水轮机调节的基本概念和凌津滩电厂调速器系统简介

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三.微机调节器－机组频率测量
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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三.微机调节器－机组频率测量
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2.水轮机调节的基本原理和特点
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1-3 电气液压调速器(PID)结构图
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2.水轮机调节的基本原理和特点
PID结构 ：
图1-4 微机调速器结构图
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 1 水轮机调节系统的静态特性 静态特性： b p (bs )
F
高频时钟信号 N & f1 放大 整形 f2 分频 f3 f4
f1 f2 f3 f4 NT T
t
t T t
t
t
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三.微机调节器－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，N×T=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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2.水轮机调节的基本原理和特点


水轮机自动调节的基本原理
从调节规律看，现有的调速器大多属于比例积分（PI）或比例积分微 分（PID）式的。典型调速器方块图中常用的符号： X＝（n/nr）＝（f/fr）―― 转速（频率）相对量 y＝Y/Ym＝Z/Zm ―― 接力器行程相对量 Bp――――――永态转差系数 Bt――――――暂态转差系数 Td――――――缓冲装置时间常数 Tn――――――加速时间常数 Ty1――――――中间接力器（辅助接力器）反应时间常数 Ty2、Ty――――――接力器反应时间常数 S ―――――拉普拉斯算子
图1-5 水轮机调节系统的静特性
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性


3. 1 水轮机调节系统的静态特性
当指令信号恒定时，调速系统处于平衡状态，转速相对值与接力器行 程相对值的关系曲线图，就是调速系统静态特性。 （1）永态转差系数Bp 调速系统静态特性曲线图上某一规定运行点处斜率的负数就是该点的永 态转差系数。其数学表达式为： Bp=－dx/dy
调速器PID特性： 上式中YPID为导叶开度值，△F为频率偏差值， KP、KI、KD分 别为比例项，积分项和微分项的增益。 KP：比例控制，它的作用是能快速消除偏差，使被调量尽快 达到定值。 KI：积分控制，它是一种随着时间逐渐增大控制作用的控制 方式，当Δ Ｘ当常数时，YI=KI·Δ Ｘ·t只要偏差存在控制 值YI就不断增大，直到偏差Δ Ｘ消除，它的作用是消除静 差．作用比较缓慢能使调节平稳。
备注：式中负号的物理意义是，转速的正差（转速上升）一定对应于接力器行 程的负偏差（接力器关闭）
最大行程的永态转差系数bs：在规定的指令信号下，从调速系统静态特 性曲线图上得出的接力器在全开（Y=1.0）位置的相对转速之差。
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性


3. 1 水轮机调节系统的静态特性 当调速系统静态特性曲线很接近与一条直线时，各点的Bp值就相 差甚小并有近似的关系Bp≈bs。从图1—5中可以看出，Bp愈大， 接力器全行程对应的频率偏差旧愈大；Bp愈小，则此频率偏差愈 小；Bp为零，静态特性曲线就近似成为一根平行与横轴的直线， 接力器全行程对应的频率偏差则为零。 GB9652.1—1997规定，永态转差系数应在自零至最大值范围 内整定，最大值不小于10%。
KP=
KI = KD =
Td Tn btTD
1 btTd
Tn bt
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
水轮机调节系统动态特性应满足的技术要求： 1、调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。 在空载工况自动运行时，施加一阶跃型转速指令信号，观 察过渡过程，以便选择调速器的运行参数。 待稳定后记录转速摆动相对值，对大型调速器不超过 ±0.15％，对中、小型不超过±0.25％，特小型不超过 ±0.3％。
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2.水轮机调节的基本原理
系统结构：
图1-1 水轮机调节系统的结构图
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2.水轮机调节的基本原理和特点
水轮机自动调节原理框图
图1-2 水轮机自动调节方框图
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2.水轮机调节的基本原理和特点

水轮机自动调节的基本原理 测量元件把机组转速（频率）转换成为机械位移（机械液压调速 器）或电气信号（电气液压调速器）或数字信号（微机调速器）， 与给定信号和反馈信号比较，综合后，经放大校正元件使执行机 构（接力器）操作导水机构。同时，执行机构的作用又经反馈信 号，从而使调速器具有一定的静态特性和动态调节规律。
调节模式间的转换关系
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
1. 水轮机微机调速器的基本调节模式
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
协联特性：
微机调节器采用的水轮机协联曲线
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2.控制功能
工作状态：
微机调速器工作状态转换图
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三.微机调节器－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（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
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
GB9652.1—1997对PID调节器参数要求 国家标准规定：比例增益KP的最小值不大于0.5，其最大值不小 于20；积分增益KI最小值不大于0.05，最大值不小于10；微分 增益KD最小值为零，最大值不小于5。 缓冲型调速器与采用PID调节器的调速器动态参数间对应关系 ：
一. 水轮机调节的基本概念
1. 水轮机调节的任务 2. 水轮机调节的基本原理 3. 水轮机调节系统的动态和静态特性
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1.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。 对与导叶/桨叶双调调速器，还有维持机组在高效区运转的任务
水轮机调速器的基本概念 和 凌津滩电厂调速器系统简介
水轮机调节的基本概念 和数字式（微机）电液调速器

一. 二. 三. 四. 五. 六.
水轮机调节的基本概念 水轮机数字式（微机）电液调速器 微机调节器 机械液压系统 数字式（微机）调速器现状及发展趋势 凌津滩电厂调速器系统简介
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 2 水轮机调节系统的动态特性
调速器PID特性： KD：微分控制，它是一种有预见性的控制或提前作用的控 制．Δ Ｘ/Δ T这项偏差变化的速度，偏差变化越快，这项的 调节量作用变越强。即使偏差很小，只要偏差变化快，微分 控制作用也很强。在调节系统中有很强的抑制系统振荡作用， 提高系统的稳定性。一般干扰信号变化快，微分调节会增强 干扰信号，所以当机组并入电网后，都会切除微分项。 在现代水轮机微机调速器中，不是任何工况都采用PID调节规 律．一般情况下，在空载工况和带孤立负荷运行时多采用Ｐ ＩＤ调节规律。并入电网在开度模式和功率模式下一般用Ｐ Ｉ调节规律．采用ＰＩ调节规律时令微分项的系数KD=0。
1. 水轮机微机调速器的结构
◆ 典型结构：比例阀电液转换器/机械液压随动系统型
图2-1 比例阀水轮机微机调速器的总体框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
微机调速器自动调节部分框图
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二. 水轮机数字式（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
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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 2. 控制功能
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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
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
交流伺服电机系统原理框图
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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
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 2 水轮机调节系统的动态特性
调速器PIDΒιβλιοθήκη 性： 阶跃输入响应特性：y PID ( s) 1 [k P k I k D s] F ( s) s

图1-8 PID调节器的阶跃输出响应特性
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 2 水轮机调节系统的动态特性
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1.水轮机调节的任务
水轮发电机组转动部分的运动决定于下列方程式： Jdω /dt＝Mt－Mg 式中：J－－－机组转动部分动量矩 ω ＝(π n/30)－－－－转动角速度 ｎ－－－－机组转速 Mt－－－－水轮机转矩 Mｇ－－－发电机负载转矩 以上公式清楚地表明，水轮发电机组转速维持恒定（即 dω /dt＝0）的条件是Mt＝Mg，否则就会导致机组转速相对 于额定值的升高或降低，从而出现转速偏差Δ n。
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 1 水轮机调节系统的静态特性
转速死区：ix
图1-6 转速死区
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
转速死区：ix
指令信号恒定，不起调速作用的两个转速相对值间的最大区间称为转速 死区ix（图1—6），转速死区的一半为转速不灵敏度。从有利改善水轮 机调节系统的静态品质看，ix值愈小愈好。 GB9652.1—1997规定，测至主接力器的转速死区不超过下表规定值：
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1.水轮机调节的任务
水轮机转矩的表达式为: Mt＝QHη y/ω 式中 : Q－－－通过水轮机的流量 H－－－水轮机净水头 η －－－水轮机总效率 y－－－ 单位容积水的质量 所以,在恒定水头下，只有调节水轮机流量Q，才能明显地改变水轮机转矩Mt, 从而达到Mt ＝Mg的目的。从现象上看，水轮机调节的主要任务是维持机组转速 恒定（在额定转速附近的一个允许范围内）。然而，从实质上讲，只有当调速器 相应地调节导水机构，使水轮机转矩Mt等于发电机负载转矩Mg，机组才又回到一 个允许的新的稳定转速下运行。从这个意义上说，水轮机调节的实质就是：根据 偏离了额定工况的转速（频率）偏差信号，调节水轮机导水机构，不断地维持水 轮机发电功率与负荷功率的平衡状态。在贯流式水轮机中，浆叶（轮叶）角度变 化不是用来调节流量，而是用来改变机组的能量转换效率的，适当的轮叶角度能 保证在相应水头和负荷时，机组有相对较高的效率。
3. 2 水轮机调节系统的动态特性
水轮机调速系统的动态特性是指从转速信号至接力器行程之 间环节组合体的动态特性，就是水轮机调速器自身开环动态 特性。水轮机调节系统的动态特性，则是由调速系统和被控 制系统组成的闭环系统的动态特性。 调速系统动态特性的好坏在很大程度上决定了水轮机调节系 统动态品质的优劣；但是，水轮机调节系统的动态过程还与 水轮机、发电机、过水管道系统、电网等被控制系统的特性 有十分密切的关系。
调速器类型
性 能
大
电调 0.04
型
机调 0.10 电调 0.08
中
型
机调 0.15
小
电调 0.10
型
机调 0.18
特小型
转速死区%
0.20
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
随动系统不准确度 ：
ia

对于双调式水轮机调速系统，桨叶随动系统的不准确度ia不大于 1.5%
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
水轮机调节系统动态特性应满足的技术要求： 2、机组甩负荷后动态品质应达到： （1）甩100％额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳定 转速3％额定转速值以上的波峰不超过2次。 （2）机组甩100％额定负载后，从接力器第一次向开启方 向移动起，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40秒。 （3）转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间： 对电调不大于0.2秒，机调不大于0.3秒。