水轮机调速器基本知识讲解

我国水轮机数字式电液调速器的现状及发展趋势,我国水轮机数字式电液调速器的现状及发展趋势,一.现状二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求三.发展趋势四.国内外调速器概述五.科研开发工作建议,一.现状1.概况,1）1983年我国第一台水轮机微机调速器诞生2）2000台左右在国内外运行3）技术与国际先进水平基本保持同步,1.概况,4）适应式变参数PID调节、电机式电/机转换、双机交叉冗余和机组功率控制模式上处于国际领先地位5）可靠性、产品质量、工艺水平与国外产品有一定差距6）出现了用国产调速器替换进口产品的苗头,7）市场逐渐规范，形成数个知名调速器生产公司8）科研工作取得了显著成效并已转化为现实生产力9）调速器理论联系实际的科研方法值得强调和提倡,1.概况,一.现状2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器频率测量控制器调节控制规律双机冗余结构满足电网要求,2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器频率测量残压测频、齿盘测频控制器自身高速计数测频测频精度、采样周期可靠性,微机调节器控制器可编程控制器（PLC）工业控制计算机（IPC）可编程计算机控制器（PCC）,2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器选择控制器的主要因素可靠性精度（16位、32位CPU）速度（测频周期、机械液压响应速度）接口特性（开关量、模拟量、网络通讯）备品备件、升级换代、技术支持,2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器调节控制规律以PID为基础的频率适应式变参数调节规律以PI为基础的功率适应变式参数控制规律,2.我国数字式电液调速器概况,2.我国数字式电液调速器概况,功率适应式变参数PI调节,微机调节器双机冗余结构双机整机（单元级）冗余双机交叉（模块级）冗余,2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器双机交叉冗余结构将每个控制器分成若干个模块（例如6个：FM、DI、DO、AI、AO、C），在不増加硬件的条件下，用通信和软件构成交叉冗余控制结构，具有较强的容错能力。当双微机调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控制结构可以容忍两个单机的不同名模块故障情况（容错），交叉构成正常的调节器，使调速器能正常工作，实现真正的双机冗余容错结构，进一步提高调速器的可靠性。,2.我国数字式电液调速器概况,2.我国数字式电液调速器概况,微机调节器双机交叉冗余结构,电机转换器电液转换器：控制液压控制型主配压阀比例伺服阀必需引出主配压阀活塞的电气或机械反馈，停电后使导叶全关交流伺服电机自复中/控制阀电液转换器,2.我国数字式电液调速器概况,2.我国数字式电液调速器概况,比例伺服阀液压控制型主配压阀,电机转换器电液转换器：控制液压控制型主配压阀交流伺服电机自复中电液转换器,2.我国数字式电液调速器概况,电机转换器电机转换器：控制位移控制型主配压阀交流伺服电机自复中机构步进电机液压伺服缸,2.我国数字式电液调速器概况,电机转换器电机转换器交流伺服电机自复中机构,交流伺服电机自复中机构,2.我国数字式电液调速器概况,电机转换器电机转换器：交流伺服电机自复中机构交流伺服电机自复中装置采用全数字交流伺服电机和精密滚珠丝杠传动副作为驱动转换元件，具有输出力大、可靠性高、反应灵敏、线性度好、操作方便和结构紧凑等特点。此外，交流伺服电机带有同轴的旋转编码器，可以依靠其反馈使在位置环方式下工作。在电源消失时，复中弹簧具有使转换器复中的功能。,2.我国数字式电液调速器概况,电机转换器机电转换器角位移传感器直线位移传感器旋转编码器,2.我国数字式电液调速器概况,机械液压系统主配压阀（位移控制型、液压控制型）分段关闭阀（机械液压动作、电气液压动作）事故配压阀（单独装置、与主配压阀结合）,2.我国数字式电液调速器概况,机械液压系统主配压阀（FC阀）,2.我国数字式电液调速器概况,2.我国数字式电液调速器概况,采用比例伺服阀调速器甩100%负荷试验结果最大转速上升：41.0%；转速波动次数：0.5次；调节时间：9.8秒。,2.我国数字式电液调速器概况,机械液压系统分段关闭系统,2.我国数字式电液调速器概况,机械液压系统分段关闭阀,水轮机控制系统仿真决策支持系统三.发展趋势,定性分析比较分析辅助决策支持现场试验验证,2.我国数字式电液调速器概况,机械液压系统事故配压阀,机械液压系统机械（液压）开度限制机构在实际运行中，有的电站要求调速器具有机械开度限制机构，其作用与电气开度限制环节相同，但是是用机械（液压）的原理实现的。机械开度限制机构可分为两类：机械位移式开度限制机构和机械液压式开度限制机构，其原理都是限制接力器的最大开度，都必需引入接力器位移的机械反馈。,2.我国数字式电液调速器概况,典型调速器系统框图,2.我国数字式电液调速器概况,典型调速器微机调节器框图,2.我国数字式电液调速器概况,典型调速器机械液压系统框图,2.我国数字式电液调速器概况,二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求,新发展1）区域电网形成、总功率日趋增大、区域电网间联网2）电网、水电厂广泛采用调度自动化、计算机监控系统和自动发电控制（AGC）3）电网、水电机组运行可靠性大幅度提高,二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求,新要求1）调节控制目标原来：机组、电网频率（转速）调节器现在：机组、电网频率（转速）调节器孤立电网空载大电网（一次调频）机组功率控制器（二次调频）调度自动化、AGC的有功功率末端控制器,国家电力调度通讯中心关于电网一次调频对水电机组调速系统的主要技术要求（功率）永态转差系数3%4%；频率（转速）死区0.033Hz；响应特性；电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min；负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限制工况下运行。,电网二次调频对水电机组调速系统的主要技术要求：,机组功率单调、快速趋近目标功率与水电厂（电网）AGC系统完善接口,二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求,2）高可靠性微机调节器机械液压系统电/机、机/电转换元、器件油压装置调节系统结构,二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求,3）多调节模式转速（频率）调节功率调节开度调节水位调节流量调节,二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求,4）优良的接口特性人机运行接口人机调试接口通信接口（LCU、AGC）,三.发展趋势,调节规律以PID为基础的适应式变参数调节规律仍然在相当长时间占主导地位,三.发展趋势,满足电网负荷频率控制（LFC）要求。电网一次调频电网二次调频,三.发展趋势,调节规律自适应、模糊、神经元网络尚在理论研究、初步探索、简单仿真阶段,控制规律增/减功率快速、无超调的机组功率控制过程开停机控制规律浪涌控制,三.发展趋势,三.发展趋势,系统集成微机调节器双机冗余工控机双机交叉冗余测频：残压本机测频齿盘测频残压/齿盘冗余测频测频精度、抗干扰、检错双机冗余：适用于特大型水电机组,系统集成机械液压系统块式集成结构主辅冗余、双机冗余电/机转换比例阀交流伺服自复中电转数字（开关）阀与之配套的主配压阀机/电转换带通信接口的数字式传感器、变送器（位移、功率、水头）,三.发展趋势,通信接口高可靠性不同通信规约的适应性全数字式水轮机微机调速器调节回路中无模拟信号传输测量、传感、变送、执行,三.发展趋势,辅助功能辅助调试功能事件、事故记忆功能水轮机控制系统仿真决策支持系统,三.发展趋势,水轮机控制系统仿真决策支持系统,三.发展趋势,空载频率波动仿真三.发展趋势,空载扰动波动仿真三.发展趋势,甩负荷过程仿真三.发展趋势,棉花滩电站机组一次调频现场试验（开环）,棉花滩电站机组一次调频仿真（开环）,棉花滩电站机组一次调频仿真（闭环）,四.国内外微机调速器概述1.概述,我国自行开发研制的第一台数字式（微机）电液调速器1984年11月在湖南欧阳海水电站试验成功并投入运行，开创了我国水轮机调节领域的新的篇章；以可编程控制器为主体的微机调节器研制成功则极大地促进了我国数字式（微机）调速器的广泛应用和迅速发展。,到2002年，据不完全统计，我国自行设计制造的数字式（微机）电液调速器已有1500多台在国内外大中小型水电站投入运行。近年来，已经有不少用国产调速器更换进口产品取得成功的范例（例如二滩电站）。我国的数字式电液调速器的技术性能和功能都与水轮机调节技术的国际先进水平基本上保持同步状态；在机械液压系统的可靠性方面，国内产品还有待进一步提高。,四.国内外微机调速器概述,2.总体评价,20世纪80年代以来，我国大型数字式电液调速器的技术性能和功能，都与水轮机调节技术的国际先进水平基本上保持同步状态。在调速器的机械液压系统上，国内产品与国外产品还有一定差距，但差距正在缩小。,四.国内外微机调速器概述,3.调节及控制规律,国外调速器适应不同机组工况的变参数PID调节规律国内调速器我国的数字式电液调速器的调节及控制在国际上处于领先地位适应式（适应工况、水头）变参数转速PID调节带开环增量环节的机组功率适应式（适应偏差大小、水头、导叶开度）变参数PI控制,四.国内外微机调速器概述,4.微机调节器,硬件国外调速器各公司采用自行设计生产的专用微机控制器，相互之间没有共同的技术标准，差异较大；控制器生产批量不大，备品备件必需依赖原生产厂家，升级换代困难；可靠性高。,四.国内外微机调速器概述,4.微机调节器,硬件国内调速器多采用国际知名公司的可编程控制器（PLC），不同公司PLC产品的装置要求、试验、编程语言、用户指南和技术条件等均是按照国际电工委员会（IEC）IEC611311、2、3、4和5等可编程控制器（PLC）技术标准设计生产的；生产批量很大，备品备件获取方便，升级换代有保证；采用PLC及国际知名品牌器件系统集成，可靠性高。,四.国内外微机调速器概述,4.微机调节器,软件调速器的调节和控制性能及功能主要由微机调节器的应用程序实现和保证。国外调速器调速器用户程序受知识产权保护，不向用户公开和交底；技术培训不到位，只提供少量参数修改的人机界面，不允许修改应用程序；应用程序的编制方式、原则、习惯适合原产国（地区）的文化渊源和电网运行要求，不太适合中国的国情；,四.国内外微机调速器概述,软件国内调速器调速器应用程序具有自主的知识产权，附加详细的框图及注解，彻底向用户公开和交底；承诺全面的技术培训，用户可以根据运行要求或工况变化修改用户程序；应用程序的编制方式、原则、习惯考虑了中国电网运行特点及要求，适合我国的文化渊源及国情。,四.国内外微机调速器概述,4.微机调节器,国外调速器多采用比例伺服阀或电液转换器，比例伺服阀静态、动态性能优秀。国内调速器除采用进口的比例伺服阀或电液转换器外，还采用我国特色的伺服/步进电机电/机转换器。,四.国内外微机调速器概述,5.电/机转换器,6.机械液压系统结构,国外调速器和国内调速器几乎有完全相同的总体系统结构国内调速器在带接力器机械反馈的机械手动机构方面有成功的经验，国外产品需重新设计。,四.国内外微机调速器概述,7.售后服务及备品备件,国外调速器售后服务渠道不畅通，服务响应周期长，售后服务成本高；备品备件价格很高，供应困难，关键部件和模块必需依赖原生产厂，存在原生产厂变更、更新换代或停产后，备品备件无法供应的可能。,四.国内外微机调速器概述,国内调速器售后服务渠道畅通，服务响应周期短，售后服务成本低；备品备件供应方便，微机调节器的控制核心（PLC）等重要器件均为国际知名品牌产品，在市场上即可方便购买，机械液压部件国内也已逐渐能自行加工,四.国内外微机调速器概述,7.售后服务及备品备件,8.实例,1).比例阀式单微机机单比例阀,8.实例,单比例阀双调机械液压系统图,8.实例,双微机机单比例阀,8.实例,双微机机双比例阀,8.实例,2).交流伺服电机自复中单微机自复中,8.实例,双微机自复中,8.实例,自复中双调机械液压系统图,8.实例,8.实例,单微机机比例阀/自复中,8.实例,比例阀/自复中机械液压系统图,五.科研开发工作建议,1.从电网、水电厂的现状及对调速器的要求出发空载机组频率控制器并入大电网一次调频/二次调频、机组功率控制器孤网机组频率控制器,六.科研开发工作建议,2.从解决水轮机调速器实际存在的问题入手可靠性微机调节器结构电/机转换器、主配压阀电网一次调频和二次调频特殊机组（抽水蓄能、贯流、冲击）调节性能,六