微机调速器基本原理w3

微机调速器基本原理w3第一页，共78页。水力发电是指利用大坝将河流中收集到的水能，先由水轮机将水能转换为机械能，再由发电机将机械能转换为电能的过程。电能是发电厂的产品。由于电能不能够大量储存，必然要求电能的生产与消费同时进行。实际上，电力系统中的负荷是不断变化的，具有随机性或总体上的不可预测性，从而使电力系统经常处于动态平衡过程中。然而，这种动态过程必须在安全稳定前提下，满足用户的电能质量要求。水力发电厂1.1电能生产与质量第二页，共78页。电气和电子工程师协会(IEEE)给出的定义是：合格的电能质量是指供给敏感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备正常工作的。总的来说，优质电能质量的具有以下特征：(1)供电电压具有稳定的频率、幅值和波形；(2)保持三相电压和电流的平衡；(3)对环境的不良影响较小；(4)持续稳定和充足的电能供应，等等。目前国际上，对电能质量还没有统一的定义，国际电工委员会(IEC)标准中对电能质量的定义为:电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。我国电网电能质量技术监督管理规定：电网电能质量系指公用电网供到用电受电端的交流电能质量，包括下列衡量指标：⑴.供电频率允许偏差；⑵.供电电压允许偏差；⑶.供电三相电压允许不平衡度；⑷.电网谐波允许指标；⑸.供电电压允许波动和闪变等。1.1电能生产与质量第三页，共78页。（1）断电(interruption)（2）频率偏差（frequencydeviation）（3）电压凹陷/下跌(voltagesags)（4）电压上升(swell)（5）瞬时脉冲或暂态(impulse，Transient)（6）电压波动和闪变(fluctuationandflicker)（7）电压切痕(voltagenotches)（8）谐波/间谐波(harmonics/interharmonics)按照IEEE定义是指：导致供电设备或用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差，属于电能质量问题。电能质量问题（国际标准化委员会推荐的电能质量主要术语）：1.1电能生产与质量第四页，共78页。《电能质量电力系统频率偏差》GB/T15945-2008基本条款☞电力系统额定频率为50Hz。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。☞

当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5Hz。制定依据☞保证电力系统，发电厂和用户的安全和正常运行☞相关国标和规范的规定☞相关国际标准规定（±0.5Hz甚至±0.1Hz）☞各个电网的实际情况有所差别附加条款☞用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz。测量仪表☞频率测量仪表绝对误差不大于±0.01Hz。1.1电能生产与质量第五页，共78页。枢纽变电站如果频率变化过大，不仅会对用户造成很大危害或损失，而且更重要的是，这将严重影响发电机组自身的安全稳定运行、以及造成电网解列的重大事故。电力用户发电机组1.1电能生产与质量第六页，共78页。同步发电机频率与转速及角速度之间的关系：f—同步发电机频率（Hz）n—同步发电机转速（rpm）ω—机组角速度（1/s）p—同步发电机极对数由上式可见，同步发电机频率与转速及角速度成正比例变化。因此，保证机组转速不变，就能使机组频率保持恒定。可见，维持电网频率稳定相当重要，我国国家标准对电能的频率指标有着严格的规定。因此，为了达到频率指标要求，必须采取有效的控制措施。

水轮机调节系统的基本任务就是维持机组转速或频率在规定的范围之内。1.1电能生产与质量第七页，共78页。水轮发电机组转动部分可描述为绕固定轴旋转的刚体运动。J—机组转动部分惯量ω—机组角速度Mt—水轮机的主动力矩Mg—为发电机阻力矩分以下3种情况讨论：1.2机组转速自动调节第八页，共78页。由于发电机的负荷所产生的电磁阻力矩经常发生变化，因而，机组转速必然也时常处于变化过程之中。为了尽可能减少负荷变化对机组转速的影响，必须尽快调整水轮机的主动力矩。如何调整水轮机的主动力矩呢？根据水轮机的主动力矩计算公式可得：Mt—水轮机力矩P—水轮机出力ω—机组角速度Q—水轮机流量H—水轮机水头η—水轮机效率γ

—水的容重式中：通过上述分析，改变水轮引用机流量Q，就改变了水轮机力矩Mt，就能改变机组转速，这就是水轮机转速调节的方法。1.2机组转速自动调节第九页，共78页。见右图，为了改变水轮机进水流量，在水轮机中专门设有导水机构。调速器的执行元件—主接力器动作（双接力器，一个推、另一个拉），驱动调速环转动，通过连杆拐臂，使所有活动导叶同步摆动改变开度，控制水轮机的进水流量。水轮机各部件及导水机构示意图1.2机组转速自动调节10第十页，共78页。1.2机组转速自动调节最早的原动机转速自动调节可追溯到詹姆斯·瓦特(JamesWatt，1736—1819，英国)发明的蒸汽机转速自动调速器。瓦特并不是蒸汽机的发明者，他是在修理纽可门蒸汽机过程中，经过不断改良，给蒸汽机加装了离心飞锤调速器，较好地解决了当工作机械负载变化引起的蒸汽机转速大幅度变化的问题，使蒸汽机很快进入实用阶段，导致以蒸汽机为标志的第一次工业革命。从此，瓦特与蒸汽机紧密地联系在一起。蒸汽机转速自动调节系统示意图第十一页，共78页。水轮机转速自动调节系统示意图右图为水轮机转速自动调节系统示意图。该调速器是在瓦特蒸汽机调速器基础上发展而来的，除了测量元件离心飞摆外，考虑到水轮机笨重的导水机构，设置了液压放大元件，还考虑到引水系统的水击作用，增加了反馈元件（缓冲器）。1.2机组转速自动调节当负荷减小时，主动力矩大于负载力矩，机组转速升高，关小导叶开度，随之主动力矩减小，使得转速上升减缓并开始回落。

实践表明，没有反馈元件调节系统，其动态过程是不稳定的。12第十二页，共78页。软反馈作用时无反馈作用时1.2机组转速自动调节13第十三页，共78页。水轮机转速自动调节系统方框图为了便于理论分析，上述的水轮机转速自动调节系统可用方框图表示。可见，它是由调节对象（水轮发电机组、及其相关的水力系统与电力系统）和调节器（调速器）组成。建立图中各部分数学模型后，就可采用自动控制理论分析方法，然后进一步深入研究其动态特性及稳态特性。1.2机组转速自动调节Mg负荷扰动14第十四页，共78页。水轮机转速自动调节系统原理简图1.3机组并网运行15第十五页，共78页。并网运行情况，无调差机构时并网运行情况，有调差机构时1.3机组并网运行16第十六页，共78页。输入电网频差输出机组出力输入给定值，输出电网频率负荷变化引起电网频率变化给定值变化引起频率变化1.3机组并网运行17第十七页，共78页。保持频率稳定是电力系统运行的重要任务和目的。与单机电网的一阶段调频不同，多机电力系统的调频需要分阶段、分层次进行。可以按负荷变化周期进行分类，大致上可分为变化周期为数秒钟内的微小变动部分（高频分量），变化周期在数分钟以内的变动部分（低频分量），变化周期在数分钟到数十分钟之内的变动部分（干扰分量），以及更长周期变动部分（持续分量）等。一次调频PFR二次调频SFR三次负荷调整1.3机组并网运行18第十八页，共78页。1.3机组并网运行电力系统一次调频（PrimaryFrequencyRegulation，PFR）当负荷变化引起电网频率波动时，电网中各机组调速器根据频率变化自动调整机组的有功功率输出并维持电网有功功率的平衡，使电力系统频率保持基本稳定。DL/T1040-2007电网运行准则,5.4.2.2对发电机组性能的一般要求19第十九页，共78页。按系统结构分①辅助接力器型调速器（跨越反馈）②中间接力器型调速器（逐级反馈）③调节器型调速器（随动系统）辅助接力器型调速器机械调速器（PI调节规律）1.4调速器分类20第二十页，共78页。中间接力器型调速器调节器型调速器电气调速器（PID调节规律）微机调速器（PID调节规律）1.4调速器分类21第二十一页，共78页。2.1微机调速器工作原理2.3

PID调节单元2.2机组频率测量单元2水轮机微机控制技术2.4闭环调节模式2.5微机调节器硬件配置22第二十二页，共78页。2.1微机调速器工作原理

1946年世界上第一台电子数字计算机ENICA的诞生，开始了人类智力解放的信息时代。微型计算机计算机“ENICA”8080微处理器

1971年微处理器问世，特别是intel公司的MOS电路型8080微处理器的研制成功，使得计算机体积方面大大减小，从而诞生了微型计算机（微机），这标志着计算机发展和应用进入了新的阶段。第二十三页，共78页。

在控制系统中，用微型计算机代替原来由机械机构、模拟电子电路等实现的控制器，其控制性能和功能大大提高。微型计算机控制系统原理框图PC机单片机控制器2.1微机调速器工作原理第二十四页，共78页。

微型计算机控制系统原理框图——对被控对象参数的瞬时值进行检测，模拟量通过A/D转换器转换为数字量，作为计算机的信息输入。与常规控制系统不同，计算机控制系统是一种由模拟元件和数字模块构成的混合控制系统，被称为采样控制系统。控制系统动作过程可归结为以下三个步骤：①输入（采集）2.1微机调速器工作原理第二十五页，共78页。

微型计算机控制系统原理框图与常规控制系统不同，计算机控制系统是一种由模拟元件和数字模块构成的混合控制系统，被称为采样控制系统。控制系统动作过程可归结为以下三个步骤：②运算（决策）——对采集到的信息（包括历史信息）、以及人为输入的信息进行运算加工，并按照适宜的控制规律/策略进行分析决策。2.1微机调速器工作原理第二十六页，共78页。

微型计算机控制系统原理框图——根据计算结果得出的数字控制信号，经过D/A（模拟量到数字量）转换器转换为模拟控制信号，送到执行机构。与常规控制系统不同，计算机控制系统是一种由模拟元件和数字模块构成的混合控制系统，被称为采样控制系统。控制系统动作过程可归结为以下三个步骤：③输出（控制）2.1微机调速器工作原理第二十七页，共78页。微型计算机控制系统组成⑴.硬件⑵.软件⑶.软硬件关系①硬件成本②CPU时间①主机③过程通道②人机设备①系统软件②应用软件2.1微机调速器工作原理28第二十八页，共78页。微机调速器控制系统可看成是专用的微型计算机控制系统，如下图所示。微型计算机可以是MCU、PLC/PCC或IPC等。检测信号包括频率、开度、功率等，执行器是指电气液压随动放大系统。人机设备显示器用来显示内部参数和工作状态，键盘用来整定、修改参数、或输入操作命令。微机调速器控制系统组成2.1微机调速器工作原理第二十九页，共78页。用自动控制理论分析时，可将微机调速器控制系统描述为水轮机转速调节系统，如下图所示。微机调速器可划分为微机调节器（包括测速单元、调节单元）和电液随动放大系统（放大执行单元）两大部分。水轮机转速自动调节系统框图频率测量(测速)单元是微机调速器十分关键的环节，按照国家标准中对微机调速器整机死区的要求，机组频率测量一般要求至少达到0.01%精度。因此，对于机组频率测量必须采用高精度的直接数字频率测量方法。2.1微机调速器工作原理第三十页，共78页。电压互感器正弦信号经过滤波、降压限幅处理，放大整形、成为正负方波，经过光电隔离后、成为单极性方波，最后经过D触发器二分频后，得到一个周期高电平、一个周期低电平的方波信号。2.2机组频率测量单元31第三十一页，共78页。Intel公司生产的MCS-51系列单片机，内部有2个16位计数器T0及T1，分别由2个8位计数器串联而成，可用计数器T0作为机组频率测量。如图示为T0计数器工作在方式1时的内部逻辑框图。方波信号从INT0脚引入，按照图示逻辑关系，控制开关只受INT0管脚控制。高电平控制开关闭合，T0计数器开始计数一个周期T时间；低电平控制开关断开，T0停止计数；由高电平跳变为低电平时，向CPU申请中断取T0计数值，并由CPU将T0计数器清零。计数频率为：2.2机组频率测量单元32第三十二页，共78页。一般低档PLC内部高速计数器工作频率只有10kHz~30kHz，个别PLC内部高速计数器也只能达到100kHz~200kHz，这与机组频率测量精度要求的计数器时钟频率500kHz~1MHz要低许多。因此，在国内许多厂家生产的PLC调速器中，采用单片机制成的测频专用模块作为PLC模块的输入。8051单片机制成的测频专用模块PLC模块2.2机组频率测量单元33第三十三页，共78页。高档PLC有专用的扩展高速计数模块，计数频率可达500kHz~1MHz以上，能够满足对机组频率测量的分辨率要求。如奥地利贝加莱B&R公司生产的可编程计算机控制器PCC内部具有32位4MHz的高速计数器，通过专门的时间处理单元TPU进行编程处理，就可以实现对机组频率和电网频率的测量。PCC频率测量硬件原理图2.2机组频率测量单元34第三十四页，共78页。

调节单元是微机调速器的核心，其控制策略在很大程度上决定着调速器的控制性能。尽管现有微机调速器型式多种多样，但就其调节规律而言，大都是在基本PID调节规律基础上加以改进或变化而成。（1）基本数字PID算法连续PID计算公式方块图：传递函数：数字PID计算公式式中：式中：T为采样周期；n为当前采样时刻，n-1为上次采样时刻。2.3PID调节单元35第三十五页，共78页。位置型数字PID算法

式中：增量型数字PID算法式中：n-2为上上次采样时刻。（2）微机调速器PID控制算法在现代水轮机调节中，调速器不仅要具备有差调节特性与频率调节作用，而且还设置了开度调节、功率调节、水位调节、以及人工死区等功能，下面以具有开度调节功能的调节器来说明调速器的PID控制算法，右图所示。2.3PID调节单元36第三十六页，共78页。对频率偏差的传递函数：对开度给定的传递函数：频率偏差与开度给定同时作用时的调节器输出PID调节器位置型控制算法PID调节器增量型控制算法用放大执行元件输出的采样值代替放大执行元件自动完成2.3PID调节单元37第三十七页，共78页。位置型PID“调节器”+“电液随动系统”2.3PID调节单元38第三十八页，共78页。增量型PID由电机自动完成“调节器”+“机液随动系统”2.3PID调节单元39第三十九页，共78页。（1）频率调节（FM）模式（2）开度调节（YM）模式（3）功率调节（PM）模式取较小Kp、Ki值，Kd取适当值。Ef按一次调频要求。取较大Kp、Ki值，Kd一般取零。Ey保证开度闭环稳定。取适当Kp、Ki值，Kd一般取零。Ep保证功率闭环稳定。2.4闭环调节模式40第四十页，共78页。（4）调节模式的切换a.空载运行状态，用“频率调节”模式;b.并网运行状态，人为设置“开度调节”或“功率调节”模式。当功率反馈故障时，禁止进入“功率调节”模式；c.小网运行状态，联络开关跳开时即孤网运行状态，用“频率调节”模式;实际上，频率闭环一直存在。只不过当在大网运行时，单个机组对电网频率影响甚微，相当于频率反馈不起作用，频差作为调速器的输入，机组功率作为输出，就是机组的一次调频作用。2.4闭环调节模式41第四十一页，共78页。主程序流程图早期的调速器一般只具有调速即频率调节功能，复杂的机组控制任务由上一级的自动装置或运行人员通过操作调速器来完成，调速器只是作为一个操作机构。而现在的微机调速器可接受简单的外部指令就可完成一系列的自动操作过程。2.4闭环调节模式42第四十二页，共78页。（1）MCU微机调速器该调速器以飞利浦微控制器MCU为核心，微机调节器采用芯片级电路整体结构优化设计，除开关电源外，微机调节器仅有主控和显示两块电路板，内部基本上取消转接线，仅有对外接线端子，因而其整体具有很高的可靠性和抗干扰能力，工作性能十分稳定。2.5微机调节器硬件配置43第四十三页，共78页。2.5微机调节器硬件配置44第四十四页，共78页。第四十五页，共78页。（2）PLC微机调速器根据电/机或电/液转换元件的不同，其硬件系统配置主要有两种型式。一种是调节器为模拟量输出，即配置模拟量输出模块，调节器输出为模拟量（对应于接力器的开度），其伺服系统为电液随动系统。上图所示。2.5微机调节器硬件配置46第四十六页，共78页。另一种是开关量输出，即调节器硬件系统不配置模拟量输出模块，这种型式有的微机调速器配置定位模块（FX2N-1PG）输出控制信号，有的用开关量直接输出控制信号。但无论是开关量直接输出还是用定位模块输出，都是用来控制步进式电液转换器或交流伺服电机的驱动信号，也就是调节器输出的数字量（增量）经驱动电源后控制步进式数液伺服系统或交流电机伺服系统。右图——双可编程微机调节器硬件控制系统原理框图（开关量输出）。2.5微机调节器硬件配置47第四十七页，共78页。第四十八页，共78页。2.5微机调节器硬件配置49第四十九页，共78页。2.5微机调节器硬件配置50第五十页，共78页。2.5微机调节器硬件配置51第五十一页，共78页。2.5微机调节器硬件配置52第五十二页，共78页。2.5微机调节器硬件配置53第五十三页，共78页。2.5微机调节器硬件配置54第五十四页，共78页。（3）PCC微机调速器大部分PLC均是采用单任务操作系统，而PCC已经采用了多任务操作系统；更重要一点是，PCC带有专门的时间处理单元（TPU），为实现微机调速器的机内高速、高精度测频带来了方便。近些年来，PCC开始大量在水轮机微机调速器中得到了应用。这里以B&R公司的2003系列可编程计算机控制器为例，介绍PCC调速器的硬件构成。基于PCC的调速器硬件系统配置图2.5微机调节器硬件配置55第五十五页，共78页。2.5微机调节器硬件配置56第五十六页，共78页。第五十七页，共78页。第五十八页，共78页。第五十九页，共78页。第六十页，共78页。第六十一页，共78页。南瑞电气控制公司SAFR-2000水轮机调速器电气柜32位MC68332研华的一体化工控机（IPC）作为显示终端第六十二页，共78页。南瑞电气控制公司SAFR-2000水轮机调速器机械柜（比例阀）第六十三页，共78页。3.1概述

3.2AGC数学建模3.3水电厂数学建模

3.4机组调节系统建模

3.5机组一次调频建模

3系统数学建模64第六十四页，共78页。3.1概述近年来我国电力系统容量不断增大、结构日益复杂，逐渐形成了全国性的互联电网，从而使电网的安全稳定运行控制变得十分困难，一旦发生事故难以用传统的分析方法预测。处于电力生产的安全性及重要性考虑，利用实际电网运行环境进行实验一般受到严格限制。因此，必须完善现有电力系统数字仿真技术，使其在电力系统设计、运行管理及事故预防等方面充分发挥指导作用，以应对快速发展变化电力系统的需求。根究仿真的目的及精度不同，在系统建模或算法等方面采取相应的措施，因而电力系统数学模型往往是针对某一情况下的简化的模型。目前，电力系统仿真按照动态过程周期的长短可分为：电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真等三种。目前国内常用的电磁暂态仿真程序有：EMTP/EMTPE、EMTDC/PSCAD等。机电暂态仿真程序是电力系统综合程序PSASP和中国版BPA电力系统分析程序。主要的长过程动态稳定计算程序主要有:美国电力科学研究院的LTSP程序、美国通用电气公司和日本东京电力公司共同开发的EXTAB程序。第六十五页，共78页。3.2AGC数学