调速器培训课件

水轮机微机调速器

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图1：水轮机调节系统结构图水轮发电机组转动部分的运动方程为：

式中：J——机组转动部分的惯性矩（kg·m2）；——机组转动角速度（rad/s）；n——机组转动速度r/min）；Mt——水轮机转矩（N·m）；Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。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(频率)保持恒值的条件是，即要求，否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速(频率)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转速的传递系数(())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。一.水轮机调节的基本概念水轮机转矩

式中：Q——通过水轮机的流量（m3/s）；H——水轮机净水头（m）；η——水轮机效率；——水的密度g/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），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水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统开环系统: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(Openloopsystem)。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的。闭环系统:从图1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(Damplyoscillation)现象。一.水轮机调节的基本概念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）。

调节系统的静态又称为稳定状态:稳定状态(steadystate)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。

调节系统的动态又称为瞬态: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。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，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.

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系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系统实现的。

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/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。

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。IEC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).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：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).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水流惯性时间常数Tw表达式为： 式中：A——每段过水管道的截面积（m2）；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，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。一.水轮机调节的基本概念2).机械惯性：

机组惯性时间常数(Unitinertiatimeconstant,unitaccelerationconstant)是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。式中：—额定转速时机组的惯性矩（kg·m2）；Mr—机组额定转矩（N·m）；GD2—机组飞轮力矩（kN·m2）；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）。(1).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上升额定转速nr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95%的时间为3Ta，至机组转速到达变化差值98%的时间为4Ta；例如，Ta=10s，则转速到达变化差值95%的时间t0.95≈30s，到达变化差值98%的时间t0.98≈40s。(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统容易产生振荡和超调。(3).机组惯性时间常数Ta也可以用下式表示：

式中：GD2——机组飞轮力矩T·m2；其余参数单位同上。(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(Loadinertiatimeconstant)-由电网引起的动量矩与额定转矩之比。Tb，[s]。机组惯性时间常数Ta表达式为：

式中：——额定转速时机组的惯性矩（kg·m2）；Mr——机组额定转矩（N·m）；GD2——机组飞轮力矩kN·m2）；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。也可以用下式表示:

式中：GD2——机组飞轮力矩T·m2）；其余参数单位同上.一.水轮机调节的基本概念一.水轮机调节的基本概念3).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:

(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、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求是有很大差异的；(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；(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，在不同的工况下，对水轮机调速器的要求也是相差很大的。一.水轮机调节的基本概念4).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,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，并且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。比例操作—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（50Hz）的偏差。例如：机组频率若为51Hz和54Hz，虽然它们均大于50Hz，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。超前操作—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）向额定值回复的速度。例如：当机组频率由54Hz以较快的速度下降到51Hz时，虽然它仍然大于50Hz，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（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“提前刹车”。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（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governor: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。

机械液压调速器mechanicalhydraulicgovernor: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放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。

电(气)液(压)调速器electric-hydraulicgovernor: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、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调速器。

微机调速器micro-computerbasedgovernor:以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。一.水轮机调节的基本概念

双调整调速器doubleregulatinggovernor:实现转桨式[冲击式]水轮机导叶[喷针]及转轮叶片[折向器/偏流器]双重调整的调速器。

通流式调速器governorwithoutpressuretank,throughflowtypegovernor:由油泵直接向水轮机控制系统供油的调速器。

压力罐式调速器governorwithpressuretank:由压力罐向水轮机控制系统供油的调速器。

操作器positionoperator,gateoperator: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。

电子负荷调节器electronicloadcontroller:利用电子电路组成的能耗式调速器。

电动机调速器governorwithmotordrivengateoperator:用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速器。

油压装置oilpressuresupplyunit: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几种常见的控制系统：双比例伺服阀系统交流伺服电机自复中系统步进电机伺服缸系统比例伺服阀＋自复中系统双比例伺服阀(FC阀)＋机械手动/自复中系统双比例伺服阀＋机械手动/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

一.水轮机调节的基本概念1).水轮机微机调速器的工作状态工作状态转换：微机调速器工作状态转换图一.水轮机调节的基本概念2).运行方式：自动/手动(1).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视和操作等，都是由微机调节器自动实现或完成的。在调速器总体结构中，其机械液压系统，不论是前面讨论的“电液随动系统”，还是“电液执行机构”，都是根据微机调节器程序运算结果，通过电/机转换装置，最终实现主接力器行程Yga对微机调节器中YPID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”和不起作用的状态。一.水轮机调节的基本概念2).运行方式：自动/手动(2).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PLC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：①实时读入导叶接力器实际行程所对应的yf值，并使PID运算中的开度给定yc=yf，从而使结构框图的积分输入项为零值。②根据yc=yf，对PID调节程序中的有关量赋以合适的值，此时YPID值与实际的yf值相当。

一.水轮机调节的基本概念2).运行方式：自动/手动(2).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制机构开启至最大开度。有的微机调节器具备的上电跟踪功能，也是基于上述原理设计的：当重新接通微机调节器电源时，微机调节器在一段时间内（例如，1s）不对电液随动系统进行控制；在这段时间内，它读入接力器实际行程值，并做上述手动跟踪时类似的处理；到达所设置的时间后，微机调节器投入工作。一.水轮机调节的基本概念3).故障诊断：从20世纪90年代初开始，PLC水轮机微机调速器就具备下列故障诊断功能:①机组频率、电网频率的故障诊断和抗干扰措施；②导叶和桨叶主接力器反馈装置故障（例如，反馈电位器断线等）的检测与处理；③机组功率变送器、电站水头变送器故障诊断及处理。二.频率测量1.频率测量原理测周法的基本原理

图中被测机组频率信号为f1，经过放大整形和二分频（实际工程中，有时还采用四分频、八分频）得到图示的f3方波信号：经过分频后，f3信号为1的半周时间和为0的半周时间是相等的。在实际应用中可以采用硬件分频的方法，也可以采用软件分频的方法；f3方波信号为1的半周期时间正好是被测信号f1的周期T。

2.水轮机微机调速器对频率测量环节的要求1).若采用机组机端电压互感器电压（俗称“残压”）作为测频信号，则有以下要求：

正常测量有效值电压范围：0.3～160V。

可测出频率范围：5～90Hz。2).若采用齿盘测速头信号，则有以下要求：

正常测量电磁头脉冲峰值：4.5～24V。

可测出频率范围：0.5～90Hz。

测量精度：≤0.005Hz。

测频响应周期：40～80ms。二.频率测量二.频率测量3.基于80C51FA单片机的频率测量二.频率测量3.基于80C51FA单片机的频率测量机组频率信号经放大整形后变成方波信号，再送到80C51FAp1.3引脚——PCA定时/计数模块0；同时该方波信号经单稳态触发器作为故障检测信号，送到引脚p1.0。当机组频率信号的有效值大于0.2V时，图3-5所示a点能得到与之对应的方波信号，此时p1.0引脚信号为高电平；当机组频率信号不正常时，a点无方波信号，单稳触发器延时后，p1.0引脚成为低电平；因而，p1.0引脚上电平的高/低可作为机组频率信号正常与不正常的判断依据。

二.频率测量3.基于80C51FA单片机的频率测量

将a点和b点信号均设置成上升沿触发中断和捕陷，如图所示。对于机组频率信号，可得两次上升沿对应的N1和N3计数值；对于网频信号，可得两次上升沿对应的N2和N4计数值。显然，若记：二.频率测量3.基于80C51FA单片机的频率测量若取图示的CLOCK信号为Fosc/4=3×106Hz，则当机组频率fg=50Hz时，Tg=0.02s，Ng=60000；若记测得的单片机内的机组频率为Fg、电网频率为Fn，取第二章中频率转换系数Kf=25000，则其计算公式如下：二.频率测量3.基于80C51FA单片机的频率测量

频率测量异常（干扰）值滤波处理。鉴于水轮发电机组具有惯性，故在两次采集和计算机组频率Fg、电网频率Fn和频差F时，其差值不应大于某一数值：测频采样周期为40ms（机组频率为50Hz）时，可以认为机组频率在40ms间隔内，数值变化不可能大于0.3Hz（单片机内的计算结果相对值为）；如果在测量中出现两次相邻测量值的差值超差，则可认为此值是受干扰而引起的异常值。图示的程序框图是一种处理这一异常（干扰）值的方法。

三.电/机转换装置

1、概述电/机转换装置是电－机转换器和电－液转换器的总称，前者将微机调节器送来的电气信号，转换、放大成具有一定驱动力的机械位移输出，后者则把微机调节器送来的电气信号转换、放大为相应的液压流量控制信号输出。电/机转换装置一般与主配压阀相接口，电－机转换器与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合，电－液转换器则与带辅助接力器的液压控制型主配压阀接口。三.电/机转换装置

1、概述GB/T9652.1-2007对电－液和电－机转换器的要求:1).在符合规定的使用条件下，应能正确、可靠工作。2).电液转换器的死区，油压漂移和放大系数实测偏差及油耗量不超过设计规定值。工作范围不得小于设计规定值。在压力油入口前，应设在线滤油器。3).电－机转换器的操作力和行程应不小于设计值。4).设置的转换器在电源消失时应有回中功能；如无此功能，应采取措施，使接力器保持某一稳定位置。在稳定状态，其电源消失时接力器行程变化不得超过全行程的±1％。三.电/机转换装置

1、概述对电/机转换装置的主要技术要求在苻合规定的使用条件下，电/机转换装置应能正确、可靠地工作；要求电/机转换装置死区小、截止频率高、放大系数稳定、油压和温度漂移小；在可能的条件下，应加大其驱动力，降低电/机转换装置对油质的要求，最好具有方便的手动操作机构。当电/机转换装置电源消失时，对于电－机转换器来说，最好应具有使电/机转换装置恢复至中间平衡位置的功能，而电－液转换器则最好应与相应主配压阀活塞机械反馈一起使被控制的主配压阀复中，从而实现电源消失时接力器基本保持在掉电前的位置。这既提高了调速器的可靠性，也符合我国的运行习惯和要求。三.电/机转换装置

2、比例伺服阀

比例伺服阀是电－液转换器，它是一种电气控制的引导阀，在大型和特大型数字式调速器中得到广泛的应用，由比例伺服阀作为电－液转换器组成的数字式电液调速器在电站的试验运行结果表明，水轮机调节系统具有优秀的静态和动态性能。比例伺服阀的功能是把微机调节器输出的电气控制信号转换为与其成比例的流量输出信号，用于控制带辅助接力器（液压控制型）的主配压阀。三.电/机转换装置

3、自复中伺服电机

交流伺服电机自复中装置是电－机转换器，它是一种新型的把交流伺服电机的旋转运动转换成机械直线位移的转换器，用于控制带引导阀（位移控制型）的主配压阀。

交流伺服电机自复中机构三.电/机转换装置

4、步进电机液压伺服装置步进电机液压伺服装置是一种电－机转换器，它适合与机械位移型主配压阀接口。它是一种新型的步进式、螺纹伺服、液压放大式的电－机转换器

步进电机液压伺服装置结构图三.电/机转换装置

5、脉冲阀

座阀式电磁换向阀是一种二位三通型方向控制阀，它在液压系统中大多作为先导控制阀使用。座阀式电磁换向阀采用钢球与阀座的接触密封，所以也称为电磁换向球阀，避免了滑阀式换向阀的内部泄漏。座阀式电磁换向阀在工作过程中受液流作用力影响小，不易产生径向卡紧。故动作可靠，且在高油压下也可正常使用；换向速度也比一般电磁换向滑阀快。四.主配压阀

主配压阀是调速器机械液压系统的功率级液压放大器，它将电/机转换装置机械位移或液压控制信号放大成相应方向的、其成比例的、满足接力器流量要求的液压信号，控制接力器的开启或关闭。主配压阀的主要结构有两种：带引导阀的机械位移控制型和带辅助接力器的机械液压控制型。对于带辅助接力器液压输入的主配压阀，必需设置主配压阀活塞至电/机转换装置的电气或机械反馈。

在主配压阀上整定接力器的最短关闭和开启时间的原理有两种：基于限制主配压阀活塞最大行程的方式和基于在主配压阀关闭和开启排油腔进行节流的方式。大型调速器一般采用限制主配压阀最大行程的原理来整定接力器的最短关闭和开启时间。对于要求有两段关机特性的，在主配压阀上整定的是快速区间的关机速率，慢速区间的关机速率设置，在分段关闭装置上实现。五.两段关闭装置及事故配压阀在水电站的工程实际中，由于其水工结构、引水管道、机组转动惯量等因素的影响，经过调节保证计算，要求调速器的接力器在紧急关闭时有导叶分段（一般为两段）关闭特性。即在导叶紧急关闭过程中，要求按拐点区分成关闭速度不同的两段（或多段）关