水轮机调速器的基本概念

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适应式变参数调节
电气开度限制L的适应式变参数 电气开度限制 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。
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适应式变参数调节
水轮机调节的基本概念
水轮机调节的基本概念
问题 1、水电厂的生产过程是怎样实现的？ 2、水轮机调速器的任务是什么？ 3、调速器为什么要进行PID调节？ 、调速器为什么要进行PID调节？
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水电厂的生产过程是怎样实现的? 水电厂的生产过程是怎样实现的?
• 水电厂是将水的势能转换为机械水轮机的
机械能，再将水轮的机械能通过发电机在 电磁场做切割磁力线运动将机械能转换为 电能。 水的势能－－机械能－－电能
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静态特性
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。
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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bp
定Pc 的快速、单调跟踪，必须采用有开环增量 ∆P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∆P 为H和Y的函数，即∆P对H和y适应式变参数。 否则，在低水头工况整定的∆P值，将使在高水 头下的功率调节出现大的超调和振荡。 c. 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
／
bp=0~bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
速动时间常数Tx=bt×Td 接力器响应时间常数Ty
图1-9 接力器响应时间常数Ty
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◆ 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： 对于大型电气液压调速器，不超过±0.15%； 对于大型机械液压调速器和中、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。
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◆ 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—2007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的推荐值为2.5～4.0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： 对于电气液压调速器，不大于0.2s； 对于机械液压调速器，不大于0.3s。
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手动水轮机调节
比例操作 微分操作（加速度） 积分操作
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水轮机微机调速器
机械液压/电气液压/数字式（微机）电液调速器 缓冲式PID结构
图1-2 电气液压调速器(PID)结构图 10
PID结构 ：
图1-3 微机调速器结构图
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带前馈的PID结构 ：
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
技术标准GB/T9652.1 2007 静态特性 GB/T9652.2 2007
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适应式变参数调节
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
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适应式变参数调节
功率适应式变参数PI调节
a. 适应运行水头和功率偏差大小 b. 为了实现机组功率Pg 对AGC系统下达的功率给
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水轮机微机电液调速器
1.水轮机微机调速器的结构 2.静态特性 3.动态特性 4.控制功能
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水轮机微机电液调速器
双比例伺服阀系统原理框图
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水轮机微机电液调速器
交流伺服电机自复中系统原理框图
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水轮机微机电液调速器
步进电机伺服缸系统原理框图
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水轮机微机电液调速器
比例伺服阀＋自复中系统原理框图
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水轮机微机电液调速器
1. 水轮机微机调速器的结构
微机调节器、电/机转换装置、机械液压系统
图2-1 PLC水轮机微机调速器的总体框图
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水轮机微机电液调速器
◆ 典型结构
步进电机（速度环）电液转换器/机械液压随动系统型
步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图
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水轮机微机电液调速器
步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图
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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
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系统特点：
操作力大——需要经液压放大操作接力器 LQ Tw = ∑ 水流惯性： gH 2 机械惯性： 系统复杂、非线性特性
其中Q－机组流量；L-引水管长度；H－水头；Pr-机组额定功率；nr-机组 额定转速；GD2-机组转动惯量
GD • nr Ta = 3580 pr
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机组频率测量
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（DC24V供电） 测频范围： 残压测频 (10～100Hz) 齿盘测频： (2～100Hz) 测频分辨率：±0.0015Hz
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机组频率测量
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水轮机数字式（微机）电液调速器
动态特性
PI响应特性：
PI调节器的阶跃输入响应特性
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动态特性
PID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
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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 故障诊断： 测频 导叶反馈 功率/水头变送器
fc =50.5Hz，yc=0.5，bp=0.04 (b) fg(Hz)
0.5
1.0
y
fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.04 (c)
fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.02 (d)
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静态特性
EF
人工频率死区：
E 和人工开度/功率死区F / p
(a) fg、Ef以赫兹表示的特性 (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 36
GB/T 9652.1—2007主要静态特性指标
大 型 调速器类型 项目 电调 机调
中 型
小 型 特小型
电调
机调
电调 ≤0.10
机调 ≤0.18 ≤0.20
≤0.08 转速死区/% ≤0.04 ≤0.10 ≤0.15 ix （0.02） （0.06） 轮叶随动系统 不准确度 /ia% bp整定范围 ≤1.5
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◆ 水轮机调节系统的பைடு நூலகம்态和动态特性
技术标准对T 的规定： 技术标准对 a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。
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静态特性
f c、yc 对静态特性的影响 ∆I = f c − f g + bp ( yc − yPID )＝0
调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性
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.静态特性
fg(Hz) 51.0 50.0 49.0 51.5 50.5 49.5 fg (Hz)
0
0.5
1.0
y
0
0.5
1.0
y
fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04 (a) fg(Hz) 50.5 50.0 50.5 50.0 49.5 48.5 0 0.25 1.0 y 0
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。
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机组频率测量
F f1
高频时钟信号 N & f1 放大 整形 f2 分频 f3 f4
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水轮机调节的基本概念
一. 水轮机调节的基本概念 二. 水轮机微机电液调速器
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水轮机调节的基本概念
1. 水轮机调节的任务 2. 水轮机调节系统 3. 水轮机调节系统的动态和静态特性
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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； 执行计算机监控系统的调节及控制指令。
t
f2 f3 f4 NT
t T t
T
t
t
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机组频率测量
F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。
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适应式变参数调节
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调速器为什么要进行PID调节？
PID调节 的目的是使水能发电机组在规定的时间和 调节的范围内快速、平稳的控制机组到达理想的控 制目标值。 KP（比例、增益）的作用：提高调速器的速度性。 KD（微分环节）的作用：增强调速器的相应速度，提高调 速器调节的速度性。 KI（积分环节）的作用：提高调速器的稳定性，使调速器 平稳调节。 只有在三个参数比较匹配的情况下，调速器按规定 的理想曲线进行调节。
b 静态特性： p (bs )
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水轮机调节系统静态特性
水轮机调节系统静态特性
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性 永态差值系数： 静速死区： ix
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性 随动系统不准确度 ：
y 1(输 入 )
ia
·
·
ia
0
1 .0
y 2(输 出 )
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
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。
适应式两段 开机特性
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适应式变参数调节
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 L 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
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水轮机微机电液调速器
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
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水轮机微机电液调速器
交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图
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水轮机微机电液调速器
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
动态特性(PID传递函数表达式)
Td + T n KP = b t Td 1 KI = b t Td Tn KD = bt
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动态特性(PID离散表达式)
采样周期τ 若要将PID调节规律用软件实现，则必须进行离散 计算。采样周期τ 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、软件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τ。 准确地知道采样周期τ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。