水轮机调节基本概念

1、水轮机调节的基本概念 和 数字式（微机）电液调速器一、水轮机调节的基本概念w1.水轮机调节系统w2.水轮机调节的任务w3.水轮机微机调速器的原理w4.静态特性w5.动态特性二、数字式（微机）电液调速器w1.微机调速器的结构w2.静态特性w3.动态特性w4.控制功能一、水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统w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n（频率f）、功率Pg、水头H、流量Q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，执行机构操纵水轮机导水机构（或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。一、水轮机调节的基本概念1.

2、水轮机调节系统w水轮机控制系统 hydraulic turbine control systems:用来检测被控参量（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的一些设备所组成的系统。w被控制系统 controlled system: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、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网。w水轮机调节系统 hydraulic turbine regulating system:由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统。w随动系统 servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。

3、 一、水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统w水轮机转矩式中：Q通过水轮机的流量（m3/s）；H水轮机净水头（m）； 水轮机效率； 水的密度kg/m3）。 所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q和效率 ，才能调节水轮机转矩，达到调节目的。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），使，才能使机组在一个允许的稳定转速（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）差信号，调节水轮机的导水机

4、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、水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统w水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统w开环系统:众所周知，如果系统的输出量对系统的输入 (控制)作用没有影响，则这个系统是开环系统(Open loop system)。因此，对应于一个输入(控制)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确的控制系统的。w闭环系统:从图可以看出，水轮机调节系统的输出(机组(电网)频率、机组功率等)对系统的控制作用(转速(频率)给定、机

5、组功率给定、接力器开度给定等)有着直接的影响，一般称其为反馈作用(Feedback effect)；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统(调速器)自身也是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施加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(调节)系统来说，系统的稳定性(Stability)始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制(调节)系统的动态过程及动态品质(性能)也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制(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(Damp

6、ly oscillation)现象。 一、水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统w水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统w 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：w静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。w 调节系统的静态又称为稳定状态:w稳定状态 (steady state)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。w 调节系统的动态又称为瞬态:w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状态的运动过程,就称为水

7、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；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。一、水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统闭环系统的稳定性 在扰动作用下会偏离原来的平衡状态(静态)而产生偏差，进入动态，所谓动态系统的稳定性，就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)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。水轮机调节系统是一个闭

8、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：.操作力大需要经液压放大操作接力器2.水流惯性：3.机械慢性：4.系统复杂、非线性特性一、水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务w 在水轮机数字式(微机)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(转速)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平衡，使机组频率(转速)保持在额定频率(转速)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(转速)调节器。w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。一、水

9、轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务w 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)系统、电网能量管理系统(EMS)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)是通过电网AGC系统和电厂AGC系统来控制水轮发电机组的水轮机调速器及火电组的调速系统实现的。w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、电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用。一、水轮机调节的基本概念2.水

10、轮机调节的任务w因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水轮机调节”来描述了，它除了具有调节水轮发电机组频率(转速)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(TBC)等附加的控制功能。wIEC关于水轮机调速器的技术规范导则(IEC61362(1998)和试验(IEC60308(2005)中对水轮机调速器都是用“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国家标准(技术条件和试验)已经修订，也将主题词“水轮机调速器与油压装置”改为“水轮机控制系统”。一、水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务w1). 水轮机调速器作为被

11、控制的水轮发电机组或其并入电网的频率调节器：w (1). 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w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，使被控机组能尽快同期、并入电网运行；w (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：w . 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；w . 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被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；w . 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载状态运行；一、水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务w2). 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