三联水电水轮机数字调速器（培训教材）武汉三联水电控制设备有限公司2004年10月15日目 录第一章 水轮机调节的基本任务3一、水轮机调节系统的结构4二、水轮机调节系统的特点4第二章 水轮机调速系统的标准和特性7一、水轮机调速系统的标准7二、水轮机调速系统的特性8三、水轮机调速器的动态特征9四、水轮机调节系统的动态特性13第三章 水轮机调速器的控制算法15一、PID控制算法15二、桨叶控制器18第四章 水轮机微机调速器的硬件23第五章 水轮机微机调速器的形式27一、调速器的发展27二、调速器的分类28三、冗余式可编程调速器29第六章 水轮机微机调速器的功能和运行34一、参数可调范围35二、功能要求36三、软件49第七章 水轮机微机调速器的机械液压执行机构58一、比例伺服阀数字阀机械开限/纯手动组成机械冗余结构58二、步进式机械液压系统59第八章 水轮机微机调速器的故障处理63一、空载频率摆动63二、负载漂移63三、接力器抖动64四、切换故障65五、甩负荷65六、与水头有关的故障66七、自检66第一章 水轮机调节的基本任务水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹），大电网允许的频率偏差为0.2Hz。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其容量的510；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的23。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动。因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，他与电站那二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。水轮发电机组转动部分的运动方程为：Jd/dt=Mt-Mg式中：J机组转动部分的惯性矩（kg）；n/30机组转动角速度（rad/s）；n机组转动速度（r/min）；Mt水轮机转矩（Nm）；Mg发电机负荷阻力矩（负载转矩）（Nm）。上式表明，保持机组转速（频率）为恒值的条件是d/dt0，即要求MtMg，否则就会导致机组转速（频率）偏离额定值，从而出现转速（频率）偏差。水轮机转矩MtQHt /式中：Q通过水轮机的流量（m3/s）;H水轮机净水头（m）；t水轮机效率；水的密度（kg/m3）因此只有调节流量Q和效率t，才能调节水轮机转矩Mt，达到MtMg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t），使MtMg，才能使机组在一个允许的规定转速（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）偏差信号，不但地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。一、水轮机调节系统的结构水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。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称为水轮机调节系统的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定的特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合成为水轮机控制设备（系统）。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的电气控制装置和机械执行机构组成。水轮机调节系统的工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率Pg、水头H 、流量Q等反映机组运行工况的参数测量出来作为水轮机调速器的反馈信号，与给定信号闭环综合后，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。二、水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是一个自动调节系统，它具有一般闭环控制系统的共性，但是水轮机调节系统是一个复杂的非线性控制系统。水轮机型式有：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵、水轮机式等等；水轮机发电机组由多种工作状态：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。水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮机流量及其流态的，因此，即使是中小型调速器也大多要采用机械液压执行机构，且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行机构。水轮机过水管道存在这水流惯性，通常用水流惯性常熟Tw；来表述：Tw(Qr/gHr)L/A=Lv/gH式中：每段过水管道的截面积（）；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(非极小相响应)，其特点为，由于水的惯性，当改变导叶方向时，首先引起水轮机转矩在反方向作用，然后再回到与导叶运动相同的方向。对系统的动态稳定和响应特征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。水轮发电机组存在着机械惯性，可利用机组惯性时间常数Ta来表述：TaJr/Mr=GD2Nr2/3580Pr式中：Jr额定转速时机组的惯性矩（kg） Mr机组额定转矩（Nm）GD2机组飞轮力矩（kN）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。对比例积分微分（PID）型调速器，水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw不大于4s；对比例积分（PI）型调速器，水流惯性时间常数Tw不大于2.5s。水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4。反击式机组的Ta不小于4s，冲击式机组的Ta不小于2s。第二章 水轮机调速系统的标准和特性一、水轮机调速系统的标准1水轮机调速器及油压装置 型号编制方法JB/T2832-20042水轮机调速器及油压装置试 系列型谱JB/T7072-2004；3水轮机控制系统技术条件GB/T 9652.1-征求意见稿4水轮机控制系统试验验收规程GB/T 9652.2；征求意见稿5IEC60308水轮机调速系统试验国际规程；6IEC61362水轮机控制系统规范导则；导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3100S导叶接力器全开启时间调整范围为： 3100S桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10120S桨叶接力器全开启时间调整范围为： 10120S频率调整范围： 4555 Hz永态转差bp调整范围： 010%比例增益Kp调整范围： 0.520积分增益KI调整范围： 0.0510 1/s微分增益KD调整范围： 0.010 s人工失灵区调节范围： 01 .5%nr测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 %水轮机甩25%负荷后，接力器不动时间不超过： 0.2 s静特性曲线非线性度： 不超过 0.5%甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机组转速持续波动相对值不大于：0.15。从机组甩负荷时起，导机组转速相对偏差小于1为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间tM的比值，对中、低水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9。自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过+0.15%。二、水轮机调速系统的特性1. 水轮机调节系统的静态特性当给定信号恒定时，水轮机调节系统处于平衡状态，被控参量偏差相对值与接力器行程相对值的关系如图1所示，在工程实际中，有时也采用图2所示的静态特性图将图1所示的被控参量偏差值改用被控参量绝对值表示。图1和图2中：图图1 图2Fr=pmr/60额定频率Fr=50Hz；Xn=n/nr=xf机组转速的相对值；N机组转速（r/min）Nr机组额定转速（r/min）P发电机极对数Y=Y/YM接力器行程相对值Y接力器行程（M）YM接力器最大行程（M）11 永态差值系数 （1）永态差值系数bp 在图1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，取某一规定点（例如，图示中的A点），过该点作一切线，其切线斜率的负数就是该点的永态差值系数： bp=-dxr/dy (1-1_) 对于图2所示的静态特性曲线，其对应的值为50bpHZ（当额定功率为fr=50HZ时） （2）最大行程的永态差值系数bs在图1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，在规定的给定信号下，得出接力器在全关（y=0）和全开(y=1.0)位置的被控参量（频率、转速）的相对值之差，这个差值即为bs。显然，对于一条曲线型的静态特性线，选取不同的A点，会得到不同的bp值。但是，实践表明，对选择了合适接力器位移变送器的水轮机微机调速器来说，其静态特性十分接近于一条直线。因此，在这种情况下，如果取bs作为bp，也不会有过大的误差。12 转速死区ix给定信号恒定时，被控参量的变化不起任何调节作用的两个值间的最大区间，称为死区，当被控参量为转速时，即为转速死区ix。其在静态特性图上的表述如图3所示。图313 随动系统不准确度 随动系统中，对于所有不变的输入信号， 相应输出信号的最大变化区间的相对值，称为随动系统不准确度ia(见图4)。图4三、水轮机调速器的动态特征 1、缓冲装置特性缓冲装置将来自主接力器或中间接力器的位移信号转换成一个随时间