水轮机调节资料讲解
水轮机调节教材
喷嘴口
喷嘴头
水流
喷 针 头
3、水轮机调节的特点
（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。
（2）水轮发电机组以水为介质，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。
电力系统频率调整 （1）频率的一次调整：通过调速器实现。 所有的发电机组都装有自动调速系统，当 负荷P↑ → 转速n ↓ →飞摆离心力↓ →开大调 速器汽门→进汽量↑ →转速n ↑ 但转速n 会略低于原值，即频率的一次调整 是一个有差调节过程。
电力系统频率调整 （2）频率的二次调整：通过调频器实现。 只有调频厂的发电机组才装有调频器。通 过操作调频器，可以使发电机组的出力（即原 动力）增大或减小，从而调节转速，且能实现 频率的无差调节。
水轮机调节
水轮机调节
一 二
水轮机调节的任务、原理及特点
调节系统的特性 水轮机调节系统的组成 水轮机调速器工作原理 PLC水轮机微机调速器
三
四
五
一 水轮机调节的任务、原理及特点 1、水轮机调节的任务
系统负荷变化→系统电压发生变化→发
系 统 负 荷 变 化
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。
下，机组转速与机组所带负荷之间的关系，即 出力调节前后机组转速的状态。
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
（ 1 ）无差调节：调节前后 机组转速不变，如图5-1a。 （ 2 ）有差调节：调节前后 机组转速有一小的偏差 ， 如图5-1b。 对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式； 多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢 不同，需采用有差调节的运行方式。
水轮机调节
2.Mt＞Mg，水轮机的动力矩大于发电机的阻力矩，当发电机的负荷减小时会出现这种情况 ，此时dω/dt＞0，机组转速上升，在这种情况下，应对水轮机进行调节，减小流量Q，从 而减小Mt，以达到新的平衡状态。
谢谢
根据偏差的情况通过放大器向执行元件发出指令，执行元件根据指令改变导水机构的 开度，反馈元件则将导叶开度的变化情况反回给计算器，以检查开度变化是否符合要求， 如变化过头，则发出指令进行修正。
在图中，测量、计算、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。
反馈元件
水轮机调节系统方框图 13
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输入。 从图中可以看出，由导水机构输人的水能经机组转换成电能输送给系统。
电能的频率f(亦即机组的转速n)信号输入调速器的测量元件，测量元件将频率f信号转化 成位移(或电压)信号输送给计算器(图中的⊕)并与给定的f值作比较，判定频率是否有偏差 和偏差的方向，
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。
第一章 水轮机调节的基本原理
电网
水力发电生产过程：
压力引水 水库 道
发电机
功率 整流 屏 L=0 机械液
水轮机
励磁 调节 器
调 速 器
压执行 机构
尾水
频率与机组转速的关系（电机学而知）：f p n 60 f——发电机输出交流电频率，Hz； p——发电机的磁极对数； n——发电机的转速，r/min 。 p对于加工好的机组是一个常数（定值），因此f只与n有关（正比）。 水轮机调节的基本任务：要保证频率在规定的范围内，就要根 据电力系统负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率的输出， 并维持机组转速在规定的范围内。
（二）缓冲装置：又称软反馈元件， 主要用于调速系统反馈校正，其性 能好坏直接关系到调速系统的稳定， 是调速器的重要部件之一。 组成：壳体、主动活塞、从动活 塞、节流孔、弹簧等。
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
2、水轮机调节原理 调节流量的途径：
反击式：通过改变(gǎibiàn)导叶开度a0 ，ZZ：同时改 变(gǎibiàn)叶片转角
冲击式：通过改变(gǎibiàn)喷嘴开度（针阀行程）。 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 (gǎibiàn)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。
精品资料
（3）电液转换器（步进电机）结构原理及 作用
电液转换器的作用是将电气部分信号输出 的综合信号，转换成具有一定操作(cāozuò) 力的机械位移信号或具有一定压力的流量信 号。
电液转换器有电气位移转换信号和液压放 大两部分组成。
精品资料
工作线圈：实现控制(kòngzhì)操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
精品资料
（2）油压设备 当油压降低(jiàngdī)到正常工作油压下限
(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱 内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油 压上限时，油泵停止工作。 （3）接力器 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度， 改变流量，大型电站设两个或两个以上接力 器。
精品资料
油压装置(zhuāngzhì)
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制(kòngzhì)套产生位移，使下一级随 动。振荡电流使线圈和控制(kòngzhì)套产生 微小振动，以提高控制(kòngzhì)套的灵敏度 ，防止卡阻。
精品资料
（4）紧急停机电磁阀 属于(shǔyú)保护设施之一 动作的条件：机组运行中，几乎所有
化
化→发电机调速器动作→发电机的转速恢
水轮机调节及频率调整概述
微机调速器
微机调速器是以微机为核心进行测量、变换和处理信号的电液调速器。也叫做数字式电液调 速器。
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电厂水轮机调速器
WBD(S)T系列水轮机调速器是由 PCC控制器控制步进式电－位移伺 服系统，带动液压随动系统，实现 对水轮机的控制。 步进式电－位移伺服系统采用可编 程控制器PCC控制系统、数字式步 进电机驱动器＋步进电机＋位移转 换丝杆电液转换系统、主接位移传 感器反馈系统组成。 液压随动系统采用引导阀、辅助接 力器、主配压阀、主接力器组成。 水轮机调速器还与电站二次回路或 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。
负荷的静态频率特性 当频率发生变化时，同一负荷在额定频率下的值也会因之而发生变化，且 其变化的方向是抑制频率的变化。频率增大或减小时，原来在额定频率下的负 荷值也会随着增加或减小，从而阻止频率的进一步变化。负荷的这种随频率变 化而变化的特性，通常称为电网负荷静态频率特性，因其对频率变化具有抑制 作用，也可称为电网负荷静态自调节特性。 在一次和二次调频的频率变化过程中，它起着有利于频率的稳定和补偿作 用。且由于电力系统运行允许的频率变化范围很小，在较小的频率范围内，该 曲线接近直线。
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3、水轮机调节系统的结构框图
被控制系统
引水和泄水 系 统 水头
水轮机
励磁
转矩
发电机
频率 （转速）
电网
测量元件 导叶开度 （流量） 执行机构
放大校正元 件
反馈元件
给定元件
控制系统（调速器）
• 水轮机调节的实质就是根据偏离额定值的转速偏差信号，调节水轮机的 导水机构，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
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
添加标题
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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
水轮机调节大纲
第一章1.水轮机调节的任务根据负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速（频率）在规定范围内，或按某一预定的规律变化．2.为什么要对水轮机进行调节？通过什么途径进行调节？电网负荷一直在变化，负荷的变化导致频率的变化，要维持频率在一定范围内，必须对机组进行调整。
利用调速器调整机组转速。
3.水轮机调节的特点1．水轮机调速器必须具备有足够大的调节功2．液压元件的调节滞后易产生过调节，不利于调节系统的稳定3．水击的反调效应恶化调节系统品质,限制了接力器的开关操作速度4．有些水轮机调速器还具有双重调节机构，从而增加了调速器结构的复杂性5．具有越来越多的自动操作和自动控制功能4.什么是水轮机调节系统，什么是水轮机控制系统，二者有什么区别？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控制系统；水轮机控制系统是用来检测被控参量（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．一般指由水轮机调速器与油压装置所构成的系统。
5.什么是水轮机调速器，调速器的典型系统结构有哪些？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．调速器通常由测量、综合、放大、执行和反馈等元件组成。
6.调速器有哪几种分类方法？具体是怎么分的？1. 按工作容量分：特小型调速器，小型调速器，中型调速器，大、巨型调速器2. 按供油方式分：1）通流式调速器2）压力油罐式调速器，压力油罐式调速器又分为组合式和分离式3. 按调节机构数目分：单调节调速器，双重调节调速器4.按元件结构不同分：机械液压型和电气液压型，电气液压型又分为模拟型电气液压调速器和微机型电气液压调速器5.按调节规律不同分：PI 调速器和PID 调速器6.按反馈位置不同分：辅助接力器型中间接力器型和电子调节器型第二章1.衡量水轮机的动态性能指标有哪些？(1)调节时间Tp: 从阶跃扰动发生时刻开始到调节系统进人新的平衡状态为止所经历的时间。
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。
水轮机调节复习资料
1.水轮机转速调节的方法：当水轮机的主动力矩大于发电机的阻力矩时，机组转速就会升高，应减小水轮机的流量或开度;当水轮机的主动力矩大于发电机的阻力矩时，机组转速就会下降，应增大水轮机的流量或开度。
所以，根据机组转速变化来调整水轮机流量输入及主动力矩输出，以维持机组的转速或频率在规定的范围之内，这就是水轮机转速的调节方法。
2.放大原件方块图：3.调节系统工作特性的三种情况：（1）无反馈作用时。
此时相当于缓冲器节流孔全开（Td=0），缓冲活塞上下油路完全畅通，不会形成油压差或油压力，缓冲杯动作不会影响缓冲活塞，及缓冲活塞位置始终保持不变，反馈量为零。
（2）用反馈作用时。
此时相当于缓冲器节流孔全关（Td=00），缓冲活塞上下油路切断，缓冲活塞完全跟随缓冲杯动作，反馈量预祝接力器位移成正比。
（3）软反馈作用时。
此时相当于缓冲器节流孔部分开启（Td等于有限值），缓冲被运动时会在缓冲活塞形成油压差，在油压力作用下缓冲活塞也发生运动。
当缓冲被动作停止后，缓冲活塞在弹簧力的作用下逐渐回到中间位置，反馈量小时为零。
节流孔口越大，Td越小，缓冲活塞回到中间过程越快；节流孔口越小，Td越大，缓冲活塞回到中间过程越慢。
4.调差机构工作原理：调差机构也称永态转差机构。
调差机构是指从主接力器到引导阀针塞之间的杠杆机构（拐臂2，拉杆2，杠杆2，两岸，杠杆1），在调速器中起到硬反馈作用，调节系统静态特性与前述硬反馈作用时形成过程相同。
常用调差率e p来表征调节系统静态特性。
5.表动负荷在并列运行机组间的分配：并列运行的机组所担任的变动负荷与其额定容量成正比，与其调差系统成反比。
在一定的系统容量前提下，要想系统频率受负荷冲击影响小，各台机组机组需要采用较小的调差系数。
大容量、小调差率的电网频率基本保持不变，各台机组的出力也基本保持不变6.调节系统动态特性：动态特性值调节系统受到扰动后，系统进入到动态中各变量随时间的变化规律。
常用动态指标：（1）调节时间Tp。
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。
水轮机调节的基本知识(可用)
A'
E"
E
E'
机组出力E
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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
水轮机调节
（5）阀组（安全阀、逆止阀、减载阀）
安全阀的作用是保证压力油罐内油 压不超过允许值，防止油泵与压力油罐 过载。
减载阀的作用是保证油泵电动机在 低负载下启动，缩短启动时间，减少启 动电流。
逆止阀用来防止压力油罐内的压力 油在油泵停止运行时倒流
6、调速器的类型与系列
（1）按调速器元件结构分
• 机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈 均由机械环节完成。现在很少使用。
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
（1）无差调节：调节前后 机组转速不变，如图5-1a。 （2）有差调节：调节前后 机组转速有一小的偏差， 如图5-1b。
对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式； 多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢 不同，需采用有差调节的运行方式。
（2）有差调节
（3）电液转换器（步进电机）结构原 理及作用
电液转换器的作用是将电气部分信号 输出的综合信号，转换成具有一定操作 力的机械位移信号或具有一定压力的流 量信号。
电液转换器有电气位移转换信号和液 压放大两部分组成。
工作线圈：实现控制操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制套产生位移，使下一级随动。振荡电 流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制 套的灵敏度，防止卡阻。
成一个整体，称为组合式，运行方便。
（1）调速柜主要有以下几个部分组成：
• 测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信 号转变为位移信号，然后输出。
• 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主 接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。
水轮机的调节
第一节 水轮调节的基本概念
一、
水轮机调节任务
电压变化→发电机电压调节系统完成 （自动)使U=U 系统负荷变化 频率变化f ，f =k (p,n)，p不变，只有 调节转速n→f 稳定(f=50Hz),水轮机调 速器完成。 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。 3、启动、停机、增减负荷，负荷分配。
二、水轮机调节原理
(一)、原理：水轮发电机组的运动方程式为 d Mt Mg J dt Mt ：水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)； Mg ：发电机的阻力矩(发电机定子对转子的作 用力矩，与Mt相反)； J ：机组惯性矩； ω ：角速度；
(1) 当Mt = Mg 时， dω/dt =0，ω=常数 (2) N↓（负荷）→ Mt >Mg → dω/dt > 0 →n↑ (3) N↑（负荷）→Mt <Mg → dω/dt < 0→n↓ 所以当负荷变化时，应调节Mt ，使Mt = Mg dω/dt =0， n维持额定转速， f=50Hz
3、按大小（容量） 大型：活塞直径80mm以上 中型：操作功10000Nm~30000Nm 小型：操作功小于10000Nm，特小： 小于3000Nm
（二）、调速器系列（反击式水轮机）
由三部分组成： 第一部分：基本特性和类型 大型： 无代号 中小型带油压装置：Y 特小：T 机械液压：无代号 电动调节：D 单 调：无代号 双 调：S 调速器：T
调速器的工作原理
四、调速器的类型与系列
(一)、类型 1、按调速器元件结构分： 机械液压(机调)和电气液压(电调) 电调比机调的优越性：调节性能优良，灵敏 度和精确度高，成本低，便于安装调整。 电气液压：在自动控制部分用电气元件代替 机调中的机械元件。
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（1）调速柜主要有以下几个部分组成：
• 测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信 号转变为位移信号，然后输出。
• 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主 接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。
• 反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使主 动力矩Mt=发电机的阻抗力矩Mg时，反馈信 号使调节停止。
• 当油压降低到正常工作油压下限 (2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱 内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油 压上限时，油泵停止工作。
率即可。
二 调节系统的特性
2、调节系统的动态特性
调节系统的动态特性主要是指在调节过程中机组 转速随时间变化的关系。
衡量过渡过程动态品质的常用指标： （1）调节时间：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。 （2）最大转速偏差值：是第一个波峰值的相对值。 （3）振荡次数：调节时间内出现的振荡波峰个数的 一半。
n0－机组额定转速。
实际运行一般取ep=0~8%。
有差调节可使在电力系统中并列运行的机组不仅 保持同步运行，并可在机组间按照调度要求明确地 进行负荷分配。
当各机组调差率相 同且>0，要满足相同转 速同步并列运行，必须 等负荷分配方式工作。
当各机组采用不同 负荷分配方式工作， 要满足相同转速同步并 列运行，调整各自调差
J ——机组惯性矩；
d ——角加速度；
dt
2、水轮机调节原理
当负荷发生变化时，Mg将变化，但dω/dt应
为0，以保证n不变，从而保证f不变，故应调节
Mt 一般通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目
的。即调节水轮机的引用流量Q，使Mt=Mg， n=ne
2、水轮机调节原理 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
对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式； 多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢 不同，需采用有差调节的运行方式。
（2）有差调节
调差率：机组转速随负荷增减而变化的程度。
调差率表达式为：
ep
nmaxnmin10% 0 n0
nmax－机组最大稳定转速，相当于空载工况；
nmin－机组最小稳定转速，相当于最大负荷工况；
系统负荷变化→系统电流的频率f发生变
化
化→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。
1、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
（2）油压设备
• 油压设备的作用：供给调速器压力油，传递 操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油 管、附件等组成。
• 额定工作油压分为两种：有的电站采用低油 压，为2.5MPa；有的电站采用高油压，为 4.0MPa。
• 调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的 油通过回油管路进入回油箱。
（2）油压设备
二 调节系统的特性
对动态特性的规定：
（1）调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的 稳定性。 （2）机组甩负荷时，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额 定转速3%以上的波峰，不得超过2次。
2）机组甩100%额定负荷后，从接力器第一次向开 启方向移动起，到机组转速偏差相对值不超过±0.5% 所经历的时间，应不大于40s。
（2）水轮发电机组以水为介质，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。
（3）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套协调 结构，实现双重调节。
二 调节系统的特性
•
水轮机调节系统
调速系统
调速器 随动系统 油压装置
3）甩25%额定负荷后，接力器不动时间对电调不 超过0.2s，机调不大于0.3s。
三 水轮机调节系统组成
1、水轮机调节系统方框图Fra bibliotek导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 U If
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
2、水轮机调节系统的组成
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
冲击式：通过改变喷嘴开度（针阀行程）。 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。
喷嘴口
水流
喷嘴头
喷 针 头
3、水轮机调节的特点
（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。
成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。
电力系统频率调整
（1）频率的一次调整：通过调速器实现。
所有的发电机组都装有自动调速系统，当 负荷P↑ → 转速n ↓ →飞摆离心力↓ →开大调 速器汽门→进汽量↑ →转速n ↑
但转速n 会略低于原值，即频率的一次调整 是一个有差调节过程。
电力系统频率调整
调节对象
调节系统 工作状态
调节前后的 稳定状态
静态特性
调节开始到终 了的过渡过程
动态特性
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
是指导叶开度一定时，调速器在稳定状态 下，机组转速与机组所带负荷之间的关系，即 出力调节前后机组转速的状态。
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
（1）无差调节：调节前后 机组转速不变，如图5-1a。 （2）有差调节：调节前后 机组转速有一小的偏差， 如图5-1b。
水轮机调节
水轮机调节
一 水轮机调节的任务、原理及特点
二
调节系统的特性
三 水轮机调节系统的组成
四 水轮机调速器工作原理
五 PLC水轮机微机调速器
一 水轮机调节的任务、原理及特点 1、水轮机调节的任务
系统负荷变化→系统电压发生变化→发
系
电机励磁装置动作→发电机的端电压恢
统
复并保持在许可范围内。
负
荷 变
（2）频率的二次调整：通过调频器实现。
只有调频厂的发电机组才装有调频器。通 过操作调频器，可以使发电机组的出力（即原 动力）增大或减小，从而调节转速，且能实现 频率的无差调节。
2、水轮机调节原理
水轮发电机组的运动方程式为：
Mt
M
g
J
d
dt
M
t
rQH
式中：Mt——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)
Mg ——发电机的阻力矩