教授jianjieSTFZXT1水轮机调节仿真决策支持系统

STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系一．水轮机调节系统动态特性仿二．水轮机调节系统仿真决策支持三．STFZXT—1四．STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统的安装及运行五．仿真案例六．水轮机调节系九．水轮发电机组的水流修正系数Ky和机组惯十二考文献一．水轮机调节系统动态特性仿STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是水轮机调节理论与技仿真理论与技STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是深入学习水轮机调节理论与技术强有力的STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是水电站从事水轮机调节的技术人员和水轮STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是高等院校与水轮机调节相关课程的理想辅STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是学习、理解GB/T652－20GB/T9652.－20《水轮机控制系统试验规程》水轮机调节系统动态性能指标规定的有力工具。所谓对动态系统进行计算机仿真，是指在对被仿真的实际动态系统工作原理和动态过算机上重现相应的被仿真系统实际动态过程，输出目标参数的动态过程波形与主要仿真参可以快速、直观和经济地实现对被仿真系统动态行为的仿真，便于有针对性对系统的11参数的不同取值进行仿真，便于使用者探索被仿真系统存在的问题和优化被仿真系基础的综合性技术科学学科，动态系统计算机仿真的目的是通过对动态系统仿真结果的观被仿真系统动态过程特性对应的系统结构和调节参数，从而实现对被仿真系统动态性能的改善，也是探索新型调节和控制规律的有力工具。对水轮机调节系统建立包括非线性环节在内的数学模型进行仿真，可以对它的静态和动态特性进行经济、方便、直观、迅速的研究，像机组甩100%等许多在现场无法进行或不宜多次重复进行的试验，都可以利用动态系统计算机仿真系统对其进行仿在科学研究和工程应用的建模中，MathWorks公司推出的软件，因为首选工具名字由MATrix(矩阵)和LABoratory()两个单词的前3个字母组合值得着重的是水轮机调节系统是一个复杂的非线性的非最小相位系统在建准确地反映水轮机调节系统的实际过程并得到定量的结论是十分的只能从定性的且一定要采取理论与实际相结合的科研方法，在工程实际中加以验证。二．水轮机调节系统仿真决策支持决策支持系统(DecisionSupportSystemDSS)和选择正确决策的方法。STFZXT—1（HydraulicTurbineRegulatingSimulationandDecisionSupportSystem）是水轮机调节理论与技术、数字仿真理论与技术和计算机软件技术有机结合的产物。水轮机调节仿真决策支持系统是深入学习水轮机调节理论与技术强有力的助手，是水电站从事水轮机调节的技术人员和水轮机调速器生产厂家的现场调试技术人员的分析决策支持，是高等院校与水轮机调节相关课程的理想辅助教学工具。水轮机调节系统是由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统。水轮机控制系统是用于检测被控参量与给定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的STFZXT—1STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统基于水力STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统有助于深入掌握水轮机调节系统的基本理论和工作原理。利用水轮机调节仿真决策支持系统，可以对水轮机调节系统建立包括非线性环节在内100%额定负荷和接力器不动时间等许多在现场无法进行或不宜多次重复进行的试验，都可以利用水轮机调节仿真决策支持系统对特定的动态过程进行仿真和分析。以机组甩负荷动态过程为例，根据电站试验按照电站得到的存在问题的机组甩负荷（TaTw和水轮机微机调速器的实际（KPKIKDbpTfTgy0ky组自调节系数en使二者具有尽量相近的甩负荷动态波形；在水轮机调节仿真决策支持系统中改变PID参数（KP、KI、KD）进行仿真，消除和改善原甩负荷动态波形过程存在的问题，求得与改善后甩负荷动态波形对应的PID参数；按照仿真得到的PID行甩负荷试验以验证修改PID参数后的实际机组甩负荷动态性能。STFZXT—1轮机调节仿真决策支持系统提出并成功实现了“1真目标参数的3个(组)数值仿真”的仿真策略，也就是说，在每次仿真中，采用选择的1目标参数的3个(组)数值进行，将这3个仿真的动态过程的仿真变量波形和全部仿真在1个仿真图形中表示。众所周知，对应1个(组)仿真目标参数数值的仿真，只能个孤立的动态过程；对应2个(或2组)仿真目标参数数值的仿真，可以得到对应的互较的2个动态过程；而对应3个(组)仿真目标参数数值的3个动态过程，则为进行参数变以在其它参数相同的条件下，得到33关系的认识和理解，从而为我们解决工程实际问题提供直观、清晰和快速的决策支持。STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统对水轮机调节系统建立了仿真模型(SimulationModel)，构成了对水轮机调节的仿真决策支持系统。水轮机调节仿真决策支持系统可以对通常的水轮机调节系统的电站试验项目(动、空载扰动、接力器不动时间、接力器1段关闭机组甩负荷、接力器2和3段关闭机组甩负荷、电网一次调频和机组甩负荷等)进行仿真。三．STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统基本特点和内STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统是基于软件对水轮机调节系统动态性进行仿真的培训和决策支持系统。它们能对通常的水轮机调节系统的8类电站试验项（1段关闭机组甩负荷特性、接力器2段和3和孤立电网运行特性等）进行数学仿真。STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统特STXTFZ-1,视计算机速度,每次仿真仅需(2~5)秒;在每1次仿真中,将3个(组)不同目标仿真参数数值对应的的动态过程波形集中于一张示波图上,果的示波图中同时显示了机组频率(f)和接力器开度(y),机组甩负荷特性还显示了引水系统水压(h),仿真结果的示波图中列出了仿真参数,3个(组)态仿真波形对应。tSR，t0.8，tSR/tSR，t0.8，tSR/(开机(空载频率波动(空载扰动(接力器不动时间SFH1(甩负荷Fm，tM，tE，tE/(小网Fm，tM，tE，tE/(一次调频PW，W45，W451，W60，W601，W451/W45W601/W60，P15，P45，P15/PW，P45Fm―动态过程频率最大值或最tM―动态过程开始至机组频率出现最大值或最小值所对应的峰值时间或谷值时tE―动态过程开始至频率稳定的时间tSR―开机过程开始至机组频率稳定的时t0.8―开机过程开始机组频率上升至80%额定转速(40HztE/tm―机组频率稳定时间tE与动态过程中峰值时间或谷值时间tm的比值tSR/t0.8―机组开机过程开始至稳定的时间tSR与机组频率上升至80%额定转速(40Hz)的时间t0.8的比值；ΔFm―空载频率波动自动工况频率波动峰-峰值T(y1)―接力器不动时间―接力器从甩负荷开始至接力器关闭了0.1%的时间(s)；T(y2)―接力器不动时间―接力器从甩负荷开始至接力器关闭了0.2%的时间(s)；T(f)―从甩负荷开始至机组频率上升0.02%的时间(s)；W45―电网一次调45秒的机组期望电量(相对值)；W451―电网一次调频45秒的机组实际电W60―电网一次调频60秒的机组期望电W601―电网一次调60的机组实际电量(相对值)；W451/W45―电网一次45组的电量贡献比率；W601/W601―电网一次调频60秒机组的电量贡献比率P15―电网一次调频15秒机组的功率P45―电网一次调频45秒机组的功率P15/PW―电网一次调频15秒机组的功率与期望功率的P45/PW―电网一次调频45秒机组的功率与期望功率的水轮机调节系统机组单调节和双调节动态特调节方式变量考虑了水轮机调节系统的单调节和双调节特性，引入了调节方式变量K12。仅机调节系统的大波动（机组1接力器关闭甩负荷、机组2-3接力器关闭甩负荷和机组在孤立电网运行等工况）仿真中考虑了机组的单调节和双调节特性并使用调节方式变量K12。(1).K12=1:仿真系统在单调节方式运行仿机界面上的桨叶接力器参（桨叶关闭时间Tjf、桨叶开启时间Tjg和桨叶延迟关闭时间Tjys）不起作用，仿真结果中也不显示和双调节有关的参数。(2K12=2.0-3.7:仿真系统在双调节方式运行，仿真结果中会显示与双调节有关的参数（桨叶Tjf、桨叶开启Tjg迟关Tjys。由于桨叶关闭时间Tjf和桨叶开启时间Tjg均明显分别小于桨叶关闭时间Tj启时间Tj(大负荷变化)的机组效率，将随着偏离协联工况的程度而下降，软件中设置了18联特性导致的机组效率下降的协联特性系数K12K12工况程度的工况下，水轮机在非协联工况下的机组效率下降愈大。在机组导叶接力12-3关闭甩负荷仿真及机组在小电网运行方式的仿真界面中，包含有桨叶接力器开启时间Tjg和桨叶接力器关闭时间Tjf(单位为秒(s)，均为折算为桨叶接力器全行程时间)；在2段和3段关闭甩负荷仿真的“桨叶延迟关闭时间”仿真项目双调节机组甩负荷过程的特*单调节机组(K12=1.0，接力器1段关闭)甩负荷特性：导叶接力器关闭时间导叶接力器开启时间Tg=20.0s*单调节机组(K12=1.0，接力器3段关闭)甩负荷特性：Tg=20.0s，Tf1=12.0s,Tf2=30.0s,Tf3=70.0s,1和2闭拐Y12=0.4，2和3关闭拐点Y23=0.1。*双调节机组(K12=2.5)(接力3关闭)甩负荷特Tf1=12.0s,Tf2=30.0s,Tf3=70.0s,Tg=20.0s；1段和2闭拐Y12=0.4，2段和3段关闭拐点Y23=0.1。桨叶接力器关闭时Tjf=30.0s，桨叶接力器开启Tjg=30s。*接力器1段关闭的单调节和双调节动态特性比较导叶接力器关闭时间导叶接力器开启时间Tg=30.0sK12=1.0K12=2.5双调节。Tf=12.0sTg=20.0s桨叶接力器关闭时间Tjf=30.0s器开启时间Tjg=30sPID参比例增积分增微分增单调双调双调*接力器3闭的单调节和双调节动态特性比红色点画波形：单调节，K12=1.0，Tf1=12.0s，Tf2=30.0s，Tf3=70.0s，1段和2闭拐点Y12=0.5，2段和3闭拐点Y23=0.2黑色实线波形：双调节，K12=2.5，Tf1=12.0s，Tf2=30.0s，Tf3=70.0s，1段和2闭拐点Y12=0.5，2段和3闭拐点Y23=0.2；桨叶接力器关闭时间Tjf=20.0s，桨叶接力器开启时间Tjg=30s。蓝色双画线波形：双调节，K12=3.0，Tf1=12.0s，Tf2=30.0s，Tf3=70.0s，1段和2段关闭拐点Y12=0.5，2段和3闭拐点Y23=0.2；桨叶接力器关闭时间Tjf=20.0s，桨叶接力器开启Tjg=30s。PID参比例增积分增微分增单调双调双调(1).桨叶接力器关闭时间Tjf要明显大于导叶接力器关闭时间Tf间Tjg要明显大于导叶接力器开启时间Tg。所以，双调节机组在甩负荷过程中导叶接力器(2).的最高转速数值fmax高转速数值fmaxTj和导叶接力器关闭时间Tf(3).50Kz荷过程的机组频率稳定时间明显大于单调节机组甩负荷过程的机组频率稳定时间。(4).程也具有容易出现在关闭到全关闭(y=0)位置之前就转而开启、然后再次关闭的特点。双调节机组在小电网中运行特*电网突加20%额定负荷的单调节机组动态特单调节K12=1.0导叶接力器关闭时间Tf=10.0s叶接力器开启时间Tg=20.0s*电网突加20%额定负荷的双调节机组动态特双调节机组：K12=2.5，导叶接力器关闭Tf=10.0s，导叶接力器开启时间Tg=20.0；桨叶接力器关闭时Tjf=30s，桨叶接力器开启Tjg=30s。*电网突减20%额定负荷的单调节机组动态特单调节K12=1.0导叶接力器关闭时间Tf=10.0s叶接力器开启时间Tg=20.0s*电网突减20%额定负荷的双调节机组动态特双调节机组：K12=2.5，导叶接力器关闭Tf=10.0s，导叶接力器开启时间Tg=20.0；桨叶接力器关闭时Tjf=30s，桨叶接力器开启Tjg=30s。桨叶接力器关闭时间Tjf要明显大于导叶接力器关闭时间Tf桨叶接力器开启时间要明显大于导叶接力器开启时间Tg。所以，在小电网运行的双调节机组，在电网中负荷变处于非协联运行工况。网动态过程波动大，电网稳定时间长。网动态过程波动较小，电网稳定时间短。仿真波形及其数仿真动态波形显示的同时,系统还将仿真结果在c:\figure中,其上标注有仿真进行的年月日时分仿真波形图中还有包括相应规定的性能指标在的的辅助线，便于使用者根据判断仿真结果波形的动态性能指标。与仿真波形对应的数据自动在c:\SDATA\的相应同名子文件夹下仿真项目*.xlsx文件，可以供使用者参考使仿真数据时间坐标和变仿真项时间区采样周数据数据总表格变ABCDEKJ(开机TFfyPLBD(空载频率波动TFY(空扰动一TFfy频上扰/下TFfyBDSJ(接力器不动时间Tfy(1闭甩负荷TFfyH(2-3闭甩负荷TFfyHXW(小网TFfy(一调频一TpY频上扰/下TpyT―时间(s)；F―机组频率(Hz)；f―机组频率(相对值y―接力器行程(相对值)；H―水压(相对值)；P―机组功率(相对STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的决策支根据工程实际中出现的问题,STFZXT-1性问题的水轮机调节系统仿真,于水电站从事水轮机调节的技术人员和水轮机调速器生产厂家的现场调试技术人员，提供了一种快速简单可靠的仿真分析；也是调速器生产厂家的设计人员的理想工具。STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的项STFZXT-1轮机调节仿真决策支持系统设置了8类66基本仿真项目,基本仿真项目的可变参14~20之间;在每一个基本仿真项目中,调节对象参数和调速器的每一个参数都是可以设定的,因此,可以按照需要扩展新的仿真项目，设定的仿真参数都会示在仿真波形（报告）STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的PID参在仿真中，PID参数均以比例增益KP、积分增益KI（1/s）和微分增益KD(s)作为设定参数，为便于采用和熟悉暂态差值系数bt、缓冲时间常数Td(s)和微分时间常数Tn(s)的用户使用，仿真报告中，给出了KP、KIKDbt、TdTn值。STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的帮助文档(HELP，即说明在仿真中能自动弹出与当时仿真项目相关的帮助WORD文档(C:\SDATA\HELP\)，供使用者参考，STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统不再另外提供使用说明书。STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统简水轮机调节系统机组开机特性水轮机调节系统空载频率波动水轮机调节系统空载扰动特性水轮机调节系统接力器不动时间特性仿水轮机调节系统机组接力器1闭机组甩负荷特性仿水轮机调节系统机组接力器2-3闭机组甩负荷特性仿水轮机调节系统一次调频特性水轮机调节系统机组孤立电网运行特性仿STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的仿真参数显在仿真中引入了“仿真参数显示选项DS真参数：DS=1：显示全部仿真动态波形和仿真参数，适合显示比例1.0：1.0DS=1(显示比例DS=1(显示比例DS<>10.660.66或0.50.5称的代号(仿真目标参数)，例如SFH1(PID)：1闭机组甩负荷(PID)。DS<1(DS<1(显示比例STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统版STFZXT-1轮机调节仿真决策支持系统有中文版、英文版和体验版等3文四．STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统的安装及安在限定的计算机序列号的计算机上安装软件，(用户自备，版本为2009b或2011b)。安装路径不限1:“Custom”安装（即选择性安装不要安 全部组件，只需要选择安装最开始的下列3个组件即可安装完成后约占用空间(1.1―1.4)GB，在程序卸载框的显示为安 软件，对于“STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统”的运行是必的2:“Typical”安装（即全部安装 安装完成后，只需要保留下列3个组件，将其它组件卸载，以节约磁盘空最后 约占用空间(1.1―1.4)GBGB，在程序卸载框的显示为SDATA.rar压WONDHELP)，置C仿真系统会自动建立仿真波形文件夹:C:\figure和放置帮助文件和仿真波形数据文件（*.xlsx）的文件C:\SDATA。运双击simulation.exe即可运行，第一次出现仿界面约需(10~30)秒仿选择仿真 *机组开机特性仿真(KJ)，6个仿真项*机组空载频率波动特性仿真(PLBD)，8个仿真项*机组空载扰动特性仿真(KZRD)，11个仿真项目*接力器不动时间特性仿真(BDSJ)，7个仿真项目*接力器1闭甩负荷特性仿真(SFH1)，10个仿真项目*接力器2闭甩负荷特性仿真(SFH2)，8个仿真项目*电网一次调频特性仿真(YCTP)，9个仿真项目*孤立电网运行特性仿真(XW)，7个仿真项目选择仿 中的仿真项设置仿真项目中的每一个仿真变量都分别标注了其一般取值范围，请慎重输入正确的数值，如果键入非数字字符，仿真系统会执行仿真报告（波形图）上会实时显示仿真界面上各个仿真变量的仿真前设定的仿点击仿真界面上的“仿真”按钮，除第1次仿真显示仿真报告（波形）约需10~30秒外，以后的仿真报告（波形）将在点击“仿真”按钮后的2~5在仿真中，能自动弹出相关的帮助WORD文档(C:\SDATA\HELP)，供使用者与实时显示仿真报（波形的同时仿真报（波形会自动在c:\figure中，与仿真图形对应的动态波形数据(数表)在C:\SDATA中。五．水轮机调节仿真决策支持系统案采用“反向”仿真和决策支持策略，步骤如*100%（振荡型，确定PID参数优化方向。*100%仿真决策支持系统中输入机组和水轮机调速器的实际参数（机组惯性时间常数Ta流时间常数TwTf和开启时间TgTjf和开启时间Tjgy0PID参数KPKIKDbp等Ky、自调节系数en和协联系数K12，使得水轮机调节仿真决策支持系统机组甩100%负荷动态过程的仿真波形尽量接近机组甩100%负荷动态过程的录波曲线。*优化调速器PID参数：修改调速器PID参数，优化机组甩100%负荷动态过程的仿真波形，直至机100%负荷动态过程的指标明显优化并满足技术标准性能指标要求。*电站试验验证：在电站按照仿真结果修改调速器PID参数，进行机组甩100%负荷试验实例机组基本参轴流转桨式机组导叶关闭时间Tf=18.0(s)，导叶开启时间Tg=8.0(s)，桨叶关闭时间Tj=32(s),空载开度y0=0.2，甩负荷前开度y=0.92KP=3.2KI=0.22(1/s)，KD=1.0(s)；bt=0.32,Td=14.6(s),Tn=0.32(s)。甩负荷前接力器开度y=0.92。电站试验波形见下图（tE/tM)）过大，稳定时间过长实测特性分

电站机组实际甩负荷动态过程波下降到50Hz附近、继而上升并极为缓慢地趋近50Hz，机组甩负荷动态过程属于迟缓型型PID例增益KP和积分增益KI（即适当地减小暂态差值系数bt和缓冲时间常数Td曲线（波形）拟仿真系统拟合甩负荷动态过程波形（tE/按照电站机组实际参数和试验的调PID数输STFZXT轮机调节决策支持系统，调节机组自调节系数en、水流修正系数KY和协联特性系数K12，使仿真得到的机组甩负以上的甩负荷动态过程波形和仿真系统拟合甩负荷动态过程波形极为接近优化调速器PID参KP=3.3，KI=0.3(1/s)，KD=1.0(s)；bt=0.30,Td=11.0(s),Tn=0.30(s),见下图修改参数后仿真系统甩负荷动态过程波形（tE/电站试验验1).KI=0.22(1/s)增大为KI=0.3(1/sTd=14.6(s)减小为Td=11.0(s)；差3.6(s)。2).KD=1.0(s)，Tn=0.32(s)增大为Tn=0.3(s)；差值为0.02(sKP=3.3，bt=0.30，差值为0.02在电站参考仿真结果修改PID参数，机组甩负荷特性明显改善六．水轮机调节本低、能源可再生、不污染环境和便于综合利用等优点。绝大多数水轮机都用来带动交流发电机，构成水轮发电机组。这里所讨论的“水轮机调节”是指对构成水轮发电机组的水轮机的调节。水轮机调节系统的结构框水轮机调节系统Hydraulicturbineregulatingsystems)的结构如图1水轮机调节系统是由水轮机控制系统(Hydraulicturbinecontrolsystems)和被控制系统(Controlledsystem)组成的闭环系统(Closedloopsystem)。水轮机控制系统是用于（成主接力器(Mainservomotor)行程偏差的一些设备所组成的系统，也可以称为调节器；水轮机调速器(Hydraulicturbinesernor)则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网及负荷，也可以称为调节对象。水轮机调节系统的工作过程为：水轮机控制系统的测量元件把被控制系统的频率（与其成比例的被控制机组的转速nPgH流量Q信号和接力器实际开度等反馈信号综合后，由放大校正元件处理后经接力器驱动水轮机导叶机构及轮叶机构，改变被控制的水轮发电机组的功率及频率。(Openloopsystem)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。引水和引水和泄 发电电网、负被控制系––+水轮机控制系统（水轮机调速器水轮机调节系统的结构(包括机组(电网))对系统的控制作用有着直接的影响，一般称其为反馈作用(Feedbackeffect)(调速器)(Stability)(调节)系统的动态过程及动态品质(性能)态稳定时，还可能出现动态过程中超调(Overshoot)或衰减振荡(Damplyoscillation)现象被控制系水轮机调节系统的被控制系统是由水轮机调速器控制、调节的系统，从调节的意义出统、水轮机、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网和负荷。水轮机控制系（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。水轮机调速器是水轮机控制系统的主体，水轮机调速器是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。使用的油源、按照调速器的容量等原则分类。水轮机调节系统的任定电网的额定频率为50H（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总容量的5%~10%动也往往会达到其总容量的2%~3%（频率（频率的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。早期的机械调速器和电液调速器的主要作用是根据偏离额定值的机组频率(Frequency)或转速(Speed)（转速（转速轮机调速器主要是一个机组频率（转速）调节器(Frequency(speed)regulator)。现代水电厂和电力系统的发展，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的（AGC（EMS主要运行方式是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机组的调速系统来实现的。（转速AGC系统和电厂AGC除包含了原来的机组频率(转速)调节的内容之外，还要完成电网AGC系统和电厂AGC系统下达的一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制等任务。水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它还与电站二次回路综上所述，水轮机调速器的主要任务可以归纳如下：水轮机调速器作为被控制的水轮发电机组或其并入电网的频率调在被控制的水轮发电机组空载工作状态时作为机组频，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电网频率使被控机组能尽快同期并入网运行；，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①.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调频的任务.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低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度；③.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电网AGC系统和电厂AGC足电网二次调频的要求；水轮机调速器作为被控制机组的工况控制在水电站计算机系统等的统一控制下协调完成被控制机组的开机停机机组的抽水工况和发电工况之间的转换。水轮机调节的实水轮发电机组转动部分的运动方程为Jdd

M

式中J——机组转动部分的惯性矩（kg·m2n——机组转动角速度（rad/s（r/min（N·m（N·m式（1）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)保持值的条件是d0，即要求M

，否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值持续d (频率)轮机转矩对转速的传递系数t(ex)和发电机负载转矩对转速的传递系数eg轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性环节。水轮机转矩表达式M

式中（m3/s（mt——水轮机效率（kg/m3所以，在一定的机组工况下，只有调节流Q和效率t，才能调节水轮机转Mt，达MtMg的目最终效果来节的任务是维持水轮发电机组（频率水机构开度（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tMtMg，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（频率机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。水轮机调节系统的特了具有一般闭环调节系统的共性外，还有一些值得注意的特点：水轮机过水管道存在着水流惯水轮机过水管道的水流惯性特性，通常用水流惯性时间常数Tw来表述。水流惯性时间常数(Waterinertiatimeconstant)是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间。水流惯性时间常数Tw的表达式见式(9)。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0加大至额定流Qr所需要的时从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性特性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统；在动态过程中当水轮机导叶关闭时调标是减小水轮机力矩但是由于引系统水流水流动能转变为势能水轮机工作压力短时上升而导致水轮机力矩有短段的增大反之当水轮机导叶开启时调标是增大水轮机力矩但是由于引水系统水（水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。水轮发电机组存在着机械惯水轮发电机组的机械惯性，可用机组惯性时间常数Ta来表述。机组惯性时间常数(Unitinertiatimeconstantunitaccelerationconstant)是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。机组惯性时间常数Ta的表达式见式(11)和式(12).机组惯性时间Ta的物理概念是Mrn0上至额定转速nr度开始，至机组转速到达变化差值95%的时间为3Ta98%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。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。4).水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控水轮机型式多/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；/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。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后仍然能靠的能源可靠地关闭水轮机导水机构,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执行机构并采用能能源的压力罐提供工作油源。手动水轮机调在水轮机调节的初期，水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制完成的。经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结随着机械技术 技术电气技术计算机技术自动控制技术等的出现及应用才逐步使水轮机调节系统成为 的水轮机闭环自动调节系统即使在现在手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式所以了解水电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法有利于形象地了解水轮机调节系统的基本工作原理也有利于形象地了解比例-积分-微分(PID)调节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。手动控制的基本原则是：进行手动水轮机调节时，最基本的参数是水轮发电机组的频率(或转速)小于50Hz时，则相应地关闭或开启水轮机导水机构，使频率回复到50Hz的范围内。由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯性，因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则：比例操（50Hz机组频率若为51Hz和54Hz，虽然二者均大于50Hz，但针对前者，关闭导水机构的幅度可自动调节规律中的比例(Proportional)调节。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，可能还需要使导水机构稍开启一点。才有可能使机组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(Derivative)调节。(Integral)综上所述，在手动水轮机调节中实际上也就是采用了自动调节中的比例、积分和微分调节规律的基本思想七．水轮机调节系统的PID调节规微机调速器简化结构图如下列2个框图所示1个系统是频率偏差与反馈信号累加后送到PI（比例－积分－微分1系统是频率偏差信号直接送到P（比例－微分到I（积分）的输入端。反馈信号可以取至PID调节环节的输出yPID，也可以取至调速器接力器的位移反馈信号y(图12和图13中虚线所示)。仿真结果及现场试验结果表明，两种反馈信号取法的动态性（ID调节环节的输出YPID取反馈信号的系统（图中的反馈实线，电液随动系统的死区没有被包含在PIDPID于从调速器接力器的位移反馈信号Y（图2和图3中的反馈虚线系统被包含在PID环节之内，PID环节的积分可以起到减少电液随动系统的死区对微机调速器死区的影响。测 1f机 1f+g+

f

KD

+ +

1y1 1

·1T1v+ KI+b+bp(

TyTyy–yf1

PID型微机调速器结构图测 频机 死+fg频 +

数 +y·–+y·–1Ty111+频 +1+给

+

bp(bp( PID型微机调速器结构若永态差值系数bp为零，则得到PID调节器输出yPID对其输入频差f的传递函数为YPID(S)

K1

KDSF(S

I

1TSYPID(S)

1vK1KS

（取

F(S

I D 式中，YPID(S)——接力器行程yPID的变换；F(S)——机组频率f的变比较上列，可以得到PID型调速器的比例增益KP、积分增益KI、微分增益KD和加速度-缓冲型调速器的暂态差值系数bt、缓冲时间常数Td、加速度时间常数Tn这两套调KTdTn1b b t tKI

DKTn D 11Kbt K TKP Kb ItT

KK DtK PID调节器的阶跃输入响应特性如下图yyCEHKDFBGIDA0OtPID调节器的阶跃输入响应特PID型调速器和加速度-缓冲型调速器都是比例-积分-微分(PID)可以称为并联型PIDPIDPID型调速器和加速度-缓冲型调速器的传递函数一样，它们的调节规律和效果是一样的。现在的微机调速器均采用并联型的PID结构。根据上列，可以方便地在2种参数间换算。例如，已知KP=2.5、KI=0.25(1/s)KD=1.25s，则易得bt≈0.4、Td=10s和Tn=0.5s八．水轮机调节系统的仿真模下图给出了用建立的水轮机调节系统仿真模型(以KP、KI、KD给参数)，它可以仿真水轮机调节系统一次和二次调频的静态和动态特性。以bt、Td、Tn的形式水轮发电机组仿真系统结构图(KP、KI、图中：K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7都是仿真工况切换开关。K1是频率给定阶跃信/切除开关；K2是机组（电网）频率信号投入/切除（闭环/开环）开关；K3信号投入/K4是功率给定信号投入/K5（前馈信号投入/切除开关；K6是功率/导叶开度反馈信号选择开关；K7是调节器导叶开度/使用的模型有时甚至对于一种工况采用几个不同的模型以满足特殊工况和仿真目标参数的要求。水轮发电机组仿真系统结构图(bt、Td、发电机组的水流修正系数Ky和机组惯性比率(UnitInertia机组自调节系数en和机组惯性比率GB/T9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》规定的静态及动态特性指标适用工作条件中关于“水流惯性时间常Tw与机组惯性时间常Ta”有下列条款：“3.3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Tw不4s对比例积分（PI）型调速器，水流惯性时间常数Tw2.5s。水流惯性时间常Tw与机组惯性时间常Ta的比值不大于0.4。反击式机组Ta4s，冲击式机组Ta2s《水轮机控制系统技术条件》规定的静态及动态特性指标，是有限制条件的。上述关于水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw数值和水流惯性时间常数TwTa的比值的限制，主要是针对水轮机调节系统的动态特性做出的规定。Ta和水流惯性时间常数Tw动态特性的品质起着重要的作用；但是，对于“水流惯性时间常数TwTa的比值的作用尚未们理解和重视大量电站试验运行经验和仿真结果表明水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta比值的大小，对于水轮机调节系统动态特性品质的影响，要远远大于机组惯性时间常数Ta和水流惯性时间常数Tw数值的影响。我们在以下的水轮机调节系统仿真及分析中，将非常重视水流惯性时间常数Tw惯性时间常数Ta比值对系统动态特性品质的影响。1水轮发电机组惯性时间常数Ta和机组自调节系数 GD2nTa r M 水轮发电机组惯性时间常Ta的表达式Ta=(GD2nr2/3580Pr，参见式(1-4)和式(1-值得的是，由水轮发电机组设计和制造单位提供的水轮发电机组惯性时间常数来说(例如机组甩负荷动态过程)时间常数Ta是十分繁琐和的。被控制系统自调节系数en(Controlledsystemself-regulationcoefficient)是所取转速点的发电机转矩对转速的传递系数eg与水轮机转矩对转速的传递系数et之差=eg-et(频率)节系数的作用是抑制转速(频率)(频率)速(频率)的降低。发电机转矩对转速的传递系数eg(Transmissioncoefficientofgeneratorloadtorquetospeed)又称发电机负载自调节系数(Generatorloadself-regulationcoefficient)的关系曲线在所取转速点的斜率；水轮机转矩对转速的传递系数et(Transmissioncoefficientofturbinetorquetospeed)又称水轮机自调节系数(Turbineself-regulationcoefficient)相对偏差值的关系曲线在所取转速点的斜率。Δp与机组转速相对偏差值Δn(频率相对偏差值Δf)的关系为en=Δp/Δn=Δp/Δfen特性中的作用一样，它在动态过程中对机组转速的抑制作用也就愈强。但是，到目前为止，我们很难知道在某种工况下机组自调节系数en水轮发电机组的动态过程中，机组自调节系数en的数值也是在变化的。机组自调节系数愈大，与它在静态特性中的作用一样，它在动态过程中对机组转速的抑制作用也就愈强。我们在水轮机调节系统的模型中采用了机组自调节系数en数值来微量改变机组转速(频率)动态过程曲线的形态，在一定程度上修正或补偿机组转速变化对水轮发电机组惯性时间常数Ta的影响。2水轮发电机组水流惯性时间常数Tw和水流修正系数值得的是，由水电站设计单位提供的水轮发电机组水流惯性时间常数Tw值，是在机组额定说，如果要对不同的机组运行工况，使用修正后的水轮发电机组水流惯性时间常数Tw十分繁琐和的。所以，我们引入水流修正系数KY，用以在不同的机组运行水头H和组功率工况下，修正水流时间常数Tw对水轮机调节系统动态过程的影响。水轮发电机组水流惯性时间常数Tw的表达式为Tw=ΣLV/gH水流惯性时间常数Tw与引水系统各个分段的水流流速V成正比、与机组运行水头H成Tw，是在机组额定工况(机组额定运行水头Hr和机组额定功率pr)下的数值。机组不同的运行水头H和机组功率p不同，实际起作用的水流惯性时间常数Tw数值也是不同的。水电站试验资料和仿真结果表明，特别是水流惯性时间常Tw对水轮机调节系统动态特性的影响对于机组运行水头H变化大的水轮发电机组，最小运行水头下的较好的调速益KP和积分增益KIKP积分增益KI的数值。其原因就是，机组运行水头不同，实际起作用的水流惯性时间常数数值不同。1水流修正系数(WaterCorrectingCoefficient特性仿真模型与实际水流惯性特性之间的误差，补偿机组实际运行水头和机组实际功率对使得仿真采用的水流惯性特性仿真模型得到的水轮机调节系统动态特性，能够在一定程度上接近实际水轮机调节系统的动态特性。水流修正系数的表示符号为KY。水流修KY与机组运行水头HH大于机组额定①.由于机组运行水头H大于机组额定水头Hr，这将使得此时的水流惯性时间常数Tw数②.由于机组运行水头H大于机组额定水Hr，机组流Q小于机组额定水头下的流量Qr，因而引水系统各段水流的流速V都分别小于机组额定水头的流速Vr，这也将使得此时的水流惯性时间常数Tw数值小于机组额的工况的数值。所以，机组运行水头H大于机组额定水头Hr时，对水轮机调节系统起实际作用的水流惯性时间常数Tw数值，比机组额定水头下的水流惯性时间常数Tw数值要小。应该使用较小的水流修正KY。H小于机组额定①.由于机组运行水头H小于机组额定水头Hr，这将使得此时的水流惯性时间常数Tw数②.由于机组运行水头H小于机组额定水Hr，机组流Q大机组额定水头下的流量Qr，因而引水系统各段水流的流速V都分别大机组额定水头的流速Vr，这也将使得此时的水流惯性时间Tw数值大于机组额的工况的数值。所以，机组运行水头H小于机组额定水头Hr时，对水轮机调节系统起实际作用的水流惯性时间常数Tw数值，比机组额定水头下的水流惯性时间常数Tw数值要大。应该使用较大的水流修正KY。水流修KYp的定性关机组负荷pQ小、引水系统各段水流V小，应该使用较小的水流修正KY。机组负荷p100%额定负Q大、引水系统各段水流流V大，应该使用较大的水流修正KY。所以，在其它条件相同时，机组甩100%额定负荷工况仿真的水流修正系数KY数值，应该大于机组空载扰动工况仿真的水流修正系数KY数值。我们在水轮机调节系统的仿真模型中，采用了水流修正系数Ky的变量，可以选择不同的水流修正Ky的数值，来反映上述机组运行水头变化和机组负荷对机组云动态特性的此外，我们还可以用适当变化水流修正系数Ky的数值，来微量改变机组转速(频率)引水系统水压动态过程曲线的形态，在一定程度上修正或补偿机组运行水头变化对水轮发电机组水流惯性时间常数Tw的影响。3组惯性比率UnitInertiaGB/T9652.1-200作条件”中，关于“水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值”的限定条件。鉴于“水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值”对水轮机调节系统动态特性的重要作用。作者提出用“机组惯性比率RI”来描述“水流惯性时间常数Tw时间常数Ta2机组惯性比(UnitInertia机组惯性比率是水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值，它反映了机组水流惯性与机组机械惯性之间的关系。机组惯性比率的表示符号为KY。机组惯性比率RI达式为：RI (4-式中：RI—水轮发电机组惯性比率，简称机组惯性比率(UnitInertiaRatioTa—机组惯性时间常数(s我们在以后的每一次仿真中，根据仿真使用的机组水流惯性时间常数Tw和机间常Ta的数值，计算出对应的机组惯性比率RI的数值，并显示在仿真结果中，以便于读者加深机组惯性比率RI这个名词术语的认逐渐形成对机组惯性比率RI数量上的概理论分析和仿真结果表明，水轮发电机组惯性时间常数Ta间常数Tw的数值，对于水轮机调节系统的动态品质起着十分重要的作用。机组惯性比率等于水流惯性时间常数Tw与水轮发电机组惯性时间常数Ta类型的水轮机构成的水轮发电机组对应的机组惯性比率RI=Tw/Ta也有不同的特点。十．水轮机调节系统受到扰动后的动态过程的类在对水轮机调节系统进行的每一次仿真中，我们都采用1个(或1组)仿真目标参3个(或3组)3个(或3组)仿真目角度出发，得到这个(这组)仿真目标参数变化时，被仿真系统动态行为的变化趋势。基于对众多水轮机调节系统的现场试验资料和仿真结果的整理和分析，水轮机调节系统受到扰动(水轮机调节系统空载频率扰动、机组甩100%额定负荷和孤立电网运行后的典型动态过程的形态，划分为迟缓型(SlowType，以下简称S型(迟缓型))、优良型(BetterType，以下简称S型(优良型))和振荡型(OscillatoryType，以下简称O型)等3个有代表性的典型动态过程，以便于进一步研究水轮机调节系统扰动型动态过程的机理和寻求改善其动态过程性能的方法。同一个水轮机调节系统空载频率扰动动态过程和机组甩100%相关的，也就是说，具有S型(迟缓型)、B型(优良型)或O型空载扰动特性的系统，一般也会具有与之对应相同的S型(迟缓型)B型(优良型)或O型的机组甩100%额定负荷的动S型(迟缓型)其机组甩100%额定负荷特性有极大可能也是S型(迟缓型)动态特性。这种有关联特性为我们在电站选取调速器的PID机组甩100%额定负荷的试验。我们在空载频率扰动试验中，通过选择调速器的PID参数，使其具有B型(优良型)的空载频率扰动特性，从而就选择了机组甩100%额定负荷时使用的调速器PID为了对于这种分类有一个形象、直观的印象和认识，我们在这里先给出水轮机调节系统扰动型动态过程的仿真实例。水轮机调节系统机组甩100%额定负荷动态过程仿真结水轮机调节系统空载频率扰动动态过程仿真结水轮机调节系统孤立电网运行动态过程仿真结水轮机调节系统S迟缓型(SlowType))动态过1水轮机调节系S动态过扰动方接力器行程y运动特机组频f运动特参数选择特机组甩负荷S或者是接力器关闭到接力器空缓慢趋近，机组频率调稳定时间长比例增KP和/值过小和搭配不机组空载扰S(红色点画线而缓慢的形态趋近于接力器扰比例增KP和/值过小和搭配不孤立电网运S接力器运动幅度小，出现一个趋近于稳定开度，接力器稳定电网频率电网频率以单调而缓慢过小和/或比例增益KP型间长配不当，机组较水轮机调节系统B型(优良型(BetterType))动态过2水轮机调节系B动态过扰动方接力器行程y运动特机组频f运动特参数选择特B机组甩负荷接力器关闭到接近接力器或者从接力器在关闭至全关位个小的超过接力器空载开度的超调量，迅速地稳定于接力器载开度机组频率调节稳定时间比例增KP和/值合理和搭配恰B机组空载扰行程到达扰动后稳定值的速度者出现一个很小的超过接力器行程稳定值的过调值并迅速地机组频率调节稳定时间短比例增KP和/值合理和搭配恰B孤立电网运向稳定值恢复的速度适率，电网频率调节稳定间短比例增KP和/值合理和搭配恰水轮机调节系统O型(振荡型(OscillatoryType))动态过3水轮机调节系O动态过扰动方接力器行程y运动特机组频f运动特参数选择特机组甩负荷O(蓝色虚从接力器从关闭至完全关在接力器空载开度上下振荡慢地稳定于接力器空载开度定于机组额定频率，机频率调节稳定时间长比例增KP和/值过大和搭配不机组空载扰动动态特接力器的运动幅度过大，接力行程到达运动极值后，呈较大机组频率趋近于扰动后率稳定值的速度过快，比例增KP和/或积分增益KIO(蓝色虚震荡形态趋近于接力器扰动后的稳定值，接力器行程调节稳时间长调和震荡现象，机组频调节稳定时间长值过大和搭配不孤立电网运O(蓝色虚而缓慢的形态趋近于接力器稳定开度，接力器调节稳定时间向稳定值恢复的速度过稳定频率，电网频率调稳定时间长过大和/或比例十一.水轮机调节系统常用英文名称术水轮机调节hydraulicturbineregulatingsystem水轮机控制系统hydraulicturbinecontrolsystems被控制系统controlledsystem随动系servo-调速 电(气)液(压)调速器electric- 微机调速 puter 双调整调速器double 比例-积分-微分调速器proportional-integral- 测速装speedsensing测频单frequency人工死区单元artificialdeadbandmodule电液转换器electro-hydraulicconverter电液伺服阀electro-hydraulicservo-valve电液比例（方向）electro-hydraulicproportionaldirectional主配压maindistributingvalvecontrol（机械）开度限制机构mechanical)opening电气开度限制单electricalopening转速调整机构speedadjustingmechanismspeed功率给定单元powersetting频率给定单元frequencysetting接力辅助接力器auxiliary中间接力器pilot主接力main导叶接力器guidevane转叶[折向器/偏流器]接力器(runner)blade[jetdeflector/cutindeflector]协联装combination 闭装置stepclosing自动运automatic手动运manual限负荷运行limitedload孤立运isolated并联运parallel空载运no-loadoperationidling带负荷运行load甩负load稳定状steady小波动状态；小瞬变状态smalloscillationconditionsmalltransient大波动状态；大瞬变状态largeoscillationconditionlargetransient型式试type出厂试workshop验收试acceptance空载扰动试验no-loaddisturbing带负荷试验load甩负荷试验loadrejection额定转rated相对转relative转