水轮机控制工程第一章水轮机调节的基本概念
水轮机调节名词解释
一．名词解释1.水轮机调节:在自动调节装置（调速器）控制下的水轮发电机组，按照预定的功能、性能和程序完成电能生产的调节及控制过程。
2.水轮机调节系统：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，并将它们按照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。
3.水轮机调节系统的静特性：指调节系统处于稳定平衡状态时的机组转速与出力之间的变化关系。
4.机组惯性时间常数:是指机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。
5水流惯性时间常数:是指在额定工况下，表征过水管道中水流惯性的特征时间常数。
6接力器的最短关闭时间:接力器以匀速由全开到全关位置所用时间。
7调节保证计算：在设计阶段就应计算出上述过渡过程中最大转速上升值及最大压力上升值.工程上把这种计算称为调节保证计算.8闭环开机：9调节时间：Tp是指从阶跃扰动发生时刻开始到调节系统进入新的平衡状态为止所经历的时间.二．思考题1.水轮机调节的方法：根据负荷变化引起的机组转速或者频率的偏差，利用调速器调整水轮机导叶或喷针的开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时恢复平衡，从而确保转速或者频率在规定的的范围内。
2.调差率e值与什么因素有关3.水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比，有什么特点：1）受河流自然条件的限制，其单位工作介质的能量较小。
2）由于工作介质不同，水流的运动惯性较汽流的较大，长引水管道的水电机组水流惯性尤为明显。
3）某些水轮机具有双重调节机构，增加了水轮机调速器的复杂性。
4）水电机组在电力系统中承担着调频、调峰和事故备用等任务，随着电力系统容量及结构复杂程度的不断增加，水电机组在电力系统中的作用更加明显。
4.利用开度限制机构的作用5.水轮机调速器的分类方式有哪几种:1)按元件结构分为机械液压和电气液压，其中，电气液压又分为模拟电气液压和数字电气液压2）按系统结构分为辅助接力器型、中间接力器型和调节型3）按照控制策略分为PI（比例+积分）调节型，PID（比例+积分+微分）调节型和智能控制型4）按执行机构数目分为单调节调速器和双调节调速器5）按工作容量分为大型、中型、小型、特小型。
水轮机调速器的基本概念
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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
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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
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
水轮机调节ppt课件
水轮机的调节系统具有以下特点： 水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺寸也较大， 需要较大的力才能推动导水机构，因此，调速器需要有放大元件 和强大的执行元件(即前述的接力器)。 水轮发电机组以水为发电介质，水有较大的密度，同时，水电 站的输水道一般较长，其中的水体有较大的质量，水轮机调节过 程中的流量变化将引起很大的压力变化(即水锤)，从而给水轮机 调节带来很大困难。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
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02
水轮机调节的基本概念
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水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
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图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的
各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能达到 新的平衡状态(即稳定工况)，与调节系统的特性有关，这种特性 称调节系统的动特性。
若在经过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平 衡状态与原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态， 亦与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。
例如： 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从
而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维 的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏差， 大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
第一章 水轮机调节的基本原理
随着电力系统容量扩大、自动化水平提高，对水轮机调速器稳 定性、速动性、准确性提出了越来越高的要求，调速器的操作功能、 自动控制不断完善，已成为水电站综合自动化必不可少的自动装置。 四、调速器的发展 最早调速器是蒸汽机调速器。20世纪30年代出现了完善的机械液 压调速器。20世纪40年代中期出现了电气液压型调速器。20世纪 80年代初，出现在了常规油压和高油压微机调速器。
式 中
负反馈—— 反馈信号的作用方向与原输入信号的方向相反的反馈； 负反馈 正反馈—— 反馈信号的作用方向与原输入信号的方向相同的反馈； 正反馈 调速器中一般采用负反馈 负反馈。 负反馈 在机械液压调速器中常见的反馈有两种：一种是硬反馈；另一种是软反馈。 （一）硬反馈 硬反馈 局部反馈是一种硬反馈。
节流孔是上、下腔唯一的通道，调整节流孔大小可以调节油流阻力。 主接力器活塞杆通过杠杆、拉杆等作用于主动活塞，从动活塞通过拉杆、杠杆作用于 引导阀针塞。 1）主动活塞没有受到接力器反馈锥体反馈作用时，主、从动活塞都处于相对中间位 置，从动活塞的上端没有位移输出； 2）主动活塞受到接力器反馈锥体反馈作用而向下移动时，由于油是不可压缩液体， 且活塞下腔的油不能马上由节流孔进入上腔，因此下腔油压升高，迫使从动活塞上移，输 出一个位移信号，并作用于引导阀针塞，同时压缩弹簧。下腔压力油经节流孔进入活塞上 腔，在弹簧恢复力作用下，经过一段时间，上、下腔压力平衡，从动活塞逐渐回复到中间 位置，使输出位移消失。反之，当主动活塞受力上移时，主动活塞下部产生真空，由于上 腔油来不及通过节流孔到下腔，从动活塞被向下吸引，产生一个向下的位移，并作用于针 塞向下移动。随后在弹簧恢复力作用下，上腔的油通过节流孔流入下腔，从动活塞回复中 间位置，输出位移信号消失。 缓冲装置输出位移只在调节过程中存在，调节过程结束后，反馈位移自动消失，因此 这种反馈称为软反馈或暂态反馈。
水轮机调节
第四章 水轮机调节一、水轮调节的任务系统符合发生变化时，对机组产生两方面的影响：1) 系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。
2) 系统负荷变化→系统电流的频率f 发生变化，由于f 是磁极对数p 和转速n的函数→发电机调速器动作→发电机的转速恢复并保持在许可范围内。
水轮机调节的任务：1) 随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
2) 保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过±0.5Hz ，大电力系统不超过±0.2Hz 。
3) 启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。
二、水轮机调节原理水轮发电机组的运动方程式为：dtd JMM gt ϖ=-式中： M t ——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)M g ——发电机的阻力矩 J ——机组惯性矩； ω——角速度；由此方程可见：当M t - M g >0时，机组转速上升；当M t - M g >0时，机组转速下降； 当M t - M g =0时，机组转速保持不变。
所以当负荷变化时，应调节M t ，使M t =M g ，n =n e 又：ϖηληγϖQH M QH M t t =⇒=所以，要使ω=C，一般不能改变H和效率η，而是通过改变Q而达到改变主动力矩M t的目的。
调节流量的途径：反击式：通过改变导叶开度a0，ZZ：同时改变叶片转角。
冲击式：通过改变喷嘴开度。
水轮机调节的定义：随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。
调节实质：调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。
三、水轮机调节系统的组成水轮机自动调节系统：调速柜+油压设备+接力器。
其中中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。
调速柜的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。
水轮机调节的基本概念和微机调速器讲座9
中型 电调 机调
小型 电调 机调
特小型
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
不准确度
≤1.5
／
/ia%
bp整定范围
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
Td
10Tx 100Tx
t 0.5
x 0.1
5btTd
5Tx
5 KI
t 0.1
x 0.1
btTd
Tx
1 KI
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◆ 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Ty
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
率传感器；
机组空载：频率调节模式； 机组并入大电网：功率调节摸式或开度调节模式； 机组在小电网（带孤立负荷）：频率调节模式；
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2.静态特性 y fc 频率给定； fn 电网频率； f g 机组频率； c 开度给定；
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 )＝0
4
2.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——需要经液压放大操作接力器
水流惯性：
Tw lv
机械惯性：
gh Ta GD2 nr2
水轮机调节的基本概念
一、水轮机调节的基本概念
1.水轮机调节系统
水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统 开环系统:众所周知，如果系统的输出量对系统的输入 (控制)作用没有
影响，则这个系统是开环系统(Open loop system)。因此，对应于一个 输入(控制)量，便有一个相应固定的输出量与之对应，系统的控制精度 取决于系统参数的校准；但是，当系统出现扰动或参数变化时，原来相 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。 闭环系统:从图可以看出，水轮机调节系统的输出(机组(电网)频率、机 组功率等)对系统的控制作用(转速(频率)给定、机组功率给定、接力器开 度给定等)有着直接的影响，一般称其为反馈作用(Feedback effect)；所 以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统(调速器)自身也 是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施加 在控制器的输入可以减少系统的误差，并使系统的输出量趋于给定值。 所以，闭环系统就是利用反馈来减小系统的误差。当然，对于一个闭环 控制(调节)系统来说，系统的稳定性(Stability)始终是一个重要问题。除 去稳定问题之外，闭环控制(调节)系统的动态过程及动态品质(性能)也是 比开环系统复杂的多；因为，闭环控制(调节)系统动态稳定时，还可能 出现动态过程中超调或衰减振荡(Damply oscillation)现象。
一、水轮机调节的基本概念
2.水轮机调节的任务
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置的国家标准(技术条 件和试验)已经修订，也将主题词“水轮机调速器与 油压装置”改为“水轮机控制系统”。
水轮机调节的基本概念
水轮机调节系统的新技术和新应用
智能控制技术：实现水轮机调节的自动化和智能化 远程监控技术：实现水轮机调节的远程监控和故障诊断 节能技术：提高水轮机调节的效率和节能效果 环保技术：减少水轮机调节对环境的影响实现绿色环保
水轮机调节系统的挑战和机遇
挑战：技术难度大需要不断研发和创新 挑战：市场竞争激烈需要不断提高产品质量和性能 机遇：绿色能源需求增长水轮机调节系统市场前景广阔 机遇：政策支持有利于水轮机调节系统的推广和应用
03 水轮机调节的种类
机械调节
机械调节原理：通过改变水轮机叶 片角度或导叶开度来调节流量
机械调节特点：响应速度快、调节 精度高、稳定性好
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机械调节方式：叶片角度调节、导 叶开度调节、桨叶调节等
机械调节应用：广泛应用于水电站、 泵站等水轮机调节系统中
电气调节
原理：通过改变发电机的励磁电流来调节水轮机的转速 优点：响应速度快调节精度高 缺点：需要额外的励磁设备成本较高 应用：适用于大中型水轮机特别是调频调峰场合
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汇报人：
调速器：控制水轮机转速的 装置
水轮机：将水流的动能转化 为机械能的设备
控制系统：实现水轮机调节 的自动化控制
传感器：监测水轮机运行状 态的设备
执行器：根据控制信号调整 水轮机运行状态的设备
水轮机调节的基本原理
水轮机调节的目的是控制水流量以保持稳定的发电量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量
水轮机调节基础知识
水轮机调节基础知识1、反应电能质量指标：电压和频率。
2、水轮机调节：在电力系统中，为了使水轮发电机组的供电频率稳定在某一规定的范围内而进行的调节。
3、水轮机调节系统由调节对象和调速器组成。
调节对象有引水系统、水轮机、发电机和电力系统。
4、Kf 越大，或者δf 越小，或者转速死区越小，离心摆的灵敏度越高。
5、系统越稳定:TW 越小、TA 越大、en 越大、TD 越大、bp 越大6、Tw 大则应增加bt 以减小水击。
，Ta 小则应增加bt 以减小转速变化值。
7、水轮机调节的途径：改变导叶开度或喷针行程，方法是利用调速器按负荷变化引起的机组转速或频率的偏差调整水轮机导叶或喷针开度使水轮机动力距和发电机阻力距及时回复平衡从而使转速和频率保持在规定范围内。
8、水轮机调节的特点：自动调节系统、一个复杂非线性控制系统、有较长引水管道开启或关闭导叶时压水管道产生水击、随电力系统容量的扩大和自动化水平的提高对水轮机调速器的稳定性，速度性，准确性要求高。
9、调速系统的组成：被控对象，测量元件，液压放大元件，反馈控制元件。
10、引导阀的作用：把转动套的位移量的变化变转变为压力油的流量的变化，去控制辅助接力器活塞的运动。
11、硬反馈又称调差机构或永态转差机构，输出信号与输入信号成比例的反馈称为硬反馈或比例反馈。
用于实现机组有差调节，以保证并网运行的机组合理地分配负荷。
12、软反馈又称缓冲装置或暂态转差机构或校正元件，只在调节过程中存在，调节过程结束后，反馈位移自动消失，这种反馈称为软反馈或暂态反馈。
作用是提高调节系统的稳定性和改善调节系统的品质。
13、硬反馈的作用：实现机组有差调节保证并网运行的机组合理非配负荷。
14、硬反馈的组成：反馈椎体、反馈框架、螺母、螺杆、转轴、传动杆件。
15、软反馈的作用：提高调节系统的稳定性，改善调节系统的品质。
16、缓冲装置的组成：壳体，主动活塞组件，从动活塞组件，针塞组件，弹簧盒组件。
17、18、调差机构的作用：用于改变机组静特性斜率，确定并列运行机组之间负荷的分配，防止负荷在并列运行机组之间来回窜动。
水轮机调节原理
•不带接力器调速器的参数
主配压阀直径d（mm） 许用输油流量范围Q（L/s） 额定油压pr（Mpa）
12 ① 35 50 80 0.5 ≤5 5~10 10~25 2.5、4.0 2.5、4.0 2.5、4.0 2.5、4.0、6.3
100
150 200
注 ①一级放大系统用引导阀直径表示。
25~50
电力系统对电网频率的要求
大电网（3000MW以上）——50±0.2Hz 小电网（3000MW以下）——50±0.5Hz
水轮机调节的途径和方法
水轮机调节的途径
通过改变流量来调节水轮机的动力矩
水轮机调节的方法
混流式水轮机——调节导叶开度 轴流转桨式水轮机——同时协联地改变导叶开度与桨叶 角度 冲击式水轮机——改变喷针行程
水轮机调节课程的整体介绍
课程地位：专业课之一 学习方法：勤于思考、加强记忆、相互探讨 讲授方法：课堂讲授、讲练结合 授课计划：特点“讨论课”
水轮机调节的基本概念
水轮机调节系统的组成
调节器——调速器 调节对象——引水系统、机组和电网
水轮机调节的任务
使水轮发电机组的供电频率稳定在某一规定的范围内
50~100 100~150
2.5、4.0、6.3
2.5、4.0、6.3 2.5、4.0、6.3
•带压油罐及接力器调速器的参数
型式 接力器容量（N· m）
30000 恒压 接力 器 18000 10000 6000 3000 3000 差压 接力 器 1500 750 350
接力器最短关闭时间（s）
调速器的发展
机械液压型、电气液压型（电子管、集成
1、调速器的分类
按元件结构分类 机械液压型调速器、电气液压型调速器 按调速器容量的大小分类 小型调速器——接力器工作容量3000~10000Nm 中型调速器——接力器工作容量10000~30000Nm 大型调速器——主配压阀直径80、100、150、200mm 按调速器执行机构数目分类 单调节调速器、双调节调速器 按调速器调节规律分类 PI（比例+积分）型调速器、PID（比例+积分+微分）型调速器 按调速器与油压装置、主接力器的分布分类 整体式、分离式
1第一章 水轮机调节基本知识
3、基本要求：快 准 稳。
第一章 水轮机调节基本知识 §1.2 自动调速器的构成原理
调节方式：人工调节与自动调节；
一、人工调节方式：
手动调速器是最简单的水机调节装置。
1）结构： 2）调节方式：搬动手轮改变开度； 3）调节任务由操纵人员承担；
第一章 水轮机调节基本知识
主要教学内容 1、电力生产的特点 2、水调基本任务 3、动力矩与阻力矩的特点 4、水轮机力矩平衡特性 5、掌握自动调速器的构成原理 6、掌握双调节调速器的构成原理 7、熟悉调速器的表示型号、掌握国家现行有关标准
的规定
第一章 水轮机调节基本知识 §1.1 水轮机调节基本任务与途径
第一章 水轮机调节基本知识 §1.1 水轮机调节基本任务与途径
二、水调途径与方法
1、水轮发电机组的基本方程式： Jε =Mt-Mg
2、水轮机动力矩特性 如图：
水轮机动力矩特性
水轮机组发电示意图
第一章 水轮机调节基本知识 §1.1 水轮机调节基本任务与途径 3、发电机阻力矩特性 如图：
4、水调力矩平衡特性 如图： （1）稳定运行状况： （2）无调节状况： （3）有调节状况： （4）人为变速调节：
5、水调途径：
跟随负荷变化调整流量Q。 实施方法：
ZD，HL ：导叶开度
ZZ，XL，GZ ：导叶开度，轮叶角度
CJ
：喷针开度，折向器位置
第一章 水轮机调节基本知识 §1.1 水轮机调节基本任务与途径
三、水调特点及要求
1、水调定义：由调速器对水轮发电机组实行自动控 制，是自动控制原理的具体应用，具体表现在跟随负 荷的变化调节流量维持机组转速稳定，保证供电质量 的过程。
第一章水轮机调节的基本原理
转速不变
转速上升
转速下降
1：上支持块 ； 2：钢带 ；3：限位块 ； 4：重块 ；5：限位螺杆 ；6：弹簧； 7：下支持块； 8：转动套
在忽略惯性力、液摩阻力时，离心摆的输入信号与输出信号之间成正比关系：
式 中
上式表明：若把下支持块位移量△L看成离心摆的输出量，把转速变化量的相对值x看成输 入量，则离心摆的输出量与输入量成正比。
水轮机调节的途径：改变导叶开度或喷针行程。 具体做法：利用调速器按负荷变化引起的机组转速或频率的偏差， 调整水轮机导叶或喷针开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时 恢复平衡，从而使转速和频率保持在规定的范围内。 三、水轮机调节的特点
▲机组以水为工作介质，谁能开发受到自然条件限制，且单位工 作介质小，发出同样的电能需要通过较大的流量，配备的导水机构 也较大，需要配置较大液压操作机构，但液压元件非线性和时间滞 后性会影响水轮机调节系统的动态品质；
第一章 水轮机调节的基本原理
第四节 调节系统静态与动态特性
前言： 1.调速器是机组最重要控制设备之一，其担负着机组转 速（f）调整、机组开机、停机、并网及有功负荷调整等 任务。 2.调速器性能的好坏直接关系到机组运行的稳定和可靠 性，甚至关系到电网的稳定。 3.调速器性能品质指标衡量指标： 调速器静态特性/动态特性，及其相关参数 一、调节系统的静态特性及品质指标
通过引导阀的油流量与针塞阀盘和转动套相对位移量关系：
Q vS vbh
式中 v：转动套窗口油流速度； △S：引导阀窗口开度； b：转动套窗口宽度； △h：针塞阀盘与转动套窗口的相对位移。
（二）辅助接力器与主配压阀 组成：阀体、辅助接力器活塞、主配压阀活塞等。 辅助接力器活塞是差动活塞，上盘上部通压力油，下部通排油； 主配压阀活塞2个阀盘，上盘面积大、下盘面积小；
水轮机调节应知应会
水轮机调速器期末复习资料第一章水轮机调节的基本概念水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和被控制系统（调节器）所组成，对水电站而言，调节器就是调速器。
由于水电站是一个水、机、电综合系统，一方面机组与压力引水道有水力上的联系，另一方面又与电力系统有电气上的联系。
因而调节对象包括机组（水轮机和发电机）、引水道和电网。
国家电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹），大电网（容量大于3000MW）允许的频率偏差为±0.2Hz，小电网（容量小于3000MW）允许的频率偏差为±0.5。
水轮机调节的任务就是解决如何能使机组转速（频率）保持在额定值附件的某个范围之内。
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，维持水轮发电机机组功率与负荷功率的平衡。
调节进入水轮机的流量，对于混流式水轮机，采用改变导叶开度的办法；对于转桨式水轮机，采用同时协联改变导叶开度和转轮叶片角度的办法；对冲击式水轮机，采用同时协联改变喷针行程和折向器开度的办法来实现。
水轮机调速器是水电站水轮发电机组重要的辅助设备之一，它除了控制机组的转速之外，还与电站二次回路或微机监控系统相配合，完成如下的工作：（1）进行机组的正常操作：机组的开停机、增减负荷以及发电、调相等各种工况的相互切换。
（2）保证机组的安全运行：在各种事故情况下，机组甩掉全部负荷后，调速系统应能保证机组迅速稳定在空载转速或根据指令信号，可靠地紧急停机。
（3）实现机组的经济运行：按要求自动分配机组间的负荷。
按调速器元件结构分类——可分为机械液压型和电气液压型两大类。
按调速器容量的大小分类——可分为大型调速器、中小型调速器和特小型调速器。
按调速器调节规律分类——可分为PI型和PID型调速器。
按调速器所用油压装置和接力器是否单独设置分类——可分为独立式和分离式调速器。
YT－6000；YDT－18000；WST－100型号的含义。
水轮机调节控制系统
第一章 调速系统基础知识1.水轮机调节的根本任务水轮发电机组把水能转化为电能供用户使用。
用户除要求供电安全可靠外，还要求电能 的频率和电压保持在额定值附近的某范围内。
频率偏离额定值过大对用户不利，可能使用户的产品质量降低。
按规定：系统频率应保持在50HZ，其偏差不得超过±0.5HZ：对于大容量系统，频率的偏差不得超过±0.2HZ。
此外，还应保持电钟指示与标准时间的偏差在任何时候不大于1分钟；对于大容量系统，不得大于30秒。
同时，电力系统的负荷是不断变化的，存在周期为几秒至几十分钟的负荷波动，这种不可预见的负荷波动幅值可达电力系统总容量的2~3%。
此外，一天之内系统负荷有早、晚两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可预见的。
电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动。
因此，必须根据负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组的转速（频率）在规定范围内。
这就是水轮机调节的根本任务。
2.实现水轮机调节的途径通过什么方法与途径完成“水轮机调节”的基本任务呢？为简明起见，仅对一台水轮发电机组带负荷的情况进行讨论。
如图示是水轮发电机组示意图。
水轮发电机组示意图水轮发电机转动部分是一个围绕固定轴线做旋转运动的刚体，它的运动可由下列方程描述：式中J ----机组惯性矩；ω---角速度，ω=πn/30（n为机组转速）； t M ---水轮机动力矩；t g d ωJ=M -M dtg M ---水轮机阻力矩。
水轮机动力矩由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于：水头H，导叶开度a （流量Q），机组转速等。
由上式可见，实现水轮机调节的途径就是改变水轮机导叶的开度。
3.水轮机调节的特点¾ 水轮机调节具有以下特点：¾ 决定机组出力最基本的因素是水头和流量；¾ 具有两套调节机构的水轮机，在对它们进行调节时，为了达到某种预期的目的，在两套机构之间设有相应的协联机构。
《水轮机调节的基本概述与工作原理》
(1)水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺 寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构，因此，调速器 需要有放大元件和强大的执行元件(即前述的接力器)。
(2)水轮发电机组以水为发电介质，与蒸汽等相比，水 有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长，其中的水 体有较大的质量，水轮机调节过程中的流量变化将引起很大 的压力变化(即水锤)，从而给水轮机调节带来很大困难。
图4—2(e)是一个非周期性发散 过程，转速n一旦偏离定额值n0， 其与n0的偏差将随时间而增大， 不可能达到一个新的稳定状态。
图4—2(a)和(b)的过渡过程是稳定的，其他三种过渡过程 是不稳定的。过渡过程能否稳定，决定于调节系统本身的性质。 稳定性是对调节系统的基本要求，不稳定的调节系统是不能采 用的。
导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
在方块图4—1中，测量、加法、放大、执行和反馈元件总称 为自动调速器。导水机构包括机组在内，统称为调节对象。
调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统。
水轮机调节系统以频率 f (亦即机组转速)为被调节参数，根 据实测 f 与给定值间的偏差调节导水机构的开度，从而改变机组 的出力和转速(频率)，但要使改变后的频率符合给定值需要一个 调节过程，这个过程又称为调节系统的过渡过程，在这个过程中， 频率、开度等参数随时间不断变化。各参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态(即稳定工况)， 与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的动特性。若在经 过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平衡状态与 原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态，亦与调节 系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。下面将分别研 究水轮机调节系统的这两种特性。
第一张水轮机调节的基础
第一章水轮机调节的基本概念§1-1 水电站的生产过程图1-1 典型水电站示意图从图1-1我们可以看到，为了利用河流的能量来发电，必须在建设水电站的地点集中河段的落差，用筑坝的方式实现。
通过压力引水道输送水能到水轮机，将水能转变成机械能。
水轮机作为交流发电机的原动力，带动发电机旋转，将机械能转变为电能。
这种电能自发电机输出送往电网，然后电能又被送到用户，用户根据自己的需要，将电能转变成各种形式的能量：机械能、光能、热能等等。
可以看出，水电站生产的全过程是水、机、电的联合生产过程，如图1-2所示。
图1-2 水电站生产过程图60pnf §1-2 水轮机调节系统简介水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和被控制系统（调节器）所组成，对水电站而言，调节器就是调速器。
由于水电站是一个水、机、电综合系统，一方面机组与压力引水道有水力上的联系，另一方面又与电力系统有电气上的联系。
因而调节对象包括机组（水轮机和发电机）、引水道和电网。
根据调节对象的各组成单元和调速器之间的关系，可以画出水轮机调节系统如图1-3所示。
§1-3 水轮机调节的任务水轮发电机组将水能转变成电能供工业、农业、商业及人民生活等使用。
用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。
按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz （赫兹），大电网（容量大于3000MW ）允许的频率偏差为±0.2Hz ，小电网（容量小于3000MW ）允许的频率偏差为±0.5。
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%，而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%~3%。
电力系统负荷的变化，导致了系统频率的波动。
水轮机调节的任务就是解决如何能使机组转速（频率）保持在额定值附件的某个范围之内。
水轮发电机组能否满足上述要求呢？ 发电机组所产生的电流频率由下式确定： （1-1）式（1-1）中：f ——电流的频率（Hz ）；图1-3 水轮机调节系统g t M M dtd J-=ω30nπω=ωηρQH M t =n ——发电机转速（r/min ）； p ——发电机磁极对数。
水轮机调节的基本概念讲解
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。
所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q和效率 η ，才能调节水 轮机转矩，达到调节目的。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）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。
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
1.水轮机调节系统 2.水轮机调节的任务 3.水轮机微机调速器的原理 4.静态特性 5.动态特性
二、数字式（微机）电液调速器
1.微机调速器的结构 2.静态特性 3.动态特性 4.控制功能
一、水轮机调节的基本概念
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。
水轮机自动调节_第1章 水轮机调节基本概念
使用教材
水轮机自动调节 程远楚 张江滨 主编
中国水利水电出版社
授课教师：程远楚
武汉大学动力与机械学院
学习安排
• 理论学习 41学时 讲授内容: 1,2章 3,4章 5章 6.3.3,6.3.4 7章 9.3,9.4 • 实验 4学时 • 课程设计 1周
学习 安排
学习要求
复习并掌握先修课的有关内容 课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业 实验：充分准备、勇于实践 总成绩＝考试成绩 ＋实验成绩＋平时成绩 学习 方法
•
第一章 水轮机调节基本概念
四 水轮机调节的实现途径与方法
J d Mt M g dt
α ,Q
⑴ Mt、Mg与n的关系
① Mt：Mt是机组动力矩 图1-2 水轮机调节示意图 a) 当水头一定，开度一定（如a=a3）时， n↑↓→Mt↓↑。 a点 b'点 ② Mg：Mg是负荷力矩，与负载性质 有关，它代表不同用户设备组 b) 当水头一定，转速n相同时， a点 c'点 合后的总负荷力矩。 a↑↓→Mt↑↓(如 下,a、b、c三点)。 a ) 对同一负荷特性曲线， n0 n↑↓→Mg↑↓（见图1-2中红 线）； b) 在n一定时，对不同的负荷特 性曲线→Mg不同（见图1-2中a、
第一章 水轮机调节基本概念
四
•
水轮机调节的实现途径与方法
水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转 运动的刚体，它的运动可由如下方程来描述
J d Mt M g dt
M t 9.81 / f ( H , Q, n) QH
•
•
水轮机主动力矩Ｍt由水 流对水轮机叶片的作用力 形成，它推动机组转动， 其大小决定于水头H和流 量Q。 由图可见，导叶开度一 定时，力矩随转速增加而 减小;当转速一定时，力 矩随导叶开度增加而增加。
水轮机调节的基本知识(可用)
A'
E"
E
E'
机组出力E
16
水轮机调节基本知识
当电网频率发生变化时，如频率从 f 下降到 f ' 时，则工作点 沿静特性由A移至A'，机组出力由E增加到E'
电网 频率f
f f' A A'
E
E'
机组出力E
17
水轮机调节基本知识
机组静态转差率 bｐ 值愈大(即调速器的转差率 bｐ 值整定愈大，但 ep 不完全取决于 bｐ ，它还与水头，机组特性等有关)，则在电网频率发生 变化时，机组所承担的变动负荷愈小，如图 6 所示，反之则愈大，当 b ｐ 整定为零时(即 eP 也为零)，该机组即为单机调频机组，电网频率的 微小变化，将引起机组出力的大幅变化。
水轮机调节基本知识
1
水轮机调节基本知识
一、水轮机的调节系统组成
组成：调节器、调节对象、反馈测量
2
水轮机调节基本知识
1.
调节器
即调速器，由电气、机械液压两部分组成
2.
调节对象
由水轮机、引水系统、发电机及负载等组成
3.
反馈测量
包括机组转速测量和机组出力测量两部分
4.
给定
有功率给定和频率给定两种
5.
扰动
8
水轮机调节基本知识
五、水轮机调节系统的基本原理
M1 F P2 + + f R T P1 G
一次调频及及二次调频回路示意
C1
+
－
M3
E
C2
+ M2
－
W
9
水轮机调节基本知识
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y
– 永态差值装置
转速调
nc 整机构
1
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
图 1-2 机械液压调速器结构方块图 1
② 中间接力器反馈、取速度信号、有暂态反馈的 PI（比例-积分）调速器（图 1-3）。
机组 ng 转速
飞摆 1
转速调
nc 整机构
1
引导阀 辅助接力器
–
1
+–
TyS
– 永态差值装置
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
Mt——水轮机转矩（N·m）；
Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。
式（1-1）清楚地表明，机组转速(频率)保持恒值的条件是 d dt
0 ，即要求 M t
ห้องสมุดไป่ตู้
Mg
，
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。
水轮机转矩
Mt
QH t
（1-2）
式中：
Q——通过水轮机的流量（m3/s）；
水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监 控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调 速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。
第二节 水轮机调节系统
一、水轮机调节系统的结构
水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。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称为水轮机调节系统中的被 控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按 一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备（系统）。水轮机 调速器则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。
·2·
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。
二、水轮机调节系统的特点
水轮机调节系统是一个自动调节系统，它除了具有一般闭环控制系统的共性外，还有
一些值得注意的特点：
① 水轮机控制设备是通过水轮机导水机构和桨叶机械来调节水轮机流量及其流态的，
这种调节需要很大的动力，因此，即使是中小型调速器也大多要采用机械液压执行机构，
二、电气液压调速器[4，5]
1. 电气液压调速器定义
测速、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分 驱动水轮机接力器的调速器，称为电气液压调速器。
20 世纪 50 年代以后，电气液压调速器获得了较广泛的应用。从采用的元件来看，它又 经历了电子管、磁放大器、晶体管、集成电路等几个发展阶段。20 世纪 80 年代末期，出现 了水轮机微机调速器并被广泛采用，现在很少有生产电气液压调速器的厂家了。
放大环节
频率测量
及加速度环节
fg
机组 1 Tn S 频率 1 T1v S
– +
电液转换器
中间接力器
1
–
Ty1S
– 永态差值环节
频率
fc 给定
1
bp
电气缓冲环节
btTdS 1+TdS
主配压阀
主接力器
+
1
y
–
TyS
电
气
机械反馈
反
1
馈
图 1-4 电气液压调速器(PID)结构图
⑥ 由中间接力器引出的电气反馈取代由中间接力器引出的机械反馈。
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：
1. 比例操作原则 操作导水机构的幅度和速度应近似比例于机组转速（频率）对额定转速（50Hz）的偏 差。例如：机组频率若为 51Hz 和 54Hz，虽然它们均大于 50Hz，但针对前者，关闭导水机 构的幅度可小一点、速度可慢一点；而对后者，则幅度要大一点、速度要快一点。 2. 超前操作原则 操作中不仅要密切观察机组转速（频率）偏离额定值的情况，而且要注意机组转速（频 率）向额定值回复的速度。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，而应使导水机构稍开启一点。只有这样 才有可能使机组转速（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 采取的超前操作原则被形象地称之为“提前刹车”。 上述比例、超前操作原则，可以通俗地理解为自动调节时的“比例”和“微分”调节 规律。自动调节中的“积分”调节规律，则起着消除或减小静态偏差、形成水轮机调速器 和水轮机调节系统静特性的作用。可以称积分规律起到“精细”调节的作用。
波动。因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速
（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。
水轮发电机组转动部分的运动方程为：
J
d dt
Mt
Mg
（1-1）
式中：
J——机组转动部分的惯性矩（kg·m2）； n ——机组转动角速度（rad/s）；
30
n——机组转动速度（r/min）；
针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生产、批量过少而导 致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，1993 年率先提出并完成了可编程 控制器（液压）调速器的开发和生产[8]，至 2000 年底，据不完全统计已有近 600 台可编程 控制器（液压）调速器在国内外水电站运行，成为我国当前水轮机微机调速器的微机调节 器主导产品。
第一章 水轮机调节的基本概念
第一节 水轮机调节的任务
水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。与其他动力机械相比，它具有效率高、成
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。
水轮发电机组把水能转变为电能供工业、农业、商业及人民生活等用户使用。用户在
·4·
最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，它是随着水电建设发展而在 20 世纪初发展 起来的。它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要，有较好的 静态特性和动态品质，可靠性较高。但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能 和便于实现水电站自动化等要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法进行测量、信 号综合和稳定调节的功能就显露出明显的缺陷。现在，新建的大型水轮发电机组几乎均不采 用机械液压调速器，只有中小型机组特别是小型机组仍有相当一部分采用机械液压调速器。
H——水轮机净水头（m）； t ——水轮机效率；
·1·
——水的密度（kg/m3）。 所以，在一定的机组工况下，只有调节流量 Q 和效率t ，才能调节水轮机转矩 M t ，达到 M t M g 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t ）， 使 M t M g ，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。
加大至额定流量 Qr 所需要的时间。
③ 水轮发电机组存在着机械惯性，可用机组惯性时间常数 Ta 来表述：
Ta
Jr Mr
GD2 nr2 3580 Pr
（1-4）
式中：
Jr ——额定转速时机组的惯性矩（kg·m2）；
Mr——机组额定转矩（N·m）；
GD2——机组飞轮力矩（kN·m2）；
nr——机组额定转速（r/min）； Pr——机组额定功率（kW）； Ta——机组惯性时间常数（s）。 机组惯性时间常数 Ta 的物理概念是：在额定力矩 Mr 作用下，机组转速 n 由 0 上升至额 定转速 nr 所需要的时间。 ④ 水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统。 水轮机型式多种多样：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵/
且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行结构。
② 水轮机过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性时间常数 Tw 来表述：
Tw
Qr gH r
L Lv A gH
式中：
（1-3）
A——每段过水管道的截面积（m2）；
L——相应每段过水管道的长度（m）；
v——相应每段过水管道内的流速（m/s）；
g——重力加速度（m/s2）；
第三节 水轮机调速器
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，它是水轮机控制设备（系统）的主体，它可分为机械液压调速器、电气液压 调速器和数字式电液调速器等几种，数字式电液调速器又常称为微机调速器。
一、机械液压调速器
1. 机械液压调速器的定义 测速、稳定及反馈信号用机械液压的方法产生，经机械液压综合后通过液压放大部分 驱动水轮机接力器的调速器，称为机械液压调速器。
2. 电气液压调速器的结构
以图 1-4 所示的结构作为一个典型例子，图中符号含义同图 1-2 和图 1-3 的。 比较图 1-3 和图 1-4 不难看出，它们具有相同的系统结构，在图 1-4 所示的系统中仅仅 用了下列电气环节取代图 1-3 所示的相应机械液压环节： ① 电气频率测量环节取代飞摆测速装置； ② 电气频率给定环节取代转速调整机构； ③ 放大环节和电液转换器取代引导阀并完成电气信号至机械液压信号的转换； ④ 电气永态差值环节取代机械永态差值装置； ⑤ 电气缓冲环节取代机械液压缓冲装置；
·6·
三、数字式电液调速器