水轮机控制系统标准解读

水轮机调速器
GB/T 9652.1-2007
水轮机控制系统技术条件
操作器 position operator, gate operator: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 自动停机的装臵。
电子负荷调节器 electronic load controller:利
引水和泄水 系 统 被控制系统 测量元件 执行机构 放大校正元件 – – 反馈元件 水轮机控制设备（系统） + 给定元件 水轮机、 发电机 电 网
水轮机调节系统
GB/T 9652.1-2007
水轮机控制系统技术条件
水轮机调节的任务 机组频率调节器-维持机组转速在额定转速附近，满足电 网一次调频要求； 机组功率控制器-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(AGC)要求； 机组工况控制器-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。
水轮机控制系统
GB/T 9652.1-2007
水轮机控制系统技术条件
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机组 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。
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水轮机控制系统技术条件
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数 Tw不大于4 s ；对比例积 分（PI）型调速器，水流惯性时间常数Tw不大于2.5 s。水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比 值不大于0.4。反击式机组的Ta 不小于4 s ，冲击式 机组的Ta不小于2 s 。
3.3
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水轮机控制系统技术条件
水轮发电机组转动部分的运动方程为：
J d Mt Mg dt

n 30
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，机组转速(频率)保持恒值的条件 d 是 d t 0 ，即要求 M t M g ，否则就会导致机组转速(频率) 相对于额定值升高或降低，从而出现转速(频率)偏差。
调速器类型项目大型中型小型特小型002006010018020接力器摆动值010250407508gbt965212007水轮机控制系统技术条件双比例伺服阀系统原理框图原理框图gbt965212007水轮机控制系统技术条件交流伺服电机自复中系统原理框图原理框图gbt965212007水轮机控制系统技术条件步进电机伺服缸系统原理框图原理框图gbt965212007水轮机控制系统技术条件比例伺服阀自复中系统原理框图原理框图gbt965212007水轮机控制系统技术条件微机调速器自动调节部分框图原理框图gbt965212007水轮机控制系统技术条件稳定状态steadystate
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水轮机控制系统技术条件
机构和指示仪表等组成的一个或几个装臵的总称。 机械液压调速器 mechanical hydraulic governor: 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-hydraulic governor: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-computer based governor: 以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。
调速器 governor:由实现水轮机调节及相应控制的
水轮机调速器
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水轮机控制系统技术条件
双调整调速器 double regulating governor: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 governor without pressure tank, through flow type governor: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 governor with pressure tank:由压力罐向水轮机控制系统供油的调速器。
水轮机控制系统
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水轮机控制系统技术条件
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 机调速器与油压装臵的国家标准(技术条件和试验规程)正在 修订，也将主题词‚水轮机调速器与油压装臵‛改为‚水轮 机 控制系统‛。
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水轮机控பைடு நூலகம்系统技术条件
水轮机调节系统在工作过程中，有两种工作状态：静态 （稳态）和动态（暂态）。 调节系统的静态又称为稳定状态（稳态） ，是指机组在 恒定负荷、给定信号和水头下运行，水轮机调节系统的所有 变量都处于平衡状态的运行状态。 当调节系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变 化时，调节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的动态（暂态）。 在实际运行中，水轮机调节系统的稳定状态是相对的、 暂时的，其动态则是绝对的、长期的。
水轮发电机组转动部分的运动方程
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水轮机控制系统技术条件
水轮机转矩
QH t 式中：Q——通过水轮机的流量（m3/s）；H——水轮机净水头 （m）； t ——水轮机效率； ——水的密度g/m3）。
Mt
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）偏差信号，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。
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水轮机控制系统技术条件
在水轮机数字式(微机)电液调速器出现以前，水轮机调 速器的主要作用是根据偏离机组频率(转速)额定值的偏差， 调节水轮机导叶和轮叶机构，维持机组水力功率与电力功率 平衡，使机组频率(转速)保持在额定频率(转速)附近的允许 范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率(转速) 调节器。 现代水电厂和电力系统，对水轮机调速器的性能及功能 提出了新的和更严格的要求。
用电子电路组成的能耗式调速器。
电动机调速器 governor with motor driven gate
operator:用电动机经减速装臵来控制水轮机导水机构的 调速器。 油压装臵 oil pressure supply unit:能提供液压 能的装臵。
水轮机调速器
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接力器
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水轮机控制系统技术条件
3.2 水轮发电机组运行正常 3.2.1 水轮机在制造厂规定的条件下运行。 3.2.2 测速信号源、水轮机导水机构、转叶机构、 喷针及折向器机构、调速轴及反馈传动机构应无制 造和安装缺陷，并应符合各部件的技术要求。 3.2.3 水轮发电机组应能在手动各种工况下稳定运 行。在手动空载工况（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 调速器不超过±0.2％；对中、小型和特小型调速器 均不超过±0.3％。
水轮机控制系统
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水轮机控制系统技术条件
水轮机控制系统 hydraulic turbine control systems:用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等） 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。 被控制系统 controlled system:由水轮机控制系统 控制的系统，它包括水轮机、引水和泄水系统、装有电压 调节器的发电机及其所并入的电网。 水轮机调节系统 hydraulic turbine regulating system:由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统。 随动系统 servo-system:自动跟踪控制装臵输出， 并转换、放大的位臵反馈控制系统。
水轮机控制系统技术条件
3 工作条件 本标准所规定的各项调节系统静态及动态特性指 标均系在下列条件下制定： 3.1 水轮机所选定的调速器与油压装臵合理 3.1.1 接力器最大行程与导叶全开度相适应。对中、 小型和特小型调速器，导叶实际最大开度至少对应 于接力器最大行程的80％以上。 3.1.2 调速器与油压装臵的工作容量选择是合适的。
水轮机控制系统国家标准
GB/T 9652.1-2007水轮机控制系统技术条件 GB/T 9652.2-2007水轮机控制系统试验规程
解读
华中科技大学 魏守平
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水轮机控制系统技术条件
―1 范围 本标准适用于水轮机控制系统，包括工作 容量 350 N· 及以上机械液压调速器（以 m 下简称机调）和电气液压调速器（以下简 称电调）以及油压装臵。‛
水轮机控制系统
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水轮机控制系统技术条件
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。
静态（稳态）和动态（暂态）
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水轮机控制系统技术条件
接力器 servomotor 供给某一操作机构液压操作力的装臵。 辅助接力器 auxiliary servomotor 操作主配压阀的接力器，在水轮机控制系统处于稳定状态下，其活 塞位臵始终处在与主配压阀中间位臵相对应的接力器。 中间接力器 pilot servomotor 操作辅助接力器或主配压阀的接力器，在水轮机控制系统处于稳定 状态下，其活塞可停留在符合规定的任意位臵的接力器。 主接力器 main servomotor导叶接力器 guide vane servomotor 水轮机控制系统中响应主配压阀的动作，供给导叶[喷针]操作力的 接力器。 转叶[折向器/偏流器]接力器 (runner) blade [jet deflector/cut in deflector] servomotor 响应主配压阀的动作，供给转轮叶片[折向器/偏流器]操作力的接力 器。
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水轮机控制系统技术条件
有差调节 difference regulation, deviation regulation:水轮机控制系统处于自动 调节状态下，永态差值系数bp>0的调节方式。 无差调节 no-difference regulation, nodeviation regulation:水轮机控制系统处于自动 调节状态下，永态差值系数bp=0的调节方式。 随动系统 servo-system:自动跟踪控制装臵 输出，并转换、放大的位臵反馈控制系统。
水轮机调节的任务
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水轮机控制系统技术条件
水轮机调节系统的特点： 操作力大——需要经液压放大操作接力器 水流惯性：水流惯性时间常数 机械惯性：机组机电时间常数
Tw = lv gh
GD 2 · n r 2 Ta = 3580pr
系统复杂、非线性特性
水轮机调节系统的特点