调速器培训课件

1、水轮机微机调速器水轮机微机调速器 培训课件培训课件 一.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 转速转速n n（频率（频率f f）、功率）、功率PgPg、水头、水头H H、流量、流量Q Q等参量测量出来，与给定信号等参量测量出来，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。机导水机构和桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至

2、信号综合点。 引水和泄水 系 统 水轮机、 发电机 电网、负荷 执行机构 放大校正元件 给定元件 反馈元件 被控制系统 水轮机控制系统 （水轮机调速器） 测量元件 + 一.水轮机调节的基本概念 图图1：水轮机调节系统水轮机调节系统结构图结构图 水轮机控制系统水轮机控制系统 hydraulic turbine control systems: hydraulic turbine control systems:用用 来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参来检测被控参量（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量的偏差，并将它们按一定特性转

3、换成主接力器行程偏差 的一些设备所组成的系统。的一些设备所组成的系统。 被控制系统被控制系统 controlled system: controlled system:由水轮机控制系统控制的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。的发电机及其所并入的电网。 水轮机调节系统水轮机调节系统 hydraulic turbine regulating system: hydraulic turbine regulating system: 由由水轮机控制系统水轮机控制系统和和被控制系统被控制

4、系统组成的闭环系统组成的闭环系统。 随动系统随动系统 servo-system: servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、自动跟踪控制装置输出，并转换、 放大的位置反馈控制系统。放大的位置反馈控制系统。 一.水轮机调节的基本概念 水轮发电机组转动部分的运动方程为：水轮发电机组转动部分的运动方程为： 式中：式中：JJ机组转动部分的惯性矩（机组转动部分的惯性矩（kgm2kgm2）；）； 机组转动角机组转动角 速度（速度（rad/srad/s）；）；nn机组转动速度机组转动速度r/minr/min）；）；M Mt t水轮机转矩（水轮机转矩（NmNm）；）； M Mg g发电机负荷阻力

5、矩（负载转矩）（发电机负荷阻力矩（负载转矩）（NmNm）。）。 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 组转速组转速( (频率频率) )保持恒值的条件是保持恒值的条件是 ，即要求，即要求 ，否，否 则就会导致机组转速则就会导致机组转速( (频率频率) )相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速( (频频 率率) )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 转速的传递系数转速的传递系数( ( )( ( )

6、和发电机负载转矩对转速的传递系数的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。特性，使得水轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性环节。 gt d d MM t J 30 n 0 d d t gt MM t e x e 一.水轮机调节的基本概念 水轮机转矩水轮机转矩 式中：式中： QQ通过水轮机的流量（通过水轮机的流量（m m3 3/s/s）；）；HH水轮机净水头（水轮机净水头（m m）；）； 水轮机水轮机 效率；效率； 水的密度水的密度g/mg/m3 3）。）。 所以，在一定的机组工况下，只有调节流量所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q Q和效率和效

7、率 ，才能调节水轮机转，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 Q）和水轮机轮叶）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）

8、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。率与负荷功率的平衡。 一.水轮机调节的基本概念 t t QH M l 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是一个闭环自动调节系统 开环系统开环系统: :众所周知，如果系统的输出量对系统的输入众所周知，如果系统的输出量对系统的输入 ( (控制控制) )作用没有影响，则这作用没有影响，则这 个个

9、系统是开环系统系统是开环系统(Open loop system)(Open loop system)。因此，对应于一个输入。因此，对应于一个输入( (控制控制) )量，便有一个相应固量，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 可能构成精的。可能构成精的。 闭环系统闭环系统: :从图从图1 1可以看出，水轮机调节系统的输出可

10、以看出，水轮机调节系统的输出( (机组机组( (电网电网) )频率、机组功率等频率、机组功率等) ) 对对 系统的控制作用系统的控制作用( (转速转速( (频率频率) )给定、机组功率给定、接力器开度给定等给定、机组功率给定、接力器开度给定等) )有着直接的影响，有着直接的影响， 一般称其为系统一般称其为系统( (调速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调速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( (调调 节节)

11、 )系统来说，系统的稳定性系统来说，系统的稳定性(Stability)(Stability)始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，始终是一个重要问题。除去稳定问题之外， 闭环控制闭环控制( (调节调节) )系统的动态过程及动态品质系统的动态过程及动态品质( (性能性能) )也是比开环系统复杂的多；因为，也是比开环系统复杂的多；因为， 闭环控制闭环控制( (调节调节) )系统动态稳定时，还可能出现动态过程中超调或衰减振荡系统动态稳定时，还可能出现动态过程中超调或衰减振荡(Damply (Damply oscillation)oscillation)现象。现象。 一.水轮机调节的基本概念 l水轮机

12、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）。（瞬变状态）。 调节系统的静态又称为稳定状态调节系统的静态又称为稳定状态: :稳定状态稳定状态 (steady state) (steady state)是指机组在恒定的负荷、给定信号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。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调节系统的动态又称为瞬态

13、: :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；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

14、闭环动态系统的最基本要求。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。 l闭环系统的稳定性闭环系统的稳定性 在扰动作用下会偏离原来的平衡状态在扰动作用下会偏离原来的平衡状态( (静态静态) )而产生偏差，进入动态，所谓动态系统的稳定性，而产生偏差，进入动态，所谓动态系统的稳定性， 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( (静态静态) )的性的性 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、不能恢能。如果系统能够恢复到平衡状态，则系统是稳

15、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。本要求。 l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一般闭环控制系统的共性外，还有一些值得注意的特点. . 一.水轮机调节的基本概念 2.2.水轮机调节的任务水轮机调节的任务 在水轮机数字式在水轮机数字式

16、( (微机微机) )电液调速器出现以前，水轮机调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速器的主要作用是根据偏离机组频率( (转速转速) )额定值的偏差，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，使机组频率平衡，使机组频率( (转速转速) )保持在额定频率保持在额定频率( (转速转速) )附近的允许附近的允许 范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率( (转速转速) ) 调节器。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

17、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。提出了新的和更严格的要求。 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)(AGC) 系统、电网能量管理系统系统、电网能量管理系统(EMS)(EMS)也日趋成熟并进入实用化的阶段；现代电力系统中，区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

18、域电网运行。在这种运行方式下，电网的负荷频率控制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)(LFC) 是通过电网是通过电网AGCAGC系统和电厂系统和电厂AGCAGC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。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。二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用。 因因而，现代水轮机调速器承担的任务

19、已不能仅仅用而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水轮机调节水轮机调节”来描述了，它除来描述了，它除 了具有调节水轮发电机组频率了具有调节水轮发电机组频率( (转速转速) )的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流的功能之外，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)(TBC)等附加的控制功能。等附加的控制功能。 IECIEC关于水轮机调速器的技术规范导则关于水轮机调速器的技术规范导则(IEC61362(1998)(IEC61362(1998)和试验和试验(IEC60308(

20、2005)(IEC60308(2005)中对中对 水轮机调速器都是用水轮机调速器都是用“水轮机控制系统水轮机控制系统”来命名的；我国的水轮机调速器与油压装置的来命名的；我国的水轮机调速器与油压装置的 国家标准国家标准( (技术条件和试验技术条件和试验) )已经修订，也将主题词已经修订，也将主题词“水轮机调速器与油压装置水轮机调速器与油压装置”改为改为 “水轮机控制系统水轮机控制系统”。 一.水轮机调节的基本概念 1). 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：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). (1). 在被控制的水轮发电机组

21、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；机组能尽快同期、并入电网运行； (2). (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：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

22、行，水轮机调速器根据电网规定完成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；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的任务是调节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；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被控制

23、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；载状态运行； 一.水轮机调节的基本概念 2). 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：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). 3). 水轮机调速器作为被控制机组的工况控制器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

24、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。 一.水轮机调节的基本概念 一.水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点 1).1).水流惯性水流惯性：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T Tw w来表述：来表述： 水流惯性时间常数水流惯性时间常数 (Water inertia time constant) (Water inertia time constant)是在额定工况下的表征过水管道中是在额定工况下的表征过水管道中 水流惯性的特征时间。水流惯性的特征时间。 (1).(1).水流惯性时间常数水流

25、惯性时间常数T Tw w的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水管道内的流量作用下，过水管道内的流量Q Q由由0 0加加 大至额定流量大至额定流量Q Qr r所需要的时间。所需要的时间。 (2).(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；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).(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

26、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，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产生与控制目标

27、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）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。就是对这种水流惯性的一种形象的表述。 l v T w gh = 一.水轮机调节的基本概念 水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tw w表达式为：表达式为： 式中：式中：AA每段过水管道的截面积（每段过水管道的截面积（m m2 2）；）；LL相应每段相应每段 过水管道的过水管道的 长度（长度（m m）；）；vv相应每段

28、过水管道内的流速（相应每段过水管道内的流速（m/sm/s）；）； gg重力加速度（重力加速度（m/sm/s2 2）；）；T Tw w水流惯性时间常数（水流惯性时间常数（s 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。流惯性的一种形象的表述。 水流惯性

29、时间常数水流惯性时间常数T Tw w的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水作用下，过水 管道内的流量管道内的流量Q Q由由0 0加大至额定流量加大至额定流量Q Qr r所需要的时间。所需要的时间。 gH Lv A L gH Q T r r w 一.水轮机调节的基本概念 2).2).机械惯性：机械惯性： 机组惯性时间常数机组惯性时间常数 (Unit inertia time constant, unit (Unit inertia time constant, unit acceleration constant)acceleration constant)是机

30、组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。 式中：式中： 额定转速时机组的惯性矩（额定转速时机组的惯性矩（kgmkgm2 2）；）；M Mr r机组额定转矩（机组额定转矩（NmNm）；）；GDGD2 2机组飞轮力矩（机组飞轮力矩（kNmkNm2 2）；）； n nr r机组额定转速（机组额定转速（r/minr/min）；）；P Pr r机组额定功率（机组额定功率（kWkW）；）；T Ta a机组惯性时间常数（机组惯性时间常数（s s）。）。 (1).(1).机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩M Mr

31、 r作用下，机组转速作用下，机组转速n n由由0 0上升额定转速上升额定转速n nr r所需所需 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 化差值化差值95%95%的时间为的时间为3 T3 Ta a，至机组转速到达变化差值，至机组转速到达变化差值98%98%的时间为的时间为4T4Ta a；例如，；例如，T T

32、a a =10s =10s，则转速，则转速 到达变化差值到达变化差值95%95%的时间的时间t t0.95 0.9530s 30s，到达变化差值，到达变化差值98%98%的时间的时间t t0.98 0.9840s 40s。 (2).(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。统容易产生振荡和超调。 (3).(3).机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a也可以用下式表示：也可以用下式表示： 式中：式中： GD GD2 2机组飞轮力矩机组飞轮

33、力矩TmTm2 2；其余参数单位同上。；其余参数单位同上。 (4).(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(Load inertiatime (Load inertiatime constant)-constant)-由电网引起的动量矩与额定转矩之比。由电网引起的动量矩与额定转矩之比。T Tb b，ss。 22 3580 r r G Dn T a p = r 22 r a rr 365 J GDn T MP 机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a表达式为：表达式为： 式中：式中： 额定转速时机组的惯性矩

34、（额定转速时机组的惯性矩（kgmkgm2 2）；）；M Mr r机组额定转矩机组额定转矩 （NmNm）；）；GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩kNmkNm2 2）；）；n nr r机组额定转速（机组额定转速（r/minr/min）；）； P Pr r机组额定功率（机组额定功率（kWkW）；）；T Ta a机组惯性时间常数（机组惯性时间常数（s s）。）。 机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩M Mr r作用下，机组转速作用下，机组转速n n由由0 0 上升至额定转速上升至额定转速n nr r所需要的时间。所需要的时间。 也可以用下式表

35、示也可以用下式表示: : 式中：式中： GD GD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩TmTm2 2）；其余参数单位同上）；其余参数单位同上. . 一.水轮机调节的基本概念 r 2 r 2 r a 3580 r P nGD M J T r 22 r a rr 365 J GDn T MP 一.水轮机调节的基本概念 3).3).系统具有复杂的、非线性特性：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、非线性控制系统水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统: : (1). (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、水轮机型式多种多样：混流式、轴流定桨式、轴流转桨

36、式、贯流式、 冲击式、水泵冲击式、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；求是有很大差异的； (2). (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；征； (3). (3). 水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同期并网前和水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同

37、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。是相差很大的。 一.水轮机调节的基本概念 4).4).要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力：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

38、，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仍然能靠储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构, ,以保证以保证 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。且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。 l手动水轮机调节手动水轮机调节 在水轮机调节的初

39、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、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。

40、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，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- -积分积分 - -微分微分(PID)(PID)调节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。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 频率频率( (或转速或转速) )，运行人员必

41、须监视被控制的水轮发电机组的频率或电网的频率。当频，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 率大于或小于率大于或小于50Hz50Hz时，则相应地关闭或开启水轮机导水机构，使频率回复到时，则相应地关闭或开启水轮机导水机构，使频率回复到50Hz50Hz左右左右 的一个允许的范围内。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：手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则： 一.水轮机调节的基本概念 比例操作比例操作输出与输

42、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（度应近似比例于机组转速（频率）对额定转速（50Hz50Hz）的偏差。例如：机组频率若）的偏差。例如：机组频率若 为为51Hz51Hz和和54Hz54Hz，虽然它们均大于，虽然它们均大于50Hz50Hz，但针对前者，关闭导水机构的幅度可小一点、，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。速度可慢一点；而对后者，则幅度要大一点、速度要快一点。 超前操作超前操作输出与输入的变化速度

43、成比例，反映偏差的变化率，与时间有关；操作中不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）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：当机组频率由向额定值回复的速度。例如：当机组频率由54Hz54Hz以较快的速度下降到以较快的速度下降到51Hz51Hz时，虽然时，虽然 它仍然大于它仍然大于50Hz50Hz，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，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

44、（频率）较快地回复到额定值附近。这种针对水流惯性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“提前刹车提前刹车”。 积分操作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

45、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。（频率）到达额定转速时为止，这就是微量、精确调节。 一.水轮机调节的基本概念 一.水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 调速器调速器 governor: governor:由实现水轮机调节及相应控制的机构和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。指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。 机械液压调速器机械液压调速器 mechanical hydraulic governor: mechanical hydraulic go

46、vernor: 测测 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。放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。 电电( (气气) )液液( (压压) )调速器调速器 electric-hydraulic governor: electric-hydraulic governor:检检 测被控参量、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、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

47、的 调速器。调速器。 微机调速器微机调速器 micro-computer based governor: micro-computer based governor: 以工业级以工业级 微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。 有差调节有差调节 difference regulation, deviation difference regulation, deviation regulation:regulation:水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态 差值系数差值系数b bp p00的调节方式。的调节方

48、式。 无差调节无差调节 no-difference regulation, no- no-difference regulation, no- deviation regulation:deviation regulation:水轮机控制系统处于自动调节状水轮机控制系统处于自动调节状 态下，永态差值系数态下，永态差值系数b bp p=0=0的调节方式。的调节方式。 随动系统随动系统 servo-system: servo-system:自动跟踪控制装置输出，并自动跟踪控制装置输出，并 转换、放大的位置反馈控制系统。转换、放大的位置反馈控制系统。 一.水轮机调节的基本概念 一.水轮机调节的基本概

49、念 双调整调速器双调整调速器 double regulating governor: double regulating governor:实现转桨式实现转桨式 冲击式冲击式 水轮机导叶水轮机导叶 喷针喷针 及转轮叶片及转轮叶片 折向器折向器/ /偏流器偏流器 双重双重 调整的调速器。调整的调速器。 通流式调速器通流式调速器 governor without pressure tank, through governor without pressure tank, through flow type governor:flow type governor:由油泵直接向水轮机控制系统供油的调速

50、由油泵直接向水轮机控制系统供油的调速 器。器。 压力罐式调速器压力罐式调速器 governor with pressure tank: governor with pressure tank:由压力罐由压力罐 向水轮机控制系统供油的调速器。向水轮机控制系统供油的调速器。 操作器操作器 position operator, gate operator: position operator, gate operator:不对机组施加不对机组施加 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

51、的装带上预定负荷，以及接受事故信号后能使机组自动停机的装 置。置。 电子负荷调节器电子负荷调节器 electronic load controller: electronic load controller:利用电子电利用电子电 路组成的能耗式调速器。路组成的能耗式调速器。 电动机调速器电动机调速器 governor with motor driven gate governor with motor driven gate operator:operator:用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速 器。器。 油压装置油压装置 oil pres

52、sure supply unit: oil pressure supply unit:能提供液压能的装置。能提供液压能的装置。 一.水轮机调节的基本概念 一.水轮机调节的基本概念 fn 电网 频率 Kf fc 频率 给定 + Fn Fc Pg 机组 功率 yc 开度 给定 Ky Pc 功率 给定 Pg Yc Pc F Ef F KP KD S 1+T1vS G KI G S G I bp/ep Ey/P + L A1 D/A DRI PWM BUS Yc/Pc Y/P1 Y/P Y/P1 + + 比例(P) 微分(D) 积分(I) YP YD YI + + + YPID 电气 开限 综合 放大

53、 输出 环节 永态差 值环节 人工开 度/功率 死区 人工 频率 死区 功率测量 开环增量 P=f(y) (u/N)ga yga、yru y1 h Pg 接力器行程 中间接力器行程 水头 机组功率 Pg 人工设定水头 Kf Kpg Kpg + A/D DI BUS 输入 环节 fg1 残压 机频 Kf fg2 齿盘 机频 Fg1 Fg2 Kf 一.水轮机调节的基本概念 几种常见的控制系统：几种常见的控制系统： 双比例伺服阀系统双比例伺服阀系统 交流伺服电机自复中系统交流伺服电机自复中系统 步进电机伺服缸系统步进电机伺服缸系统 比例伺服阀自复中系统比例伺服阀自复中系统 双比例伺服阀双比例伺服阀(

54、FC阀阀)机械手动机械手动/自复中系统自复中系统 双比例伺服阀机械手动双比例伺服阀机械手动/自复中系统自复中系统 一.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水轮机微机调速器的总体框图 一.水轮机调节的基本概念 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 微 机 调 节 器 电 / 机 转 换 装 置 机 械 开 限 / 手 动 装 置 紧 急 停 机 电 磁 阀 手 动 紧 急 停 机 阀 主 配 压 阀 事 故 配 压 阀 导 叶 分 段 关 闭

55、装 置 接 力 器 机组频率 油压装置 一.水轮机调节的基本概念 6.控制功能 1).1).水轮机微机调速器的工作状态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速器的工作分成几个状态停机等待停机等待 （TJDDTJDD）、开机（）、开机（KJKJ）、空载（）、空载（KZKZ）、负）、负 载（载（FZFZ）、调相（）、调相（TXTX）、甩负荷（）、甩负荷（SFHSFH） 和停机（和停机（TJTJ）。）。 一.水轮机调节的基本概念 1).1).水轮机微

56、机调速器的工作状态水轮机微机调速器的工作状态 工作状态转换：工作状态转换： 微机调速器工作状态转换图微机调速器工作状态转换图 一.水轮机调节的基本概念 2). 2).运行方式：运行方式： 自动自动/ /手动手动 (1). (1). 微机调速器的自动运行方式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。视和操作等，都是由微机调节器自

57、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“电液电液 随动系统随动系统”，还是，还是“电液执行机构电液执行机构”，都是根据微机调节器程序运算结，都是根据微机调节器程序运算结 果，通过电果，通过电/ /机转换装置，最终实现主接力器行程机转换装置，最终实现主接力器行程YgaYga对微机调节器中对微机调节器中 Y YPID PID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 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。由机械液压它有这个机构的话）

58、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“浮空浮空”和不和不 起作用的状态。起作用的状态。 一.水轮机调节的基本概念 2). 2).运行方式：运行方式： 自动自动/ /手动手动 (2). (2). 微机调速器的机械液压手动运行方式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

59、通 过机械液压开度限制机构）来实现对机组的控制。过机械液压开度限制机构）来实现对机组的控制。 现在生产的现在生产的PLCPLC水轮机微机调速器大多具备微机调节器对调速器的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：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实时读入导叶接力器实际行程所对应的yfyf值，并使值，并使PIDPID运算中运算中 的开度给定的开度给定yc= yfyc= yf，从而使结构框图的积分输入项为零值。，从而使结构框图的积分输入项为零值。 根据根据yc= yfyc= yf，对，对PIDPI

60、D调节程序中的有关量赋以合适的值，此时调节程序中的有关量赋以合适的值，此时 YPIDYPID值与实际的值与实际的yfyf值相当。值相当。 一.水轮机调节的基本概念 2). 2).运行方式：运行方式： 自动自动/ /手动手动 (2). (2). 微机调速器的机械液压手动运行方式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切换。当然，在切至自动运行方式后，