equation.3 _，则：_ EMBED Equation.3 _，式中_ EMBED Equation.3 _为水管特征系数。图2-2所示有压系统，根据式_ REF _Ref5674634 r h _(2-2)_，对于A、B断面可得：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _根据_ EMBED Equation.3 _=0（上游水位不变），_ EMBED Equation.3 _，得： _ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _不计水头损失，将_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _代入_ REF _Ref5674695 r h _(2-6)_式得A点的水击传递函数：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _上式中：_ EMBED Equation.3 _，为相长，由于_ REF _Ref5674731 r h _(2-7)_式含双曲正切函数，使用不方便，利用级数展开，可得下述两种实用计算公式：_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _上式中，_ EMBED Equation.3 _，为水流惯性时间常数。式_ REF _Ref5674731 r h _(2-7)_ ，式_ REF _Ref5674854 r h _(2-8)_称为弹性水击模型， 式_ REF _Ref5674866 r h _(2-9)_则称为刚性水击模型。三式中都没有考虑沿程水头损失。上述说明过程中，都认为管道是等截面的。若管道截面不等，则需将管道分成若干段，分别计算：_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _，_ EMBED Equation.3 _。Tw的物理意义是：压力引水系统中的水流在不变的水头H作用下，如不考虑管道内的水力损失，流量（流速）从零增大到Qr（或Vr）所需要的时间。因此，Tw也称为水流加速时间，表征引水系统中水流惯性的重要参数。在其他条件相同时，Tw越大，水击压力值也越大，对调节过程的影响也越大。对于大型水力发电厂（单机200MW以上），大都属于单机单管引水的混流式机组，引水管道也不是太长，所以上面式_ REF _Ref5674731 r h _ * MERGEFORMAT _(2-7)_ ，式_ REF _Ref5674854 r h _ * MERGEFORMAT _(2-8)_，式（2-9）基本上是适用的，对于含有分叉管、有调压井、有长尾水管等复杂管路的水轮机进口流量-压力传递函数表达式，读者可以参考水轮机调节系统分析。2.1.2 水轮机模型水轮机具有复杂的非线性时变特性，对其动态特性的研究至今尚不完善。原则上，应使用水轮机的动态特性来分析调节系统，但后者至今也无法用模型试验来求得。所以目前只能用水轮机的稳态特性来分析其动态特性，在工况变化不剧烈的情况下，这种分析得出的理论结果和实测结果的误差是允许的。对于混流式水轮机，可用水力矩Mt、流量Q、水头H、转速n和导叶开度a等表示其动态特性:_ EMBED Equation.3 _ LISTNUM l 7 _由于导叶开度a与接力器行程Y有着对应关系，上式中a也可用Y代替。考虑小波动情况下，水轮机动态特性可在工作点用台劳级