水轮机调节的基本概念ppt课件

1 水轮机调节的基本概念 华中科技大学魏守平 2 水轮机调节的基本概念 1 水轮机调节系统2 水轮机调节的任务3 水轮机调节系统的特点4 水轮机调速器 水轮机控制系统 5 水轮机微机调速器的原理图6 水轮机微机调速器机械液压系统图7 静态特性8 动态特性 3 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 水轮机调节系统的结构如图所示 其工作过程为 测量元件把机组转速n 频率f 功率Pg 水头H 流量Q等参量测量出来 与给定信号和反馈信号综合后 经放大校正元件控制执行机构 执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构 同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点 基本概念 4 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 水轮机控制系统hydraulicturbinecontrolsystems 用来检测被控参量 转速 功率 水位 流量等 与给定参量的偏差 并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统 被控制系统controlledsystem 由水轮机控制系统控制的系统 它包括水轮机 引水和泄水系统 装有电压调节器的发电机及其所并入的电网 水轮机调节系统hydraulicturbineregulatingsystem 由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统 随动系统servo system 自动跟踪控制装置输出 并转换 放大的位置反馈控制系统 基本概念 5 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 水轮发电机组转动部分的运动方程为 式中 J 机组转动部分的惯性矩 kg m2 机组转动角速度 rad s n 机组转动速度r min Mt 水轮机转矩 N m Mg 发电机负荷阻力矩 负载转矩 N m 上式清楚地表明 水轮发电机组是转速对力矩的积分环节 机组转速 频率 保持恒值的条件是 即要求 否则就会导致机组转速 频率 相对于额定值持续升高或降低 从而出现转速 频率 偏差 在以后的分析中可以看到 由于水轮发电机组具有水轮机转矩对转速的传递系数 和发电机负载转矩对转速的传递系数的特性 使得水轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性环节 基本概念 6 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 水轮机转矩式中 Q 通过水轮机的流量 m3 s H 水轮机净水头 m 水轮机效率 水的密度g m3 所以 在一定的机组工况下 只有调节流量Q和效率 才能调节水轮机转矩 达到的目的 从最终效果来看 水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速 频率 在额定值附近的允许范围内 然而 从实质上讲 只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度 从而调节水轮机流量Q 和水轮机轮叶的角度 从而调节水轮机效率 使 才能使机组在一个允许的稳定转速 频率 下运行 从这个意义上讲 水轮机调节的实质就是 根据偏离额定值的转速 频率 差信号 调节水轮机的导水机构和轮叶机构 维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡 基本概念 7 水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统开环系统 众所周知 如果系统的输出量对系统的输入 控制 作用没有影响 则这个系统是开环系统 Openloopsystem 因此 对应于一个输入 控制 量 便有一个相应固定的输出量与之对应 系统的控制精度取决于系统参数的校准 但是 当系统出现扰动或参数变化时 原来相应固定的输出量就会变化了 所以 采用开环控制系统是不可能构成精确的控制系统的 闭环系统 从图可以看出 水轮机调节系统的输出 机组 电网 频率 机组功率等 对系统的控制作用 转速 频率 给定 机组功率给定 接力器开度给定等 有着直接的影响 一般称其为反馈作用 Feedbackeffect 所以 水轮机调节系统是一个闭环系统 水轮机控制系统 调速器 自身也是一个闭环系统 输入信号与反馈信号之差称之为误差 误差信号施加在控制器的输入可以减少系统的误差 并使系统的输出量趋于给定值 所以 闭环系统就是利用反馈来减小系统的误差 当然 对于一个闭环控制 调节 系统来说 系统的稳定性 Stability 始终是一个重要问题 除去稳定问题之外 闭环控制 调节 系统的动态过程及动态品质 性能 也是比开环系统复杂的多 因为 闭环控制 调节 系统动态稳定时 还可能出现动态过程中超调或衰减振荡 Damplyoscillation 现象 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 基本概念 8 水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中 有两种工作状态 静态 稳定状态 和动态 瞬变状态 调节系统的静态又称为稳定状态 稳定状态 steadystate 是指机组在恒定的负荷 给定信号和水头下运行 水轮机控制系统和水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态 调节系统的动态又称为瞬态 当系统受到负荷 水头等扰动作用 或给定信号变化时 系统将出现相应的运动 经过一段时间后 在新的条件下进入了新的稳定状态 从原稳定状态到新稳定状态的运动过程 就称为水轮机调节系统和水轮机控制系统的动态 系统动态不稳定时 则出现等幅振荡或发散振荡 系统不能正常工作 没有稳定状态 所以 一个动态系统是稳定的 是对闭环动态系统的最基本要求 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 基本概念 9 水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统闭环系统的稳定性在扰动作用下会偏离原来的平衡状态 静态 而产生偏差 进入动态 所谓动态系统的稳定性 就是指当上述扰动消失后或者扰动保持为常量时 动态系统由动态恢复到新的平衡状态 静态 的性能 如果系统能够恢复到平衡状态 则系统是稳定的 若系统偏差不能消除且愈来愈大 不能恢复到到平衡状态 则称系统是不稳定的 显然 稳定性是一个闭环动态系统能够正常工作的最基本要求 水轮机调节的基本概念1 水轮机调节系统 基本概念 水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统 由水轮机控制系统和被控制系统组成 它除了具有一般闭环控制系统的共性外 还有一些值得注意的特点 10 水轮机调节的基本概念2 水轮机调节的任务 在水轮机数字式 微机 电液调速器出现以前 水轮机调速器的主要作用是根据偏离机组频率 转速 额定值的偏差 调节水轮机导叶和轮叶机构 维持机组水力功率与电力功率平衡 使机组频率 转速 保持在额定频率 转速 附近的允许范围之内 这时的水轮机调速器主要是一个机组频率 转速 调节器 现代水电厂和电力系统 对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求 基本概念 11 水轮机调节的基本概念2 水轮机调节的任务 在数字式微机电液调速器发展 完善和广泛应用的同时 水电厂自动发电控制 AGC 系统 电网能量管理系统 EMS 也日趋成熟并进入实用化的阶段 现代电力系统中 区域电网容量迅速加大 区域电网间联网并要求进行交换功率控制 大中型和多数小型水轮发电机组均并入大的区域电网运行 在这种运行方式下 电网的负荷频率控制 LFC 是通过电网AGC系统和电厂AGC系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系统实现的 当机组并入大电网运行时 水轮机调速器主要作为电网一次调频 负荷控制器 电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用 基本概念 12 水轮机调节的基本概念2 水轮机调节的任务 因而 现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用 水轮机调节 来描述了 它除了具有调节水轮发电机组频率 转速 的功能之外 还可以具有功率控制 水位控制 流量控制 电网一次调频 二次调频和区域电网间交换功率控制 TBC 等附加的控制功能 IEC关于水轮机调速器的技术规范导则 IEC61362 1998 和试验 IEC60308 2005 中对水轮机调速器都是用 水轮机控制系统 来命名的 我国的水轮机调速器与油压装置的国家标准 技术条件和试验 已经修订 也将主题词 水轮机调速器与油压装置 改为 水轮机控制系统 基本概念 13 水轮机调节的基本概念2 水轮机调节的任务 1 水轮机调速器作为被控制的水轮发电机组或其并入电网的频率调节器 1 在被控制的水轮发电机组空载工作状态时作为机组频率调节器在被控制的水轮发电机组空载工作状态时 水轮机调速器起作机组的频率调节器的作用 调节并维持机组频率在额定频率附近 跟踪电网频率 使被控机组能尽快同期 并入电网运行 2 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时 作为电网的频率调节器 被控制的水轮发电机组并入大电网运行 水轮机调速器根据电网规定完成电网一次调频的任务 被控制的水轮发电机组单机带负荷或在小电网中运行 水轮机调速器的任务是调节被控机组或小电网的频率在额定频率附近 尽量减小负荷突变时的动态频率升高或降低 并加快不正常频率向额定频率恢复的速度 被控制的水轮发电机组甩负荷时 水轮机调速器调节被控制机组到空载状态运行 基本概念 14 水轮机调节的基本概念2 水轮机调节的任务 2 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时 水轮机调速器作为被控机组的功率调节器 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时 水轮机调速器接收并完成完成电网调度下达的机组给定功率的指令 调节水轮机组有功功率 满足电网二次调频的要求 3 水轮机调速器作为被控制机组的工况控制器在水电站计算机监控系统等的统一控制下 协调完成被控制机组的开机 停机 增加或减小负荷 甩负荷 调相和紧急停机等工作状态及过程的控制任务 基本概念 15 1 水流惯性 水轮机过水管道存在着水流惯性 通常用水流惯性时间常数Tw来表述 水流惯性时间常数 Waterinertiatimeconstant 是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间 1 水流惯性时间常数Tw的物理概念是 在额定水头Hr作用下 过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间 2 从自动控制理论的观点来看 过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统 3 在动态过程中 当水轮机导叶关闭时 调节目标是减小水轮机力矩 但是由于引水系统水流减速 水流动能转变为势能 水轮机工作压力短时上升 而导致水轮机力矩有短时段的增大 反之 当水轮机导叶开启时 调节目标是增大水轮机力矩 但是由于引水系统水流加速而导致水轮机压力有短时段的降低 导致水轮机力矩有短时段的减小 所以 当水轮机导叶开启或关闭时 都会产生与控制目标相反的逆向调节 随着水轮机导叶开启或关闭速度的增大 动态过程中的逆向调节增强 对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不的影响 通常所说的水锤效应 或水击效应 就是对这种水流惯性的一种形象的表述 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 基本概念 16 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 水流惯性时间常数Tw表达式为 式中 A 每段过水管道的截面积 m2 L 相应每段过水管道的长度 m v 相应每段过水管道内的流速 m s g 重力加速度 m s2 Tw 水流惯性时间常数 s 从自动控制理论的观点来看 过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统 对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不利的影响 通常所说的水锤效应 或水击效应 就是对这种水流惯性的一种形象的表述 水流惯性时间常数Tw的物理概念是 在额定水头Hr作用下 过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间 基本概念 17 2 机械惯性 机组惯性时间常数 Unitinertiatimeconstant unitaccelerationconstant 是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比 式中 额定转速时机组的惯性矩 kg m2 Mr 机组额定转矩 N m GD2 机组飞轮力矩 kN m2 nr 机组额定转速 r min Pr 机组额定功率 kW Ta 机组惯性时间常数 s 1 机组惯性时间常数Ta的物理概念是 在额定力矩Mr作用下 机组转速n由0上升额定转速nr所需要的时间 这使得对于一个阶跃输入信号 机组转速的动态过程有明显的惯性特性 其转速呈指数曲线规律变化 从手动快速开启或关闭水轮机导水机构一个开度开始 至机组转速到达变化差值95 的时间为3Ta 至机组转速到达变化差值98 的时间为4Ta 例如 Ta 10s 则转速到达变化差值95 的时间t0 95 30s 到达变化差值98 的时间t0 98 40s 2 水轮发电机组的这种惯性特性 一方面使得动态过程缓慢 另一方面又使得水轮机调节系统系统容易产生振荡和超调 3 机组惯性时间常数Ta也可以用下式表示 式中 GD2 机组飞轮力矩T m2 其余参数单位同上 4 机组并入电网运行 发电机负载也有惯性特性 负载惯性时间常数 Loadinertiatimeconstant 由电网引起的动量矩与额定转矩之比 Tb s 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 基本概念 18 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 机组惯性时间常数Ta表达式为 式中 额定转速时机组的惯性矩 kg m2 Mr 机组额定转矩 N m GD2 机组飞轮力矩kN m2 nr 机组额定转速 r min Pr 机组额定功率 kW Ta 机组惯性时间常数 s 机组惯性时间常数Ta的物理概念是 在额定力矩Mr作用下 机组转速n由0上升至额定转速nr所需要的时间 也可以用下式表示 式中 GD2 机组飞轮力矩T m2 其余参数单位同上 基本概念 19 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 3 系统具有复杂的 非线性特性 水轮机调节系统是一个复杂的 非线性控制系统 1 水轮机型式多种多样 混流式 轴流定桨式 轴流转桨式 贯流式 冲击式 水泵 水轮机式等 因而不同被控制系统之间的特性和控制功能要求是有很大差异的 2 对于同一个水轮发电机组来说 在不同运行水头和不同的水轮机导叶开度时的静态及动态特性也是不同的 体现出水轮机特性具有非线性的特征 3 水轮发电机组有多种工作状态 机组开机 机组停机 同期并网前和从电网解列后的空载 孤立电网运行 以转速控制和功率控制并列于大电网运行 水位和 或流量控制等 在不同的工况下 对水轮机调速器的要求也是相差很大的 20 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 4 要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力 为了水轮发电机组和电网的安全运行 要求水轮机调速器具有高可靠性 因此水轮机调速器必需在其工作电源消失 仍然能靠储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构 以保证机组安全 此外 水轮机控制设备是通过接力器来操作水轮机导水机构和轮叶机构的 这种调节需要很大的动力 因此 绝大多数水轮机调速器必需采用机械液压执行机构 并且采用能储存能源的压力罐提供工作油源 21 手动水轮机调节在水轮机调节的初期 水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制完成的 经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结 随着机械技术 液压技术 电气技术 计算机技术 自动控制技术等的出现及应用 才逐步使水轮机调节系统成为当今的水轮机闭环自动调节系统 即使在现在 手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式 所以了解水电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法 有利于形象地了解水轮机调节系统的基本工作原理的 也有利于形象地了解比例 积分 微分 PID 调节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用 手动控制的基本原则是 进行手动水轮机调节时 最基本的参数是水轮发电机组的频率 或转速 运行人员必须监视被控制的水轮发电机组的频率或电网的频率 当频率大于或小于50Hz时 则相应地关闭或开启水轮机导水机构 使频率回复到50Hz左右的一个允许的范围内 由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯性 因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 基本概念 22 手动水轮机调节比例操作 输出与输入成比例 及时反映偏差 与时间无关 操作导水机构的幅度和速度应近似比例于机组转速 频率 对额定转速 50Hz 的偏差 例如 机组频率若为51Hz和54Hz 虽然它们均大于50Hz 但针对前者 关闭导水机构的幅度可小一点 速度可慢一点 而对后者 则幅度要大一点 速度要快一点 超前操作 输出与输入的变化速度成比例 反映偏差的变化率 与时间有关 操作中不仅要密切观察机组转速 频率 偏离额定值的情况 而且要注意机组转速 频率 向额定值回复的速度 例如 当机组频率由54Hz以较快的速度下降到51Hz时 虽然它仍然大于50Hz 但此时不应继续关闭导水机构 而应使导水机构稍开启一点 只有这样才有可能使机组转速 频率 较快地回复到额定值附近 这种针对水流惯性和机组惯性而采取的超前操作原则被形象地称之为 提前刹车 积分操作 输出等于输入的累加 与时间有关 只有输入为零 输出才保持常数 在手动操作中 当机组转速 频率 已接近额定值的情况时 操作者就应该密切观察机组转速 频率 与额定转速的偏差 缓慢地 微量地开启或关闭 直到机组转速 频率 到达额定转速时为止 这就是微量 精确调节 水轮机调节的基本概念3 水轮机调节系统的特点 基本概念 23 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器governor 由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称 机械液压调速器mechanicalhydraulicgovernor 测速 稳定及反馈信号用机械方法产生 经机械综合后通过液压放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器 电 气 液 压 调速器electric hydraulicgovernor 检测被控参量 稳定及反馈信号用电气方法产生 经电气综合 放大后通过电气转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器 微机调速器micro computerbasedgovernor 以工业级微机为核心进行测量 变换与处理的电液调速器 调速器 24 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 有差调节differenceregulation deviationregulation 水轮机控制系统处于自动调节状态下 永态差值系数bp 0的调节方式 无差调节no differenceregulation no deviationregulation 水轮机控制系统处于自动调节状态下 永态差值系数bp 0的调节方式 随动系统servo system 自动跟踪控制装置输出 并转换 放大的位置反馈控制系统 基本概念 25 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 双调整调速器doubleregulatinggovernor 实现转桨式 冲击式 水轮机导叶 喷针 及转轮叶片 折向器 偏流器 双重调整的调速器 通流式调速器governorwithoutpressuretank throughflowtypegovernor 由油泵直接向水轮机控制系统供油的调速器 压力罐式调速器governorwithpressuretank 由压力罐向水轮机控制系统供油的调速器 调速器 26 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 操作器positionoperator gateoperator 不对机组施加自动调节作用 仅能实现机组启动 停机 并网后能使机组带上预定负荷 以及接受事故信号后能使机组自动停机的装置 电子负荷调节器electronicloadcontroller 利用电子电路组成的能耗式调速器 电动机调速器governorwithmotordrivengateoperator 用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速器 油压装置oilpressuresupplyunit 能提供液压能的装置 调速器 27 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 大型单调整机械液压调速器结构图 28 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 大型单调整电气液压调速器结构图 29 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 机械液压 电气液压 数字式 微机 电液调速器缓冲式PID结构电气液压调速器 PID 结构图 调速器 30 PID结构 微机调速器结构图 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 31 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 步进电机 速度环 电液转换器 机械液压随动系统型步进电机电液转换器 机械液压随动系统型调速器框图 调速器 32 步进电机电液转换器 机械液压随动系统型调速器方块图 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 33 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型调速器框图 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 34 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型调速器方块图 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 调速器 35 水轮机调节的基本概念4 水轮机调速器 水轮机控制系统 微机调速器自动调节部分框图 调速器 36 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图双比例伺服阀系统原理框图 微机调速器的结构框图 37 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图交流伺服电机自复中系统原理框图 微机调速器的结构框图 38 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图步进电机伺服缸系统原理框图 微机调速器的结构框图 39 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图比例伺服阀 自复中系统原理框图 微机调速器的结构框图 40 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 双比例伺服阀 FC阀 机械手动 自复中系统原理框图 41 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 双比例伺服阀 机械手动 自复中系统原理框图 42 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调节器电 机转换装置机械液压系统水轮机微机调速器的总体框图 微机调速器的结构框图 43 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 44 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 步进电机 速度环 电液转换器 机械液压随动系统型步进电机电液转换器 机械液压随动系统型调速器框图 微机调速器的结构框图 45 步进电机电液转换器 机械液压随动系统型调速器方块图 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 46 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型调速器框图 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 47 交流伺服电机电液转换器 电液执行机构型调速器方块图 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的结构框图 微机调速器的结构框图 48 水轮机调节的基本概念5 水轮机微机调速器的原理图 水轮机单调整大型数字式电液调速器机械液压系统典型框图 结构框图 49 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图 水轮机中 小型数字式电液调速器机械液压系统典型框图 结构框图 50 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图 交流伺服电机自复中机械液压系统图 51 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图比例阀式机械液压系统图 结构框图 52 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图双比例阀式机械液压系统图 53 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统框图 54 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图 55 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图 系统构成1 切换阀选择比例伺服阀A和B其中之一的控制油经手开机阀 紧急 事故停机液动阀 受手动或 和电动紧急停机阀的输出油路控制 接入FC阀的控制油腔 大面积腔 2 机械过速保护装置控制机械过速液控阀 其输出控制油经过手动或 和电动紧急停机阀 手动关机及断电自复中阀控制复中机构 复中油缸 手动或 和电动紧急停机阀的输出控制油还同时控制紧急 事故停机液动阀 3 在FC阀右端外部装设的复中机构 复中油缸 其作用是使FC阀活塞向开机方向运动 但是 向开机方向运动的极端位置是使FC阀活塞位于其中间平衡位置 可以微调 复中机构 复中油缸 由手动关机及断电自复中阀控制 4 机械液压系统图中表示的是调速器自动正常运行工况 56 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图 自动正常运行工况1 调速器在自动正常运行工况运行 1 机械过速保护装置未动作 机械过速液控阀控制油接通排油 机械过速液控阀输出控制油为压力油 2 手动或 和电动紧急停机阀在正常工作位置 其输出控制油为压力油 3 手动关机及断电自复中阀在带电状态 复中机构 复中油缸 接通排油 复中油缸在图中最右端位置 不影响自动正常调节 4 手动开机阀在自动工作状态 紧急 事故停机液动阀控制油为压力油 手动开机阀和紧急 事故停机液动阀仅提供了比例伺服阀A或B至控制油腔 大面积腔 的一条通路 5 FC阀由比例伺服阀A或B控制 2 调速器在自动正常运行工况 机械过速保护装置或手动或 和电动紧急停机阀动作 均使手动或 和电动紧急停机阀输出控制油 即紧急 事故停机液动阀控制油 接通排油 FC阀不由比例伺服阀A或B控制 紧急 事故停机液动阀使FC阀控制油腔 大面积腔 接通排油 FC阀向关闭方向运动 接力器紧急关闭 57 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图 调速器在自动工况正常运行 工作比例伺服阀A或B断电 复中和机械液压手动运行 1 复中工况 比例伺服阀A或B处于中间位置 无输出控制油 FC阀不由比例伺服阀A或B控制 手动关机及断电自复中阀在失电状态 复中机构 复中油缸 接通压力油 FC阀活塞在复中油缸作用下复中到中间平衡位置 接力器保持原有位置不动 调速器位于复中和机械液压手动工作状态 2 机械液压手动操作工况 1 接力器开启 操作手动开机阀 其输出控制油为压力油 使FC阀控制油腔 大面积腔 也为压力油 FC阀活塞向开启方向 接力器开启 2 接力器关闭 操作手动关机及断电自复中阀 其输出控制油为排油 复中机构 复中油缸 接通排油 FC阀活塞向关闭方向运动 接力器关闭 3 机械液压手动操作工况时 机械过速保护装置或手动或 和电动紧急停机阀动作 均使手动或 和电动紧急停机阀输出控制油 即紧急 事故停机液动阀控制油 接通排油 复中机构 复中油缸 接通排油 复中功能退出 紧急 事故停机液动阀使FC阀控制油腔 大面积腔 接通排油 FC阀向关闭方向运动 接力器紧急关闭 58 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图 交流伺服电机自复中机械液压系统图 双调节 结构框图 59 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图 冲击式机组调速器机械液压系统单元图 结构框图 60 水轮机调节的基本概念6 水轮机微机调速器机械液压系统图 中小型数字阀调速器机械液压系统单元图 结构框图 61 永态差值环节和人工死区 二种调节模式 人工开度 功率死区环节特性调节模式间的转换关系 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 62 水轮机微机调速器的基本调节模式 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 63 水轮机调节的基本概念7 静态特性 水轮机微机调速器的基本调节模式频率调节模式 机组空载或在孤立电网中运行 功率调节摸式 机组并入大电网运行 开度调节模式 机组并入大电网运行 功率传感器故障或未装功率传感器 机组空载 频率调节模式 机组并入大电网 功率调节摸式或开度调节模式 机组在小电网 带孤立负荷 频率调节模式 静态特性 64 水轮机调节的基本概念7 静态特性 技术标准GB T9652 12007GB T9652 22007静态特性静态特性 水轮机调节系统静态特性水轮机调节系统静态特性 静态特性 65 永态差值系数 永态转差系数bP应能在自零至最大值范围内整定 最大值不小于8 对小型机械液压调速器 零刻度实测值不应为负值 其值不大于0 1 静速死区 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 66 随动系统不准确度 随动系统不准确度ia 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 67 水轮机调节的基本概念7 静态特性 调速器进入稳态状态的充分与必要条件是积分的输入为零 积分输入表达式为 稳态状态的充分与必要条件 68 水轮机调节的基本概念7 静态特性频率给定 电网频率 机组频率 开度给定 稳态状态 积分输入为零 其表达式为 接力器开度 微机调节器的静态特性 静态特性 69 水轮机调节的基本概念7 静态特性 永态差值系数bp epbp是指导叶接力器行程永态差值系数 用于 频率调节 和 开度调节 模式 ep是指机组功率的永态差值系数 部分调速器往往只引入bp的概念 即在 功率调节 模式下 也采用永态差值系数bp 静态特性 70 水轮机调节的基本概念7 静态特性 稳态状态 积分输入为零 其表达式为 机组功率 功率永态差值系数 机组功率给定 机组功率 静态特性 71 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性主要参数和变量频率给定fc功率给定Pc开度给定yc频率fg接力器开度y机组功率Pg永态差值系数bp功率差值系数ep 静态特性 72 水轮机调节的基本概念7 静态特性 接力器开度给定是机组频率等于频率给定时的接力器开度 当机组频率基本不变时 机组并入大电网 应该调节开度给定来调节机组负荷 频率给定是接力器开度等于接力器开度给定时的机组频率 当机组在孤立电网工况工作 bp应取为 0 5 1 0 机组功率由负荷决定 此时调节开度给定没有明显作用 静态特性 73 对静态特性的影响调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 74 水轮机调节的基本概念7 静态特性 静态特性 75 的关系 微机调节器的静态特性 bp 0 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工死区 失灵区 76 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工死区 失灵区 单元artificialdeadbandmodule在自动运行状态下 能人为地在规定的被控参量范围内使调速器不起调节作用的单元 人工死区 失灵区 77 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率死区环节的特性 其数学表达式为 人工死区 失灵区 78 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为0 0 5Hz在频率转换系数Kf 25000时所对应的范围 即Ef 0 250Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定 机组在 空载 工况运行时 设定Ef 0 机组在并入电网方式下运行 且调速器在 频率调节 模式下时 设定Ef 0 调速器在 开度调节 和 功率调节 模式下时 设定Ef 0 033Hz 人工死区 失灵区 79 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为0 0 5Hz在频率转换系数Kf 25000时所对应的范围 即Ef 0 250Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定 机组在 空载 工况运行时 设定Ef 0 机组在并入电网方式下运行 且调速器在 频率调节 模式下时 设定Ef 0 调速器在 开度调节 和 功率调节 模式下时 设定Ef 0 033Hz 人工死区 失灵区 80 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率失灵区环节的特性 其数学表达式为 人工开度 功率 失灵区环节的特性 人工死区 失灵区 81 人工频率失灵区 和人工开度 功率失灵区 a fg Ef以赫兹表示的特性 b ef以相对值表示的特性Ef起作用时微机调节器的静态特性 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工死区 失灵区 82 人工频率失灵区和人工开度 功率失灵区Ey起作用时微机调节器的静态特性 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工死区 失灵区 83 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率失灵区和人工开度 功率失灵区Ef 0 Ey 0微机调节器静态特性 人工死区 失灵区 84 水轮机调节的基本概念7 静态特性 人工频率失灵区和人工开度 功率失灵区Ef 0 Ey 0微机调节器静态特性 人工死区 失灵区 85 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 转桨式水轮机调速系统 桨叶随动系统的不准确度ia不大于0 8 实测协联曲线与理论协联关系曲线的偏差不大于桨叶接力器全行程的1 冲击式水轮机调速系统静态品质应达到 测至喷针接力器的转速死区应符合表 规定 在稳态工况下 对多喷嘴冲击式水轮机的任何两喷针之间的位置偏差 在整个范围内均不大于1 每个喷针位置对所有喷针位置平均值的偏差不大于0 5 对每个导叶单独控制的水轮机 任何两个导叶接力器的位置偏差不大于1 每个导叶接力器位置对所有导叶接力器位置平均值的偏差不大于0 5 协联特性 86 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 双调整调速器doubleregulatinggovernor 实现转桨式 冲击式 水轮机导叶 喷针 及转轮叶片 折向器 偏流器 双重调整的调速器 协联装置combinationdevice 水轮机控制系统中用来保证转轮叶片与导叶或折向器与喷针之间协联关系的机构 电气单元或程序模块 协联特性 87 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 双调整水轮机包括轴流转桨式水轮机 贯流式水轮机和冲击式水轮机 它们在调节其水力矩Mt时 有两个相互有协联关系的机构受到水轮机调速器的控制 轴流转桨式水轮机和贯流式水轮机具有如下机构 导叶机构 桨叶机构 冲击式水轮机具有如下机构 喷针机构 折向器机构 协联特性 88 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 对于设有桨叶调整机构的转桨式水轮机 当轮叶角度一定时 水轮机效率曲线的高效率区较窄 转桨式水轮机的桨叶角度可调 每种桨叶角度都有与之相配合的 较窄的效率曲线高效率区 而且每种轮叶角度的高效率区 都有对应的导叶开度 即导叶开度与桨叶角度之间有一个协调关系 在不同水头下 导叶开度与桨叶角度之间存在着不同的协调关系 反映不同水头下导叶开度与桨叶角度之间协调关系的组合 称为导叶与桨叶的协联关系 对双调整调速器来说 在导叶开度调节的基础上 还必须考虑导叶开度 桨叶角度和水头之间的协联关系 对桨叶角度进行协联调节 以使水轮机工作于效率较高的区域 协联特性 89 随动系统不准确度ia 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 协联特性 90 协联特性 微机调节器采用的水轮机协联曲线 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 协联特性 91 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 下图为广西大化电厂机组水轮机协联曲线图 横坐标为导叶接力器行程 或开度 Yga 0 1 0 也可以采用整数型 例如Yga 0 25000 纵坐标为轮叶接力器行程 或开度 Yru 0 1 0 也可以采用整数型 例如Yru 0 25000 图中的参变量为水头 图中 H 13 2 35 4 m 协联特性 92 插值节点表 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 协联特性 ygaH 表中 横排为导叶接力器 行程 Yga节点 其用于微机内运算的最大值YgaM 1 0 相对值 纵排为水头H 单位为m 节点值 表中的值为Yga H的节点值 轮叶接力器 行程 Yru 其微机内运算的最大值yruM 1 0 相对值 93 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 协联插值算法和公式 根据PID调节计算所得的导叶接力器 行程 Yga 可在表中找出它所属的区域 使 Yga1 Yga Yga2 根据运行水头值 在表中可找出它所属的区域 使 Hj H Hj 1 据Yga1 Yga2 Hj和Hj 14个节点可找出对应的4个桨叶接力器 行程 值 Yru 11 Yru 12 水头Hj下 Yga1和Yga2对应的Yru节点值 和Yru 21 Yru 22 水头Hj 1下 Yga1和Yga2对应的Yru节点值 协联特性 94 水轮机调节的基本概念7 静态特性 协联特性 对微机调节器导叶接力器 行程 插值 求出 对水头插值 求出 协联特性 95 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 1 水轮机微机调速器的工作状态根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调节与控制情况 可将水轮机微机调速器的工作分成几个状态 停机等待 TJDD 开机 KJ 空载 KZ 负载 FZ 调相 TX 甩负荷 SFH 和停机 TJ 工作状态 96 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 1 水轮机微机调速器的工作状态工作状态转换 微机调速器工作状态转换图 工作状态 97 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 2 运行方式 自动 手动 1 微机调速器的自动运行方式在自动运行方式下 水轮机微机调速器的闭环自动调节 被控机组负荷的增加 减少 调节模式的选择及切换 运行人员对调速器的监视和操作等 都是由微机调节器自动实现或完成的 在调速器总体结构中 其机械液压系统 不论是前面讨论的 电液随动系统 还是 电液执行机构 都是根据微机调节器程序运算结果 通过电 机转换装置 最终实现主接力器行程Yga对微机调节器中YPID的成比例跟随的 在一般情况下 机械液压开度限制机构 如果它有这个机构的话 应置于全开或允许的最大开度位置 由机械液压开度限制机构所构成的机械液压手动运行机构此时应处于 浮空 和不起作用的状态 运行方式 98 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 2 运行方式 自动 手动 2 微机调速器的机械液压手动运行方式在这种手动运行方式下 微机调节器已不再对机械液压系统起闭环调节和控制作用了 调速器完全依靠机械液压手动机构 一般是通过机械液压开度限制机构 来实现对机组的控制 现在生产的PLC水轮机微机调速器大多具备微机调节器对调速器的手动状态进行跟踪的能力 这个跟踪功能的特点如下 实时读入导叶接力器实际行程所对应的yf值 并使PID运算中的开度给定yc yf 从而使结构框图的积分输入项为零值 根据yc yf 对PID调节程序中的有关量赋以合适的值 此时YPID值与实际的yf值相当 运行方式 99 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 2 运行方式 自动 手动 2 微机调速器的机械液压手动运行方式根据这个特点 当微机调速器由手动运行方式切换至自动运行方式时 微机调速器就可以可靠地实现无扰动 平滑切换 当然 在切至自动运行方式后 应将机械液压开度限制机构开启至最大开度 有的微机调节器具备的上电跟踪功能 也是基于上述原理设计的 当重新接通微机调节器电源时 微机调节器在一段时间内 例如 1s 不对电液随动系统进行控制 在这段时间内 它读入接力器实际行程值 并做上述手动跟踪时类似的处理 到达所设置的时间后 微机调节器投入工作 运行方式 100 水轮机调节的基本概念7 静态特性 控制功能 3 故障诊断 从20世纪90年代初开始 PLC水轮机微机调速器就具备下列故障诊断功能 机组频率 电网频率的故障诊断和抗干扰措施 导叶和桨叶主接力器反馈装置故障 例如 反馈电位器断线等 的检测与处理 机组功率变送器 电站水头变送器故障诊断及处理 运行方式 101 水轮机调节的基本概念7 动态特性PID传递函数表达式 PID特性 102 水轮机调节的基本概念8 动态特性PID传递函数表达式 KP f bt 换算关系曲线 调速器动态特性 103 水轮机调节的基本概念8 动态特性PID传递函数表达式 KI f bt Td 换算关系曲线 调速器动态特性 104 水轮机调节的基本概念8 动态特性PID传递函数表达式 KD f bt Tn 换算关系曲线 调速器动态特性 105 PI响应特性 PI调节器的阶跃输入响应特性 水轮机调节的基本概念8 动态特性 PID特性 106 PID响应特性PID调节器的阶跃输入响应特性PID调节器的阶跃输入响应 水轮机调节的基本概念8 动态特性 PID特性 107 动态特性调速器PID特性 阶跃输入响应特性 PID调节器的阶跃输入响应特性 水轮机调节的基本概念8 动态特性 PID特性 108 水轮机调节的基本概念8 动态特性 1 速动时间常数Tx速动时间常数 Promptitudetimeconstant Tx s 对于一个永态差值系数为零的水轮机控制系统 bp 0 主接力器速度dy dt与给定的被控参量相对偏差x关系曲线斜率的负倒数 对于缓冲型水轮机控制系统 速动时间常数Tx在数值上近似于暂态差值系数bt与缓冲时间常数Td的乘积 实际上 Tx是调速器积分特性的描述 如图所示 图中EB段直线是积分作用的结果 记积分分量为YI t 则有 当接力器在阶跃频率相对变化 x作用下 由YI 0 0到Y t1 0 1 0 即由全关至全开的时间为t1 0时 则有 由上式得 有 若取 x 1 0 即相当于阶跃频率变化值为50Hz 则由上式得 上式表明 速动时间常数Tx的物理含义是 在bp 0的条件下 若取频率变化相对值为 x 1 0 则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx 它在数值上等于积分增益KI的倒数 也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积 当然 在实际运行中是不可能有 x 1 0的运行条件的 调速器动态特性 109 水轮机调节的基本概念8 动态特性 1 速动时间常数Tx给出了几个 x取值下的接力器走全行程的时间 调速器动态特性 110 2 Tx bt Td KP KI 的试验校核 水轮机调节的基本概念8 动态特性 111 水轮机调节的基本概念8 动态特性 2 Tx bt Td KP KI 的试验校核 公式中 对应于相对频差 x 0 01和 x 0 02的以Hz表示的频差分别为 x 0 5Hz和 x 1 0Hz 其表达式常用来通过试验并计算bt Td KP KI 的实测值 检验设定值的正确与否 从而保证PID特性的准确性 试验方法a fc 50Hz 频率给定 fg 50Hz 频率 bp 0 04 永态转差系数 bt Td KP KI 例如 bt 0 4 Td 10s Tn 0s 即KP 2 5 KI 0 25 b 调整yc 开度给定 至yc 0 05 则微机调节器计算接力器行程会缓慢稳定到yPID 0 05 c 取bp 0 0 使fc 频率给定 阶跃变化至fc 50 5Hz 即频差相对值变化 x 0 01 记录yPID瞬间跳变值 其理论变化值为 yPID 1 bt x KP x 1 0 4 0 01 0 025 即yPID瞬间值为0 05 0 025 0 075 如果实测yPID 瞬间值 0 075 则验证了bt 或KP 设定值的正确性 d 记录yPID从0 2到0 7的时间 其理论值为t0 5 理论值 50btTd 50 KI 200s 如果实测t0 5 200s 则验证了bt Td 或KP KI 的正确性 也可以记录yPID从0 2到0 45的时间 其理论值为t0 25 理论值 25btTd 25 KI 100s 如果实测t0 25 100s 则验证了bt Td 或KP KI 的正确性 调速器动态特性 112 水轮机调节的基本概念8 动态特性 微机调节器PID调节的离散算法 采样周期 若要将PID调节规律用软件实现 则必须进行离散计算 采样周期 是离散计算过程中极为重要的一个量 由PLC 可编程控制器 或其他工业控制计算机作为硬 软