第6、7章水轮机调节基本概念和微机调速器

重庆市水利电力学院电气工程系水轮机调节主讲教师：：：

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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器三. 微机调节器四. 机械 系统五.微机调速器故障分析及对策六. 我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势七. 思考题2一. 水轮机调节的基本概念水轮机调节的任务水轮机调节系统水轮机调节系统的动态和静态特性31.水轮机调节的任务维持机组转速在额定转速附近，满足电网一次调频要求；完成调度下达的功率指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制任务；执行计算机

系统的调节及控制指令。42.水轮机调节系统系统结构：图1-1

水轮机调节系统的结构图5系统特点：操作力大——需要经放大操作接力器水流惯性：机械惯性：系统复杂、非线性特性手动水轮机调节比例操作超前操作积分操作ghTw

lvGD2

n

2Ta

r

3580

pr63.水轮机数字式（微机）调速器/数字式（微机）电液调速器机械

/电气缓冲式PID结构图1-2

电气调速器(PID)结构图7PID结构：图1-3

微机调速器结构图8水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T9652.21997技术标准GB/T9652.1

1997静态特性水轮机调节系统静态特性水轮机调节系统静态特性静态特性：bp9(bs

)图1-6

转速死区ix(bs

)永态差值系数：bp静速死区：ix水轮机调节系统的静态和动态特性10图1-7

随动系统确度iaia01.0

y2(输出)·

·ia水轮机调节系统的静态和动态特性随动系统

确度

：y1(输入)11水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T

9652.1—1997主要静态特性指标调速器类型项目大

型中

型小

型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区/%ix≤0.04（0.02）≤0.10≤0.08（0.06）≤0.15≤0.10≤0.18≤0.20轮叶随动系统确度/ia%≤1.5／bp整定范围bp=0~bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%12动态特性调速器PID特性：阶跃输入响应特性：图1-8

PID调节器的阶跃输入响应特性1s13y

(s)

kDs]

[kP

kIPIDF

(s)1

k

s y

(s)Ds

1

T1v

s

[kP

kI

]PIDF(s)水轮机调节系统的静态和动态特性水轮机调节系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=bt×Td速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。xI1.0

t

d

100bt

Td

100Tx

100K

It1.0Kt

10

10b

T

10Tx0.01

x0.114I

x0.5

t

d15

K

I

Tx

K

t

5bT

5T

t0.1

x0.1

bt

Tdx0.1水轮机调节系统的静态和动态特性接力器响应时间常数Ty图1-9

接力器响应时间常数Ty15图1-10

随动系统对单位阶跃输入的响应特性水轮机调节系统的静态和动态特性调速器前向通道放大倍数的整定16水轮机调节系统的静态和动态特性曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数，有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应特性具有3%～5%的超调量。IEC

61362标准

：导叶接力器Ty=0.1～0.25s；桨叶接力器Ty=0.2～0.8s；冲击式折向器Ty=0.1～0.15s。在我国一般

：导叶接力器Ty=0.1～0.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的2～3倍。17水轮机调节系统的静态和动态特性调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标

①手动空载工况（发电机励磁在自动方式下工作）运行时，水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超过0.2%；对中、小型和特小型调速器来说均不得超过0.3%。当调速器控制水轮发电机组在空载工况自动运行时，在选择调速器运行参数时，待稳定后所记录3min内的转速摆动值应满足下列要求：

对于大型电气

对于大型机械调速器，不超过0.15%；调速器和中、小型调速器，不超过0.25%；

对于特小型调速器，不超过0.3%。②如果机组手动空载时的转速摆动相对值大于规定值（见上），那么其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值。18水轮机调节系统的静态和动态特性机组甩负荷后应保证的动态品质①甩100%额定负荷后：

在转速变化过程中，超过3%额定转速以上的波峰不超过两个；GB/T

9652.1—1997规定：从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过0.5%为止所经历的时间应不大于40s。IEC

61362《水轮机控制系统技术规范导则》规定：在甩负荷中，若记从甩负荷开始至出现最大转速上升值为止的时间为tM，记从甩负荷开始到机组转速摆动值不超过1.0%为止的时间为tE，则tE/tM的值为2.5～4.0（8.0）（对于冲击式机组）和15（对于高水头混流式机组）。②转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间：对于电气对于机械调速器，不大于0.2s；调速器，不大于0.3s。19水轮机调节系统的静态和动态特性不动时间试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)20水轮机调节系统的静态和动态特性开机过程录波(公伯峡电站300MW现场试验曲线)21水轮机调节系统的静态和动态特性空载摆动试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)22水轮机调节系统的静态和动态特性甩100%负荷试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)23水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T

9652.1—1997对调速器主要动态参数要求24参数btTd/sTn/sKPKI/s–1KD/s最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值数值≤0.05≥0.80≤2.00≥20.000.00≥2.00≤0.30≥20.00≤0.50≥10.000.00≥5.00水轮机调节系统的静态和动态特性25技术标准对Ta和Tw的规定：

水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw：对于PID型调速器，不大于4s；对于PI型调速器，不大于2.5s；

机组惯性时间常数Ta：对于反击式机组，不小于4s；对于冲击式机组，不小于2s。

比值Tw/Ta不大于0.4。二.水轮机数字式（微机）电液调速器水轮机微机调速器的结构静态特性动态特性控制功能26二.水轮机数字式（微机）电液调速器双比例伺服阀系统原理框图27二.水轮机数字式（微机）电液调速器交流伺服电机自复中系统原理框图28二.水轮机数字式（微机）电液调速器步进电机伺服缸系统原理框图29二.水轮机数字式（微机）电液调速器比例伺服阀＋自复中系统原理框图30二.水轮机数字式（微机）电液调速器1.水轮机微机调速器的结构微机调节器、电/机转换装置、机械 系统图2-1

PLC水轮机微机调速器的总体框图3132二.水轮机数字式（微机）电液调速器典型结构步进电机（速度环）电液转换器/机械随动系统型步进电机电液转换器/机械随动系统型调速器框图33步进电机电液转换器/机械随动系统型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器34交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型：交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器框图二.水轮机数字式（微机）电液调速器35交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器36二.水轮机数字式（微机）电液调速器37微机调速器自动调节部分框图二.水轮机数字式（微机）电液调速器F=0，F=F–Ef，F=F+Ef，当–Ef≤F≤Ef

时当

Ef＜F时当F＜–Ef

时Ef人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：ΔFΔF–Ef038二.水轮机数字式（微机）电液调速器39人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为0～0.5Hz在频率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即Ef=0～250

Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在“频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在“开度调节”和“功率调节”模式下时，设定

Ef=0.033Hz。永态差值环节和人工死区：三种调节模式：人工开度/功率死区环节特性调节模式间的转换关系二.水轮机数字式（微机）电液调速器401.水轮机微机调速器的基本调节模式二.水轮机数字式（微机）电液调速器412.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度):I

f

bp

(y)

f

bp

(

yc

yPID

)＝0I

fc

fg

bp

(

yc

yPID

)＝0f

fnf

fc2.静态特性43永态差值系数bp/ep

bp是指导叶接力器行程永态差值系数，用于“频率调节”和“开度调节”模式；ep是指机组功率的永态差值系数；部分调速器往往只引入bp的概念，即在“功率调节”模式下，也采用永态差值系数bp。2.静态特性44稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）:I

f

ep

(

pc

pg

)＝0I

fc

fg

ep

(

pc

pg

)＝02.静态特性静态特性主要参数和变量频率给定fc功率给定Pc开度给定yc频率fg开度y永态差值系数bp452.静态特性46频率给定

fc

是接力器开度

yPID

等于接力器开度给定

yc

时的

机组频率

fg

；I

fc

fg

bp

(

yc

yPID

)＝0接力器开度给定

yc

是机组频率

fg

等于频率给定

fc时的接力器开度

yPID

；调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性2.静态特性47对静态特性的影响

fg

bp

(

yc

yPID

)＝0fc、ycI

fc2.静态特性0fg(Hz)y0.5

1.0fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04(a)51.050.049.00fg

(Hz)y0.5

1.0fc

=50.5Hz，yc=0.5，bp=0.04(b)51.550.549.50fg(Hz)y0.25

1.0fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.0448.550.550.00fg(Hz)y0.5

1.0fc=50Hz，yc=04.58，bp=0.0250.550.049.5(c)(d)fc、fg、yc、y、bp

的关系：微机调节器的静态特性（bp=0）2.静态特性49(a)

fg、Ef以表示的特性(b)ef以相对值表示的特性Ef起作用时微机调节器的静态特性人工频率死区：EF50和人工开度/功率死区

EF

/p2.静态特性Ey起作用时微机调节器的静态特性2.静态特性512.静态特性52Ef0、Ey0微机调节器静态特性2.静态特性53协联特性：微机调节器采用的水轮机协联曲线二.水轮机数字式（微机）电液调速器54插值节点表553.动态特性(PID传递函数表达式)

K1vK

D

S

K

I

PS

1

T

S1b

T

S1vt

dt

d

Td

Tn1

T

S(Tn

/

bt

)S

1

1F

(S)

b

TYPID

(S

)F

(S

)YPID(S)56Dt

dIt

dP1bt

TnKb

TK

b

T

Td

Tn

K3.动态特性(PID离散表达式)采样周期若要将PID调节规律用实现，则必须进行离散计算。采样周期

是离散计算过程中极为重要的一个量。由PLC（可编程控制器）或其他工业控制计算机作为硬、

主体构成的水轮机微机调速器，都是一种借助程序实现调节和控制功能的数字电子装置。可编程控制器是以巡回扫描的原理或定时处理的原理工作的。可编程控制器完整地执行一次可编程控制器系统、用户程序所占用的时间，称之为采样周期。准确地知道采样周期的数值，对于准确地应用离散PID算法来实现PID调节规律是十分重要的。573.动态特性(PID离散表达式)58比例作用—输出比例于输入，输出对输入的响应没有时间差；离散化运算放大器输出Uout(t)比例于（放大系数k）其输入Uin(t):y(t)

kx(t)Uout

(t)

kUin

(t)时与采样周期

无关。杠杆输出位移y(t)比例于（杠杆比k）其输入位移x(t):3.动态特性(PID离散表达式)59P

PF

(k

1)Y

(k

1)

K

比例作用分量YPYP

(k)

K

P

F

(k)YP

(k)

YP

(k)

YP

(k

1)P

PY

(k)

K

[F

(k)

F

(k

1)]YP

(k)

YP

(k)

YP

(k

1)3.动态特性(PID离散表达式)60积分作用—输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速汽车行驶路程s(t)是其速度v(t)的积分：ts(t)

v(t)dt0接力器位移y(t)是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移Δx(t)的积分：ty(t)

x(t)dt0变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期

有关。积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。3.动态特性(PID离散表达式)积分作用积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。tyI

(t)

KI

I

(t)dt0613.动态特性(PID离散表达式)62是采样周期；—在时刻t,曲线与横轴之间的面积；—K个矩形面积之和（）；)；—K时刻一个矩形面积；n0Kn1tyI

(t)

KI

I

(t)dtYI

(K

)

KI

I

(n)nK

1n1YI

(K

1)

KI

I

(n)i

K i

K

1YI

(K

)

KI

I

(i)

KI

I

(i)

KI

I

(K

)i1

i1YI

(K)

YI

(K

1)

YI

(K)t

K—K-1个矩形面积之和(t

(K积分分量—

3.动态特性(PID离散表达式)微分作用—输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离x(t)取极限得

dx(t)(对x求导t

dtSX(S)的原函数就是；dtdx

xt就是采样周期dt

tx

x(K

)x

x(k

)

x(k

1)t所以：散化时与采样周期

有关。；633.动态特性(PID离散表达式)1v1vF

(S)

1

T

S微分作用分量YDYD

(S)

D

式中D1vDF

(k)

F

(k

1)YD

(k)

YD

(k

1)

KY

(k)

T1

v64D1

vD[F

(k

)

F

(k

1)]K

DY

(k

1)

T1

vY

(k

)T

T

式中是采样周期，经整理得到：3.动态特性(PID离散表达式)t7[YD

(k)

8

YD

(k

1)

b0微分环节离散表达式在阶跃

F作用下的动作过程（举例）：动态特性PI响应特性：PI调节器的阶跃输入响应特性二.水轮机数字式（微机）电液调速器66PID响应特性开环增量环节的作用PID调节器的阶跃输入响应特性PID调节器的阶跃输入响应3.动态特性673.动态特性（速动时间常数Tx

）物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。几个x取值下的接力器走全行程的时间：68x

I1.0

t

dxI1.0

t

d

100T

Kt

100

100b

TKt

10

10b

T

10Tx0.01x0.13.动态特性（速动时间常数Tx

）若记t0.5和t0.1为接力器走50%和10%行程的时间，则有：69Ixt

dI

t

d

x15

Kt

b

T

T

K

t

5b

T

5T

0.1

x0.10.5

x0.13.动态特性（PID参数选择）70

1.5Tw/Ta≤bt≤3Tw/Ta3Tw≤Td≤6TwTn=(0.4—0.6)Tw式中被控机组为混流式可取较小的bt、Td、Tn初始值，为轴流式时可取bt、Td、Tn范围内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取较大的bt、Td、Tn初始值；对于同一机组，水头高时要取较大的bt、Td、Tn值。3.动态特性（PID参数选择）710.33Ta/Tw≤KP≤0.67Ta/Tw0.167KP/Tw≤KI≤0.33KP/Tw0.4Tw

KP≤KD≤0.6

Tw

KP表明:应先确定比例系数KP再据上式确定积

分系数KI和微分系数KD。KP、KI和Tw呈近

似反比的关系。KD与Tw呈近似正比的关系。3.动态特性（PID参数选择）72例如，当Ta＝10s，Tw＝1.5s时，计算可得：0.225≤

bt

≤0.45

，

4.5s≤

Td

≤9.0s

，0.6s

≤

Tn

≤0.9s，2.2≤KP

≤4.47

，0.11KP≤KI≤0.22KP，0.6KP≤KD≤0.9KP

，4.控制功能工作状态：微机调速器工作状态转换图运行方式：自动/手动故障：测频导叶反馈功率/水头变送器73三.微机调节器－机组频率测量74测量方式：高速计数模块配合中断模块测量（全可编程测频）频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3～150V)齿盘测频的非接触式接近开关（NPN型，DC24V供电）测频范围：残压测频(10～90Hz)齿盘测频：(2～90Hz)测频分辨率：±0.0015Hz三.微机调节器－机组频率测量75测量频率一般采用测量周期法（简称测周法）或测量频率法（简称测频法）。测频法是指：通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它只适合于测量处于高频段的频率信号。三.微机调节器－机组频率测量f1放大整形分频高频时钟信号

Nf2f3f4&f3FtttttNTf1f2f4TT76三.微机调节器－机组频率测量77F必然正比于被测的频率值。例如，取

N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其

T=0.02s，NT=40000；若取式中的常数

C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若被测频率为48Hz，则求得F=48000。三.微机调节器－双机交叉冗余78三.微机调节器－双机交叉冗余双机冗余（单元级冗余）全冗余双PLC调节器：CPU、输入模块、输出模块、传感器、测频单元、电源均为冗余结构，实现“主机/热备”功能。微机调节器采用两个独立的微机控制器A和B组成，通过现场总线MB+实现双机状态和数据一致；每一个微机调节器与机械 系统相配合，能独立实现全部控制功能和保证达到全部调节性能要求；当微机调节控制器A或B之一故障时，可发出故障信号并自动、无扰动地切换到正常机工作，故障机可

更换模块、检修。79三.微机调节器－双机交叉冗余80F模块（FA、FB）：频率测量模块DI模块（DIA、DIB）：开关量输入模块DO模块（DOA、DOB）：开关量输出模块AI模块（AIA、AIB）：模拟量输入模块AO模块（AOA、AOB）：模拟量输出模块C模块（CA、CB）：通信模块交叉冗余（模块级冗余）三.微机调节器－双机交叉冗余交叉冗余（模块级冗余）在不増加硬件的条件下，用通信和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。81三.微机调节器－双机交叉冗余82记模块变量为MY（X），Y表示A或B调节器，X表示6种模块类型F、DI、DO、AI、AO、C。设定模块＝1时为正常，模块＝0时故障。例如

FA＝1，表示微机调节器A的频率测量模块正常；

FA＝0表示其故障。三.微机调节器－应用首次运行初始化频率测量处理特殊模块输入/输出调用检错子程序调用协联插值子程序调用模式、状态子程序调用增加/减少子程序调用PID

调节子程序调用显示子程序调用通信子程序P××I×××中断服务程序：I×××中断服务程序中断服务程序子程序：P××检错子程序通信子程序83三.微机调节器－应用PID调节参数的整数化p

pbt

bt

/

100Td

Tdb

b

/

100t

tDt

d

t

dIt

dt

dP1

100bKb

Tb

TKb

Tn

10TnbT

K

bT

Td

Tn

100Td

10Tn11vvT

T

/

100Tn

Tn

/

10

/

10084三.微机调节器－应用P

PY

(k)

K

[F

(k)

F

(k

1)]

YP

(k)

YP

(k

1)

YP

(k)I100Y

(k

)

IIYI

(k

)

YI

(k

1)

YI

(k

)

K1

vDD1

vD[

F

(k

)F(k

1)]T

100

KY

(k

1)

T

T1vY

(k

)

100PIDcp(k

1)][Y

(k)

YbI

F

(k)

85三.微机调节器－应用例子：采样周期=0.02s(=2s)，取T1v=0.14s（T1v=14s），则式成为：1t

dI[100F

(k)

bp

(YC

(k)

YPID

(k

1))]50bT

Y

(k)

8tD

D

F k

(1)][bY

()k

7

Y k

1)(

62Tn

F

k86三.微机调节器－适应式变参数调节87国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以PID为基础的调节规律。近年来，国内外都在进行自适应控制、模糊控制等调节规律在水轮机调节中应用的仿真研究与应用探索，取得了一些初步理论结果，但尚无采用这些调节规律的数字式电液调速器在水电站试验成功的报道。鉴于水轮机调节系统的复杂性，强非线性和多运行工况，对运行工况、技术要求和运行条件适应的变参数调节，是经过实践检验并得到广泛成功运用的调节方式。三.微机调节器－适应式变参数调节88机组转速（频率）适应式变参数PID调节空载运行工况（适应运行水头）机组并入大电网运行（适应大网/小网工况和频率/功率调节模式）机组在小（孤立）电网中运行三.微机调节器－适应式变参数调节功率适应式变参数PI调节适应运行水头和功率偏差大小为了实现机组功率Pg对AGC系统下达的功率给定Pc的快速、单调，必须采用有开环增量ΔP的功率调节模式。由于机组功率Pg是机组水头H和导叶开度Y的函数，在编程时一定要使ΔP为H和Y的函数，即ΔP对H和y适应式变参数。否则，在低水头工况整定的ΔP值，将使在高水头下的功率调节出现大的超调和振荡。为了适应机组运行水头、水轮机导叶开度/机组功率和功率偏差值的不同情况，采用适应式变参数机组功率的PI调节89三.微机调节器－适应式变参数调节t90P快积分(斜率K1)慢积分(斜率K2)变积分(指数规律)区间Ⅰ区间Ⅱ外部功率给定功率给定实现机组功率快速、无超调的调节：采用不同斜率的三段调节（适应目标功率与实际功率差值大小）；斜率数值适应机组运行水头；三.微机调节器－适应式变参数调节91电气开度限制L的适应式变参数为了保证水轮发电机组合理安全运行，必须根据水轮机特性，适应机组运行水头，设定与之对应的导叶最大开度值。同上，可在微机调节器内写入Lmax（H）的节点表，由运行水头插值求得相应最大电气开度限制Lmax。三.微机调节器－适应式变参数调节适应式两段开机特性92三.微机调节器－适应式变参数调节93适应式两段开机特性调速器接到开机指令后，即通过电气开度限制L0将导叶开启至第一开机开度YKJ1（图中的A点）经过一段时间开始测量机组转速（频率），设在C点机组频率已连续2s大于45Hz，则通过电气开限

L将导叶压至第二开机开度YKJ2，调速器转入空载运行工况，由PID调节导叶至空载开度Y0对调速器主要要求适应式运行工况项

目调节规律PID参数永态插值系数bp（%）人工死区

Ef、Ep、Ey调节模式开环功率给定增量

ΔP（Δy）电气开限Lmax转速（频率）调节器；频率摆动小，便于并网空载PIDPID参数强，适应水头区域的PID变参数2～6Ef＝0Ep＝0Ey＝

0频率调节适应水头的空载开限L0（H）机组功率控制器；以快速、单调受控于水电厂AGC并入大电网带指定负荷PIPID参数弱6～8Ef＝0.2HzEp＝1%PrEy＝1%y功率

(开度)调节适应水头的特性

ΔP（H）适应水头的最大开限Lmax（H）转速调节器；受控于水电厂

AGC的机组功率控制器承担调频任务PIDPID参数弱1～2Ef＝0Ep＝0Ey＝

0频率调节适应水头的特性

ΔP（H）适应水头的最大开限Lmax（H）转速（频率）调节器并入小电网PIDPID参数强1～4Ef＝0Ep＝0Ey＝

0频率调节适应水头的特性

ΔP（H）适应水头的最大开限Lmax（H）在机组运行范围内，使机组在允许加速度范围内，机组转速快速单调到达额定值，转入空载机组开机两段开机开环程序控制适应水头的两段开机开度ykj1（H）和ykj2（H）三段闭环开机闭环机组加速度控制95三.微机调节器－网络/通讯调速器系统采用MB+通讯的网络连接。MB+作为一个判定性令牌传递网络，以一个兆波特的速率进行通讯，快速的存取过程数据。调速器实现信息传输的网络化，所有的控制器件包括微机调节器A、微机调节器B、工控机、电气手动、油压装置控制PLC等均可挂接在

MB+网络上，进行点对点的数据通讯。网络系统图如下：三.微机调节器－网络/通讯三.微机调节器－

功能—程序出错和CPU模块故障；—模拟／数字转换器和输入通道故障；—数字／模拟转换器和输出通道故障；—通讯模块故障；—开度、功率传感器及其反馈通道故障；—电源系统故障；—水头传感器故障；—紧急停机回路故障；—测速系统故障；97三.微机调节器－功能—冗余系统自动切换或电气手动、自动方式切换故障；——控制系统故障控制设备故障

；；；—高、低液位—高、低油压—油温高；。—油过滤器堵塞

；—油过滤器除水元件湿度高—其它98三.微机调节器－离线及调试功能故障检查，包括各硬件模块故—系统硬件及障检查；—调节参数检查及调试；—程序检查及调试；—修改和调整程序；—检查、调试和电站计算机的通信及其它接口；—其它。9910三.微机调节器调速器运行系统静特性试验空载摆度试验空载扰动试验甩负荷试验装置状态系统设置通讯设置用户登录用户管理试

验参

数故

障状

态PID

参数参数设置录波记录故障信息故障事件录波曲线油压装置开关量模拟量曲

线事

件历史事件主界面录波取消登录三.微机调节器－调速器运行

系统数字式电液调速器 系统主界面101三.微机调节器－调速器运行系统数字式电液调速器状态画面102三.微机调节器－调速器运行

系统数字式电液调速器开关量和模拟量显示103三.微机调节器－调速器运行

系统数字式电液调速器参量实时曲线104三.微机调节器－调速器运行

系统数字式电液调速器油压装置显示画面105三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统算

。是MathWorks公司推出的一种数值型计语言具有编程高效、程序设计灵活、图形功能强等特点。提供的和分析的是一个用来对动态系统进行建模、仿真包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统。

为用户提供了用目标对象传递函数的方框图建模方法。用户可以使用

以自动上而下或自动下而上、模块化的层次结构创建研究对象的模型。106三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统107三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统108三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统机组开机过程109三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统机组空扰特性110三.微机调节器－机组水轮机调节仿真决策支持系统机组甩负荷特性111四.机械系统－大型调速器机械系统框图电/机转换装置机械开限/手动装置紧急停机电磁阀手动紧急停机阀主配压阀事故配压阀导叶分段关闭装置接力器微机机组频率

调节器油压装置112113四.机械系统－中小型调速器机械系统框图微机调节器电液转换装置机械手动装置紧急停机电磁阀分段关闭装置接力器机组频率油压装置主配压阀/插装阀四.机械系统－大型调速器机械 系统图比例伺服阀（电手动）(YV3)电气传感器导叶接力器关向锁定电磁阀（非调速器供货范围）

（非调速器供货范围）位置开关

WK1、WK2、WK3、WK4、WK5、WK6DCG3DCG2DCG1（非调速器供货范围）导叶接力器关向直线位移传感器分段关闭行程阀(YV8)机械反馈机构比例伺服阀(自动）(YV2)分段关闭油缸过速保护停机阀(YV7)FC阀(YV1)阀（YV9)机械过速保护装置（TURAB)双滤油器主轴紧急停机阀(YV6)手动紧急停机阀(YV5)切换阀(YV4)压力油四.机械系统－大型调速器机械

系统图自复中电转D引导阀双滤油器主配压关阀导叶开机时间调整导叶关机时间调整事故配压阀分段关闭阀导叶接力器分段关闭行程阀开关主压力油关双急停电磁换向阀关开桨叶接力器桨叶关机时间调整桨叶开机时间调整双滤油器主配关压阀引导阀自复中电转D桨叶导叶I

SI

S四.机械

系统－“数字阀”（高压滑阀）数字式电液调速器机械 系统框图116四.机械系统－电/机转换装置电/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

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。117四.机械系统－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（

控制型）的主配压阀。118四.机械系统－比例伺服阀比例伺服阀的表示符号B

ASVT

P119四.机械系统－比例伺服阀技术参数：型号：结构：通径：最大工作油压：额定输出流量：最大工作压力泄漏（100bar时）安装形式电磁铁电流线圈电阻功率消耗NG6(NG10)滑阀，带钢阀套，直接作用式,带集成放大6

(10)(mm)315bar（阀口压降△p=35bar）4、12、24、40（50、100）（L/min）315bar<0.18、0.3、0.5、0.9（1.2、1.5）（L/min）板式ISO4401max2.7A2.5～2.8Ω30（50

）（VA）120四.机械系统－比例伺服阀比例伺服阀控制主配压阀原理框图121四.机械

系统－比例伺服阀电源24VDC

过滤后进油传感器进油电源15VDC比例伺服阀放大器10VDC活塞位置反馈主配压阀位置传感器接力器水轮机导叶D/AYpid

+-+-ΔYYjΔIY

+ΔIZ

-ΔIBΔYZΔYBA/DYKKB比例伺服阀构成的机械 系统结构框图122四.机械系统－自复中装置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复

簧滚珠丝杠滚珠螺母联轴套输出轴伺服电机手动手柄123四.机械系统－自复中/控制阀交流伺服电机/控制阀装置是一种电－液转换器，用于控制带辅助接力器（

控制型）的主配压阀。交流伺服电机/控制阀交流伺服电机手柄齿轮副滚珠丝杆副自复中机构复

簧输出轴衬套压力油P

控制阀控制油A回油T阀芯连与主活塞

机械反馈机构开

关124四.机械系统－脉冲阀座阀式电磁换向阀125四.机械系统－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。126四.机械系统－脉冲阀电磁换向滑阀127四.机械系统－脉冲阀WE型电磁换向阀是电磁操作的换向滑阀，也称电磁换向滑阀，可以控制油流的开启、停止或方向。128四.机械系统－主配压阀主配压阀是调速器机械

系统的功率级大器，它将电/机转换装置机械位移或放控制信号放大成相应方向的、与其成比例的、满足接力器流量要求的 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

控制型。对于带辅助接力器

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。129四.机械系统－主配压阀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。130131四.机械回油腔1直线位移传感器开机腔压力油腔关机腔开机时间调整螺母恒压腔回油腔2第一段关闭时间调整螺母第二段关闭时间调整螺母集成块

控制腔

分段关闭腔来自于分段关闭信号装置的控制油分段活塞关闭挡板系统－主配压阀GE公司FC主配压阀比例伺服阀

紧急停机阀组四.机械系统－主配压阀带引导阀的机械位移控制型主配压阀位移控制引导阀差压辅助接力器开机时间调整螺母关机时间调整螺母主活塞主衬套引导阀衬套引导阀紧急停机电磁阀双精滤油器阀体压力油回油开关132四.机械系统－主配压阀机械位移控制型主配压阀结构原理框图见图。

这是一种带有引导阀的、机械位移控制、直联

型主配压阀，应采用机械位移输出的电－机转

换器对其进行控制。主配压阀的引导阀活塞为

微差压式，它始终有一个向上的作用力，因而

引导阀活塞随动于电－机转换装置的位移。在

引导阀对主配压阀的辅助接力器的控制下，主

配压阀活塞的位移等于引导阀活塞位移；所以，主配压阀活塞也就随动于电－机转换装置的机

械位移。133四.机械系统－主配压阀带辅助接力器的控制型主配压阀控制差压辅助接力器阀体双精滤油器开机时间调整螺母主活塞主衬套紧急停机电磁阀关机时间调整螺母比例伺服阀压力油回油开关直线位移传感器134四.机械系统－主配压阀机械 控制型主配压阀结构原理框图。这是一种带有辅助接力器的、 控制式的主配压阀，与其接口的电/机转换器必需是电－液转换器，比例伺服阀和交流伺服电机自复中装置/控制阀均可以对它进行控制。135136四.机械系统－主配压阀主配压阀的自复中主回油分段关闭阀I

S控制阀双滤油器PS

V直线位移传感器

B

ASUTPA硬反馈D

自复中机构开关主进油机械反馈机构P

T分段关闭行程阀P

T导叶接力器关向SSII导叶接力器关向锁定电磁阀T

P比例伺服阀切换阀手动紧急停机阀电动紧急停机阀B

A四.机械系统－主配压阀容量计算已知参数接力器最大工作容积：Vs(m3)接力器最快关闭时间：Tf（s）最小正常工作油压：P0minMPa)最小操作油压：PRMPa)管道内径：d（m）管道长度：L（m）137四.机械系统－主配压阀容量计算与调速器相配的外部管道中的设计流速一般不超过5m/s；计算调速器容量的油压，应按正常工作油

压的下限考虑；选择的主配压阀的直径和最大窗口，应使接力器最短关闭时间应满足机组

要求，且主配压阀最大工作行程应合理。通过主配压阀的压力降等于1.0MPa时的“主配压阀输油流量（L/s）/主配压阀直径(mm)”分别为：“(12~25)/80”、“(25~50)/100”、“(50~100)/150”、“(100~180)/200”、“(180~300)/250”。138接力器两端关闭系统图接力器主配压阀事故配压阀分段关闭阀控制阀PTAB关闭四.机械系统－两段关闭装置139四.机械系统－两段关闭装置两端关闭阀节流块弹簧体活塞调节螺栓关机液流方向关机液流方向B孔 A孔 上盖140141四.机械系统－事故配压阀主配压阀事故配压阀接力器控

制

阀A

事故停机电磁阀过速检测事故配压阀系统框图P

T四.机械系统－事故配压阀主配压阀开启腔主配压阀关闭腔PTBA接力器关闭腔接力器开启腔限位螺钉四.机械

系统－油压装置系统图压力表143四.机械系统－螺杆泵144四.机械系统－组合阀组合阀是由安全阀、止回阀、卸载阀/旁通阀、插装阀等组成。采用卸载阀/旁通阀，使油泵为低油压起动，可以使螺杆泵起动时处于卸荷状态。在压力油罐压力的作用，油泵停机后止回阀处于关闭状态。安全阀是为保证压力罐内油压不超过允许值。145146四.机械系统－组合阀TpBAa压力油罐压力开关止回阀安全阀单向阀冷却器回油卸载/旁通阀b油泵四.机械系统－压力罐计算压力油箱的容量计算准则压力油罐中输出的最大油量，是根据可能发生的、最不利的接力器调节过程来决定的。以转浆式水轮机为例来介绍，因它是双重调节并具有一定代表性。可能发生的最不利的调节过程是:机组甩去100％负荷,在这个过程中导叶接力器摆动了1～2次,轮叶接力器进行了1次全行程的关闭,接着机组并入电网带上100％负荷；因而导叶和轮叶接力器又重新全开一次。147四.机械已知基本数据系统－压力罐计算P0

max

(MPa)P0

max

(MPa)P0

min

(MPa)工作油压的上限：工作油压的下限：接力器最低操作油压：PR

(MPa)调速器接力器容积：VsVsruVsgdeVsnz148四.机械系统－压力罐计算求压力油罐内工作油压的下限(即事故停机后的油压)求压力油箱中的压力降低到事故停机后油压值时，压力油罐的应有的可用油容积对混流式水轮机对转浆式水轮机对冲击式水轮机PRR

PR

PVu

3VsVu

3Vs

(1.5

~

2)VsruVu

(1.5

~

2)Vsnz

3Vsgde149四.机械系统－压力罐计算工作油压的下限时的空气容积时的空气容积P0

minair1.3

0

min

－1PR工作油压的上限P0

maxpVuV

1.3

0

minP0

maxpVairV

air

max150四.机械系统－压力罐计算VRe

s求压力油罐总容积VH

Vair

VuVRes－剩余油量

VRes＝（0.1～0.2VR）e

s

Vu151四.机械系统－油压装置控制界面五.微机调速器故障分析及对策机组自动空载频率摆动值大原

因现

象处理方法机组手动空载频率摆动大机组手动空载频率摆动达0.5～1.0Hz，自动空载频率摆动为0.3～0.6Hz进一步选择PID调节参数（bt、Td、Tn或KP、KI、KD）和调整接力器反应时间常数Ty，尽量减小机组自动空载频率摆动值接力器反应时间常数Ty值过大或过小机组手动空载频率摆动0.3～0.4Hz，自动空载频率摆动达0.3～0.6Hz，

且调整PID调节参数bt、Td、Tn或KP、KI、KD无明显效果调整电液（机械）随动系统放大系数，从而减小或加大接力器反应时间常数Ty。当调节过程中接力器出现频率较高的

和过调时，应加大Ty值；若接力器动作迟缓，则应减小Ty值。PID调节参数bt、Td、Tn或KP、KI、KD整定不合适机组手动空载频率摆动0.2～0.3Hz，自动空载频率摆动小于上述值，但未达到

要求合理选择PID调节参数值，特别注意它们之间的配合。例如，取bt=0.7、Td=4s、Tn=1.0s就会明显地搭配不当。接力器至导水机构和/或导水机构机械/电气反馈有过大的死区机组手动空载频率摆动0.2～0.3Hz，自动空载频率摆动大于等于上述数值，调PID参数无明显改善处理机械

系统和反馈机构死区被控机组待并入的电网是小电网，电网频率摆动大PLC微机调速器使被控机组频率于待并电网频率，后者摆动大而导致机组频率摆动大调整PLC微机调速器的PID调节参数：bt、Td向减小的方向改变，Tn向稍大的方向改变153原

因现

象处理方法电网频率升高，调速器接静态特性（bp）减小负荷接力器开度（机组所带负荷）与电网频率的关系正常，调速器由开度/功率调节模式自动切至频率调节模式工作如果被控机组并入大电网运行，且不起电网调频作用，可取较大的bp值，并使调速器在开度模式或功率模式下工作电液转换器卡阻①PLC

YPID在较大位置②电液转换器平衡电流（电压）在开启方向③导叶向关闭方向运动检查并处理电液转换器：①

切换并

滤油器②检查电液转换器并排除卡阻现象机组油开关误动作①PLCYPID与导叶实际开度Yg一致②机组所带负荷在空载附近③机组二次回路电源

或切换检查送入PLC微机调速器的机组油开关辅助接点，保证机组二次回路电源不间断。有的微机调速器在机组油开关断开时，即将电气开限以一定速度减至空载，或者立刻将其关至空载位置导叶行程电气反馈移位①PLCYPID与导叶开度反馈指示表基本一致②导叶实际开度明显小于YPID③调速器发出“导叶故障”信号检查导叶行程变送器，将调速器切至手动运行，调整并可靠固定变送器锁紧定位螺钉综合放大器开启方向放大器件失效①调速器不能开启，但能关闭②YPID与Yg不相等③平衡表有开启信号检查并排除综合放大器故障五.微机调速器故障分析及对策机组并网运行接力器开度自行减小154五.微机调速器故障分析及对策调速器接力器抖动原

因现

象处理方法调速器外部干扰①调速器外部功率较大的电气设备启动/停止②调速器外部直流继电器或电磁铁动作/断开①检查并妥善处理PLC微机调速器的机柜和微机调节器壳体的接地②外部直流继电器或电磁铁线圈加装反向并接（续流）二极管；接点两端并接阻容吸收器件（100电阻与630V，0.1F电容器串联）机组频率信号源干扰多出现于开机过程中，机组转速未达到额定转速，残压过低；或机组空载，未投入励磁、机组大修后第一次开机，残压过低机组频率信号（残压信号和/或齿盘信号）均应采用各自的带的双绞线接至PLC微机调速器，

层应可靠地在一点接地。频率信号线不要与强动力电源线或脉冲信号线平行、靠近布置接线松动、接触不良抖动现象无明显规律，似乎与机组运行振动区、运行

操作有一定联系检查PLC调速器接线端子、电流转换器等电/机转换装置、导叶接力器变送器、机组功率变送器、水头变送器及调速器

接线的连接情况，并加以相应的处理导叶接力器反应时间常数Ty值偏小调速器在较大幅度运动时主配压阀跳动、油管抖动、接力器运动出现过头现象减小电液（机械）随动系统的放大系数，从而使接力器反应时间常数Ty取较大数值155五.微机调速器故障分析及对策156调节模式自动切换原

因现

象处理方法机组功率变送器有故障或断线调速器由在并入电网、功率调节模式下工作，自动切换至开度调节模式下工作检查切换后的开度调节模式下的PLC微机调速器读入的机组功率值，若与机组实际功率有较大差别，与导叶开度不相适应，则可确认为机组功率变送器有故障或断线，应检查并排除其故障电网频率变化过大或测频环节有故障调速器由在并入电网、功率调节或开度调节模式下工作，自动切换至频率调节模式工作被控机组所并入的是小电网或带孤立负荷，这种切换是合理的，若电网频率变化过大，不必强行切换至功率调节或开度调节模式下工作被控机组所并入的是大电网，若电网频率十分稳定，则这种切换应引起足够的重视观察电网频率变化情况，并检查

PLC微机调速器的频率测量及显示结果。可将其切换至开度调节/功率调节模式工作，观察一段时间，以确认频率测量环节的工作是否正常五.微机调速器故障分析及对策甩负荷故障原

因现

象处理方法PID调节程序中负限幅过于靠近导叶接力器零值甩100%负荷过程中，导叶接力器关闭到最小开度后，开启过快，使机组频率超过3%额定频率的波峰数过多、调节时间过长见图4-15，使程序中负限幅－3750（－15%）减小，（例如，－5000（－20%）），从而使导叶接力器关闭到最小开度后的停留时间加长PID调节程序中负限幅过于离开导叶接力器零值甩100%负荷过程中，导叶接力器关闭到最小开度后，开启过于迟缓，使机组频率低于额定值的负波峰过大，调节时间过长见图4-15，使程序中负限幅－3750（－15%）增大（例如，－2500（－10%）），从而使导叶接力器关闭到最小开度后的停留时间缩短导叶接力器关闭时间过短甩＞75%额定负荷过程中的水压上升值过大按调节保证计算，加长导叶接力器关闭时间值导叶接力器关闭时间过长甩＞75%额定负荷过程中的机组转速上升值过大按调节保证计算，缩短导叶接力器关闭时间两段关闭特性不合要求甩＞75%额定负荷过程中的水压上升和/或机组转速上升值过大按调节保证计算，调整两段关机速度及拐点调速器转速死区ix偏大甩＞25%额定负荷时，导叶接力器的不动时间过长①

检查并减小机械

系统死区②加大Tn（加速度时间常数）或KD（微分系数）值机组油开关接点误动作（断开）机组油开关未动作，仍在“合上”位置，但送给调速器的机组油开

关接点断开，导致甩负荷或减负

荷①完善机组二次回路电源接线，防止机组油开关辅助继电器误动作②PLC微机调速器程序中对油开关辅助接点进行断开延时处理（参见图4-2a）157五.微机调速器故障分析及对策158与水头有关的故障原

因现

象处理方法开机特性YKJ2（图2-36）小于空载开度开机过程中，机组频率到不了额定频率50Hz①人工设定的水头值高于实际水头值，使查表插值得到的YKJ2小于空载开度，需人工设定正确水头值②程序中的YKJ2=f(H)曲线节点值偏小，应据电站实际空载开度，修正上述节点值电气开度限制增大不到应有的最大值导叶接力器增大不到合理的最大开度①人工设定的水头值高于实际