水轮机调速器基本知识讲解

1、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v一一.现状v二二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调 速器的要求v三三.发展趋势v四四.国内外调速器概述v五.科研开发工作建议一一.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

2、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 况一一.现 状 2.我国数字式电液调速器概况 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v 微机调节器 频率测量v 残压测频、齿盘测频v 控制器自身高速计数测频v 测频精度、采样周期v可靠性v 微机调节器 控制器v 可编程控制器（PLC）v 工业控制计算机（IPC）v 可编程计算机控制器（PCC）2.我国数字式电液调速器概况v 微机调节器 选择控制器的主要因素v 可靠性v 精度（16位、32位CPU）v 速度（测频周期、机械液压响应速度）v

3、接口特性（开关量、模拟量、网络通讯）v 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v 微机调节器 调节控制规律v 以PID为基础的频率适应式变参数调节规律v 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v功率适应式变参数功率适应式变参数PI调节调节 tP快 积 分 (斜 率 K1)慢 积 分 (斜 率 K2)变 积 分 (指 数 规 律 )区 间 区 间 外 部 功 率 给 定内 部 功 率 给 定v 微机调节器 双机冗余结构v 双机整机（单元级）冗余v 双机交叉（模块级）冗余 2.我国数字式电液调速器概况v 微机调节器 双机交叉

4、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类型注释控制器控制器频率测量模块F模块FAFB开关量输入模块DI模块DIADIB开关量输出模块DO模块DOADOB模拟量输入模块AI模块AIAAIB模拟量输出模块AO模块AOAAOB

5、通信模块C模块CACB 微机调节器 双机交叉交叉冗余结构v电机转换器 电液转换器：控制液压控制型主配压阀v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v交流伺服电机自复中/控制阀v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v电机转换器电机转换器 电液转换器：控制液压控制型主配压阀v 交流伺服电机自复中v 电液转换器2.我国数字式电液调速器概况v电机转换器电机转换器电机转换器：控制位移控制型主配压阀v 交流伺服电机自复中机构v 步进电机液压伺服缸2.我国数字式电液调速器概况v电机转换器电机转换器电机转换器v 交流伺服电机v

6、自复中机构交流伺服电机自复中机构复中弹簧滚珠丝杠滚珠螺母联轴套输出轴手动手柄伺服电机 2.我国数字式电液调速器概况v电机转换器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v 电机转换器电机转换器 机电转换器v 角位移传感器v 直线位移传感器v 旋转编码器2.我国数字式电液调速器概况v机械液压系

7、统机械液压系统 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v 机械液压系统机械液压系统 主配压阀（FC阀）控制腔阀体恒压腔BPA位移传感器开机时间调节螺栓关方向恒压腔阀体恒压活塞中间阀体至滤油器压力油孔至控制腔油孔控制腔主活塞供压力油TT回油回油主衬套关机时间调节螺栓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采用比例伺服阀调速器甩100%负荷试验结果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。v 2.我国数字式电液调速器概

8、况v机械液压系统机械液压系统 分段关闭系统接力器主配压阀事故配压阀分段关闭阀控制阀PTAB关闭节流块弹簧体活塞调节螺栓关机液流方向关机液流方向A孔B孔上盖2.我国数字式电液调速器概况v 机械液压系统机械液压系统 分段关闭阀水轮机控制系统仿真决策支持系统 三三.发展趋势v定性分析v比较分析v辅助决策支持v现场试验验证主配压阀事故配压阀接力器事故停机电磁阀控制阀APT过速检测2.我国数字式电液调速器概况v 机械液压系统机械液压系统 事故配压阀v机械液压系统机械液压系统 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

9、）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v 典型调速器系统框图典型调速器系统框图2.我国数字式电液调速器概况v 典型调速器微机调节器框图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v典型调速器机械液压系统框图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二二. 现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求v新发展新发展 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

10、（AGC） 3）电网、水电机组运行可靠性大幅度提高二二.现代电网、水电厂的新发展及对水轮机调速器的要求v新要求新要求 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v国家电力调度通讯中心关于电网一次调频对水电机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组调速系统的主要技术要求v（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

11、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电网二次调频对水电机组调速系统的主要技术要求：主要技术要求：v机组功率单调、快速趋近目标功率机组功率单调、快速趋近目标功率v与水电厂（电网）与水电厂（电网）AGC系统完善接口系统完善接口二二.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）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

12、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）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）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）三三.发展趋势v调节规律调节规律 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三三.发展趋势v满足电网负荷频率控制（满足电网负荷频率控制（LFC）要求）要求。 电网一次调频 电网二次调频三三.发展趋势v调节规律调节规律 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v 控制规律控制规

13、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三三.发展趋势三三.发展趋势v系统集成系统集成 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v系统集成系统集成 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）三三.发展趋势v通信接口通信接口 高可靠性 不同通信规约的适应性v全数字式水轮机微机调速器全数字式水轮机微机调速器 调节回路中无模拟

14、信号传输 测量、传感、变送、执行三三.发展趋势v 辅助功能辅助功能 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三三.发展趋势水轮机控制系统仿真决策支持系统三三.发展趋势 空载频率波动空载频率波动 仿真仿真 三三.发展趋势空载扰动波动空载扰动波动 仿真仿真 三三.发展趋势甩负荷过程甩负荷过程 仿真仿真 三三.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）四四.国内外微机调速器概述 1. 概概 述述v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

15、国水轮机调节领域的新的篇章；v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。v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。四四.国内外微机调速器概述2. 总总 体体 评评 价价v20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

16、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。四四.国内外微机调速器概述3. 调节及控制规律调节及控制规律适应不同机组工况的变参数PID调节规律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 四四.国内外微机调速器概述4. 微机调节器微机调节器v硬件硬件 国外调速器国外调速器v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；v控制器生产批量不大，备品备件必需依赖原生产厂家

17、，升级换代困难；可靠性高。四四.国内外微机调速器概述4.微机调节器微机调节器v 硬件硬件 国内调速器国内调速器 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。四四.国内外微机调速器概述4.微机调节器微机调节器v软件软件 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。国外调速器国外调速器 调速器用户程序受知

18、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；四四.国内外微机调速器概述v软件软件国内调速器国内调速器 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。四四.国内外微机调速器概述4.微机调节器微机调节器国外调速器国外调速器 多采用比例伺服阀或电液转换器，比例伺服阀静

19、态、动态性能优秀。国内调速器国内调速器 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。四四.国内外微机调速器概述5. 电电/ /机转换器机转换器6. 机械液压系统结构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。四四.国内外微机调速器概述7.售后服务及备品备件售后服务及备品备件v国外调速器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

20、的可能。四四.国内外微机调速器概述v国内调速器国内调速器 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四四.国内外微机调速器概述7. 售后服务及备品备件售后服务及备品备件8. 实例实例v1). 比例阀式v单微机机单比例阀单微机机单比例阀8. 实例实例 单比例阀双调机械液压系统图单比例阀双调机械液压系统图8. 实例实例v双微机机单比例阀双微机机单比例阀8. 实例实例v双微机机双比例阀双微机机双比例阀8. 实例实例v2).交流伺服电机自复中v单微机自复中单微机自复中8. 实例实例v双微机自复中双微机自复中8. 实例实例v自复中双调自复中双调