水轮机控制系统标准解读
《水轮机控制系统基本技术条件》
《水轮机控制系统基本技术条件》《水轮机控制系统基本技术条件》描述水轮机控制系统的关键技术要求和基本设计标准，本文将详细介绍水轮机控制系统的功能和要求，以及设计与实施的关键技术条件。
一、水轮机控制系统概述水轮机作为一种重要的水能利用设备，其控制系统扮演着至关重要的角色。
水轮机控制系统通过对水轮机的转速、叶片角度和进水阀门等参数的精准控制，使得水轮机能够稳定高效地工作，保证水电站的安全运行和电能输出。
水轮机控制系统的设计与实施具有极其重要的意义。
二、水轮机控制系统的基本功能和要求1. 转速控制功能水轮机的转速是其工作的关键参数之一，对于不同的水轮机类型和工况，转速的要求有所不同。
水轮机控制系统首先需要能够实现对水轮机转速的精准控制，保证水轮机在各种工况下都能够以最佳的转速运行。
2. 叶片角度控制功能水轮机的叶片角度对于水轮机的工作效率和稳定性有着重要的影响。
水轮机控制系统需要能够精确控制叶片角度，适应不同的进水量和水头变化，使得水轮机能够在不同工况下都能够以最佳的叶片角度工作。
3. 进水阀门控制功能进水阀门是调节水轮机进水量的重要设备，控制系统需要通过对进水阀门的精准控制，使得水轮机能够根据电网需求和水流条件实现调峰填谷和高效运行。
4. 安全保护功能水轮机控制系统需要具备完善的安全保护功能，包括对水轮机各项参数的实时监测和故障诊断，确保水轮机在突发故障发生时能够及时安全停机，避免损坏设备和人员安全。
5. 自动调节功能水轮机控制系统需要具备一定的自动调节功能，能够根据电网负荷和水流条件的变化，自动调整水轮机的工作参数，以实现最佳的电能输出和水能利用效率。
三、水轮机控制系统的关键技术条件1. 高精度传感器水轮机控制系统需要配备高精度的传感器，用于实时监测水轮机的转速、叶片角度、进水阀门开度等关键参数。
传感器的精度和稳定性直接影响着控制系统的性能和可靠性。
2. 高性能执行机构水轮机控制系统的执行机构需要具备高速、高精度和大扭矩的特点，能够快速响应控制指令，保证水轮机的稳定运行和快速调节。
水轮发电机组调速控制系统的说明书
水轮发电机组调速控制系统的说明书概述：水轮发电机组调速控制系统是一种专门用于水力发电的控制系统，旨在保证水轮机的运行稳定性和发电效率。
该系统由主控制器和水轮机上的调速器组成。
工作原理：在水力发电的过程中，水轮机叶轮旋转所带动的发电机的转速需要保持稳定，同时发电机的输出电压和电流也需要保持在合适的范围内。
水轮机转速的控制通过调整水轮机上的调速器的开度来实现，而调速器的开度则由主控制器发送的指令实现。
主控制器：主控制器是整个系统的核心部件。
它接收水轮机转速和发电机输出电压、电流等信息，并根据这些信息计算出合适的调速器开度指令。
主控制器还具有自动保护功能，当水轮机的转速或发电机输出电压、电流等出现异常情况时，主控制器会及时发出报警并采取相应的保护措施，保证系统的安全运行。
调速器：调速器是安装在水轮机上的机械装置，它的开度控制着水轮机叶轮的进水量，从而控制水轮机的转速。
调速器的开度可以通过手动调节或由主控制器发送的指令来实现。
使用方法：在使用水轮发电机组调速控制系统时，首先需要将主控制器和水轮机上的调速器进行连接，并按照说明书进行正确设置。
然后，启动水轮机和发电机，并按照系统要求调整主控制器和调速器的参数。
在系统运行过程中，需要定期检查系统的运行状态和各部件的工作情况，如果发现异常情况需要及时处理。
总结：水轮发电机组调速控制系统是水力发电中必不可少的设备，它可以保障水轮机的运行稳定性和发电效率，同时还具有自动保护功能，提高了系统的安全性。
在使用过程中，需要严格按照说明书进行操作，并定期检查系统的运行状态，以确保系统的正常运行。
水轮机控制系统
水轮机控制系统水轮机控制系统运行状态评价及试验技术水轮机调速器经历了从机械液压调速器到电液调速器的发展历程，而电液调速器又经历了模拟电路电液调速器到微机电液调速器的历程。
在微机调速器出现之前，调速器(当时主要是机调、模拟电路调速器)的主要使命是，根据偏离额定值的机组频率偏差调节导水机构/转桨机构(喷针/折向器机构)，维持机组水力功率与电力功率的平衡，使转速维持在额定值附近的允许范围内，这时的水轮机调速器主要是一个转速调节器。
而微机调速器广泛应用的同时，水电厂监控系统、电网发电调度系统也已日趋成熟并进入实用化的推广应用阶段，区域电网形成且容量迅速增加，机组大多并入大的区域电网运行，控制这些机组的水轮机调速器则是通过水电厂监控系统受控于电网发电调度系统，调速器在大部分运行时间内实际已演变为它们的末端机组有功控制执行装置。
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，原来所说的水轮机控制系统的功能有了增加和扩展，由于水轮机调速器的控制功能已经有了很大变化，IEC61362-2005已将水轮机调速器更名为水轮机控制系统，我国的水轮机调速器与油压装置的国家标准(技术条件GB/T9652.1-2007和试验验收规程GB/T9652.2-2007)，也已把主题词“水轮机调速器与油压装置”改为“水轮机控制系统”。
下面对水轮机控制系统的运行状态评价主要从水轮机控制系统状态检修的试验项目和水轮机控制系统主要技术指标两个方面开展讨论，并将开展水机技术监督所需的水轮机控制系统的相关技术标准和规程目录提供给大家。
1水轮机控制系统状态检修试验项目1.1水轮机控制系统巡检及例行试验表1水轮机控制系统巡检项目巡检项目基准周期要求说明条款外观检查机械液压部分：1周电气装置：1周油压装置：1周外观无异常见1.1.1条表2水轮机控制系统例行试验项目例行试验项目基准周期要求说明条款油泵输油量测定2年符合设计要求，偏差不大，对比检修资料，变化不大见1.1.1条阀组调整1年符合DL/T 496《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》要求见1.1.3条压力信号器、油位信号器整定1年参照试验导则及设备技术参数，调整结果不能偏离试验规程规定见1.1.4条油压装置自动运行模拟试验1年油压装置电气控制回路及压油泵、自动补气装置动作正确，整定值偏差不大于名义工作值的2%见1.1.5条机械液压系统自动调节方式调整试验1年符合DL/T 496《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》要求接力器开关机时间调整1年参照机组调节保证计算要求及试验规程调整开关机时间，偏差不大见1.1.7条位移传感器的调整试验1年位移变送器在接力器全行程范围内无不正常工作的情况，位移传感器两端行程保留5%的余量，两端余量基本对称。
水轮机控制系统标准解读
水轮发电机组转动部分的运动方程
GB/T 9652.1-2007
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。
GB/T 9652.1-2007
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。
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
IEC 60308 水轮机控制系统试验 (中文)
-压力控制；IEC613624.15.1和4.15.3
-启动和同期；IEC61362 4.13.1
本标准与IEC 61362密切相关。
本标准的正文基于下列文件：
国际标准最终草案
表决报告
4/199FDIS
4/209/RVD
表决通过本标准的全部信息可在上表的表决报告中找到。本出版物按ISO/IEC导则，第二部分起草。
委员会决定,在IEC网站《http：//webstore.iec.ch》上指定的出版物有效日期以前,本出版物的内容维持不变。在此日期，本出版物将：
Hr—额定水头；
g—重力加速度。
TW
s
3.3.15
水锤数
（阿利维常数）
在保证工况下，水流惯性时间TW与引水管反射时间Tr之比。
hW=
hw
3.3.16
最大瞬时转速变化
当突然变化一个规定的负荷时，最大的瞬时转速变化。（见IEC60041）
Δnmax
Δωmax
Δfmax
r/min
rad/s
Hz
3.3.17
国际标准
IEC 60308
2005-01第二版
水轮机控制系统试验
目次
前言3
序言4
1范围与对象5
2规范性引用文件5
3术语，定义，符号及单位5
4水轮机控制系统的功能和部件10
4.1控制系统本体10
4.2其他控制系统和转换10
4.3控制系统部件10
4.4安全功能，IEC 61362 4.1410
4.5环境防护，IEC 61362 4.1611
IEC 60545，水轮机试运转，运行和维护导则
水轮机调速器涉网性能控制模式说明
水轮机调速器涉网性能控制模式说明附录A（规范性附录）控制模式说明A.1调速器控制模式及与仿真系统接口A.1.1空载模式空载开机至并网运行前，采用的控制模式，典型结构如图A.1.1所示。
控制策略一般为PID控制策略，其中PID参数是根据机组正常运行的工况所设定的。
图A.1.1典型空载模式调节器模型A.1.2开度模式并网运行后以导叶（喷针）开度为控制目标的控制模式，典型结构如图A.1.2（a）与A.1.2（b）所示。
调速器接受监控的增加/减少开度指示信号，来增加减少开度，以达到控制发电机处理的效果。
图A.1.2（a）典型开度模式调节器模型图A.1.2（b）典型开度模式调节器模型A.1.3功率模式并网运行后机组功率为控制目标的控制模式，典型结构如图A.1.3（a）至A.1.3（c）所示。
调速器接受监控系统的目前功率给定值，自动调节开度，当检测到功率已经达到目标值以后，停止调节。
图A.1.3（a）典型功率模式调节器模型图A.1.3（b）典型功率模式调节器模型图A.1.3（c）典型功率模式调节器模型A.1.4孤网/孤岛模式系统频率大幅波动或者系统联络线断开后采用的控制模式，主要要求是，根据电网的频率偏差调节被控机组实发功率，使电网频率维持在额定频率附近的一个允许范围内。
典型结构如图A.4.1所示。
图A.1.4典型孤网（孤岛）模式调节器模型A.2各控制模式的参数配置要求各控制模式的所有参数均要求可以独立配置。
主要包括如下：a)空载模式：PID参数，适应水头区域的PID参数；永态转差系数bp取值为0；人工死区为Ef（频率死区）、Ep（功率死区）、Ey（导叶及浆叶死区）皆为0。
b)开度模式：PID参数；永态转差系数bp取值范围为0~10%；人工死区为Ef=0~0.20Hz、Ep=0~2%Pr、Ey=0~1%y；c)功率模式：PID参数；永态转差系数ep取值范围为0~10%；人工死区为Ef=0~0.2Hz、Ep=0~1%Pr、Ey=0~1%y；d)孤网（孤岛）模式：孤立运行模式下，水轮机调节系统宜采用PID调节，PID调节参数、人工频率/频率死区、永态转差系数等参数应结合电网实际情况通过试验优化选择。
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。
水轮机调节系统(普通高等教育“十三五”规划教材)
水轮机调节系统（普通高等教育“十三五”规划教材）一、引言水轮机是一种将水能转化为机械能的设备，广泛应用于水力发电和水资源利用领域。
水轮机调节系统是水轮机运行和控制的关键部件，其稳定性和可靠性对水轮机的运行效率和安全性起着重要作用。
本文将对水轮机调节系统的构成、工作原理、性能指标和未来发展方向进行介绍和分析。
二、水轮机调节系统构成水轮机调节系统由传感器、控制器、执行器和监测系统等组成。
传感器负责感知水轮机的状态和环境参数，包括水位、流量、压力等，将这些信息传递给控制器。
控制器通过对传感器信号的处理和分析，制定相应的控制策略，并将调节信号发送给执行器。
执行器则根据控制信号控制水轮机，完成对水轮机的调节。
监测系统则对水轮机的运行状态进行实时监测和分析，以确保水轮机调节系统的安全稳定运行。
三、水轮机调节系统工作原理水轮机调节系统的工作原理是通过控制水轮机的进水量来实现对水轮机转速的调节，从而控制水轮机的输出功率。
当负荷发生变化时，控制器接收到传感器的信号，根据预设的控制策略计算出相应的调节信号，并发送给执行器。
执行器根据控制信号的大小和方向，对水轮机的进水阀门进行调节，改变进水量，从而使水轮机的转速稳定在预设值附近。
四、水轮机调节系统性能指标水轮机调节系统的性能指标包括响应时间、稳定性和控制精度。
响应时间是指系统从接收到负荷变化信号到完成调节的所需时间，影响到系统的动态特性。
稳定性是指系统在负荷变化过程中的稳定性能，包括系统的抗干扰能力和抗过载能力。
控制精度是指系统调节水轮机转速的精确程度，反映了系统的控制能力和调节精度。
五、水轮机调节系统的发展方向随着科技的进步和需求的变化，水轮机调节系统也在不断发展和改进。
未来的水轮机调节系统将更加注重系统的智能化和自动化程度。
例如，利用先进的传感技术和自适应控制算法，提高系统对复杂环境的适应能力和控制精度。
同时，加强对水轮机运行状态的监测和分析，预测和预防潜在的故障和风险，提高系统的可靠性和安全性。
水轮机控制系统探析
水轮机控制系统探析水力发电是现代电力生产主要方式之一，利用自然水源产生机械能转变为电能，为地区供电使用提供了资源保障。
随着科学技术快速发展，我国水力发电工程规模日趋扩大化，水轮机在发电系统中的作用更加显著。
同时，自动化控制成为水力发电的新模式，利用自动控制系统对水轮机组实施综合调控，全面提升了机组结构的可操控性。
水电站要充分利用自动控制系统优势，建立更先进的水轮机自动化控制平台。
1 水轮机的构成水轮机是现代电力生产的主控装置之一，核心功能是实现能量之间转换处理，由水能转变为机械能，为发电生产提供必要的设备条件。
我国水力发电行业经历了很长的改革时间，发展至今，电力行业开始采用自动化水轮机，用于水电站内设备组装与控制，利用驱动原理产生电能资源。
按照现阶段常用水轮机组，其主要由转子、定子、导轴承、机架、推力轴承、冷却器、制动器等部分构成。
每一个组成部分均有其相对应的功能，共同组装成了新型水轮机组运行模式，带动了发电生产行业的可持续发展。
2 水轮机运行存在的问题水力发电机是电力生产常用设备，以能量转换原理为基础产出能量作为发电来源，维持了区域用电生产一体化建设进程。
受到主客观因素影响，水轮机运行期间出现能耗过高现象，导致机组发电效能达不到预定水平，进而阻碍了发电厂日常发电作业状态，不利于区域用电的最优化运行。
水轮机能耗过高的原因主要有：2.1 设备问题水力水轮机是利用热能发电的生产设备，其内外结构性能对机组能耗有着直接性的影响，也是阻碍电力生产流程的一大原因。
在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。
设备性能不足会降低能量转换效率，电气系统故障会影响水能、机械能、电能的转换效率，这些都会增加机组的能耗系数。
此外，水电站为了节约发电生产成本，配备机组装置不符合操控要求，发电高峰期时设备常发生多种故障，导致水轮机结构性能下降。
2.2 操作问题除了水轮机设备外，发电厂日常生产与管理方式也会影响机组能耗，这是不可忽略的客观因素。
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。
水轮机调节及频率调整概述
xf
xf1 ep xf2 xf3
A
C
② Pc2 ① Pc1
B
O
p1
p2
p3
p
Page 14
上图中，A点的机组目标功率为Pc1，机组实际功率为P1=Pc1 ， 机组频率为f1，速度变动率为ep，如果此时负荷突然增加到P3，功率 缺额为P3-P1。 负荷突然增加，发电机来不及调整出力，系统功率失去平衡，发 电机转速下降，系统频率下降，若不进行调节，系统频率将沿静态特 性曲线①Pc1下降至f3，各机组根据频率偏差进行一次调频，机组增 发功率P2-P1，系统频率为f2（图中的B点），由于一次调频是一个有 差调节，调节过程会引起频率的变化，（且仅根据bp或ep进行偏差计算， 系统必然存在稳态偏差）系统频率不可能恢复到扰动前的f1。 若电网二次调频将讨论的机组目标功率由Pc1修正为Pc2，水轮机 调节系统静态特性曲线变为②Pc2，其中Pc2=P3，最后的调节结果为 图中的C点，此时功率得到了补偿，系统频率也恢复到扰动前的f1。
Page 5
控制原理
机频 信号 网频 信号
信号 整形
电液转 换器
机械液 压系统
现地开关、 按钮操作 二次及监控 系统送来的 开关量指令
监控及AGC 等送来的数 字量指令
可 编 程 计 算 机 控 制 器 P C C
传感 器
变送 器 人机对 话单元
微机调节器包括外部信号处理， 通信，PID调节等模块，最后输 出模拟电压信号。 电液转换器通过驱动器、步进 电机可以完成电气信号至机械 液压信号的转换。 机械液压系统由引导阀、主配 压阀及接力器及其它辅助机构 构成导叶控制部分。 微机调速器工作时，通过测量 比较环节输入频率差或其它信 号，信号经过整形处理后，输 入到PID控制环节，得到一个消 除偏差的信号，该信号在电液 转换器中完成电信号到位移信 号的转换，达到控制机械液压 系统的目的，完成频率调整。
水轮机调节系统的智能控制研究
水轮机调节系统的智能控制研究发布时间：2021-12-01T08:23:25.566Z 来源：《当代电力文化》2021年第19期作者：顾生琴[导读] 水轮机是水电站的重要组成部分，也是水电站正常运行的重要设备。
顾生琴兰州信息科技学院甘肃兰州 730300摘要：水轮机是水电站的重要组成部分，也是水电站正常运行的重要设备。
水轮机的运行质量将直接影响发电机组的正常运行。
因此，本文对水轮机调节系统进行了分析，阐述了其控制方式，并根据当前形式结合水轮机的控制策略，推动水轮机调节系统向更加智能化的方向发展。
关键词：水轮机；调节系统；智能控制；研究1水轮机调节系统1.1概述水轮机调节系统是一个闭环控制系统，由调速器、压力引水系统、水轮机、发电机及其电网四部分组成。
这是一个集水控制系统，包括水、机械和电力。
随着水电站仿真技术的不断发展，对水电机组的数学模型进行了仿真，经济、直观、快速地研究了水电机组的静态和动态特性，提高了研究效率。
然而，水轮机控制系统是一个复杂的非线性系统，在建模过程中忽略了一些小的因素来获得简化模型。
通过仿真很难准确地反映汽轮机控制系统的实际过程，得到定量的结论。
因此，它只能为实际工作提供定性分析和决策支持。
由于水电站具有不同的特点和复杂的工况，建立水轮机动态模型，研究其在各种工况下的适用范围，具有十分重要的意义。
因此，为了理解模型的局限性和范围，我们可以选择正确的模型。
目前，通过计算机数值求解建立的水轮机数学模型可分为三类：第一是基于水轮机内部特性的数学模型，即基于水轮机自身水力原理的水力模型；第二是以水轮机综合特性曲线作为建模过程中水轮机数值特性边界条件的数学模型；第三个是IEEE工作组提出的非线性涡轮机模型。
1.2基本原则水轮机调节系统在工作过程中可分为静态和动态两种状态。
静态是指在给定信号、负荷和水头不变的情况下，机组的稳定运行状态。
当系统给定值发生变化或受到负荷、水头等动作的干扰时，系统需要及时做出相应的动作，达到供需平衡，经过一段时间的调整后重新运行到新的稳态。
水轮机控制系统技术规范导则
ＣＩＳ Ｐ Ｒ１ １：１９９０，工业、科学、医疗（ＩＳＭ）射频设备电磁骚扰特性的测量方法及限值 ＩＳＯ ３ ４４ ８：１９９２，工业液体润滑油— ＩＳＯ粘度分类
２ 术语、定义、符号和单位
２．１ 一般定义 本导 则 尽 可能采用 ＩＥＣ６ ０３０８的术语和定义。为 了说明，在附录 八中给出了本导则中所用的理想
ＰＩＤ调节器简化微分方程式，以与 ＩＥＣ ６０３０８中所用的理想 ＰＩ调节器简化微分方程式相比较。 为此 目的 ，与 ＩＥＣ ６０３０８中所给出的定义一样，本国际标准也应用下述定义：
２．１．１ 微分方程式 在时 域 中 描述动态系统品质的方程式。
２．１．２ 暂态响应 系统 对 阶 段跃变化的输人信号的响应（输 出）。
一 得 到 足够的稳定性；
— 在 阻 尼、响应和精度方面具有满意的性能要求 ； — 对 水 力瞬变限度提供安全保证 ，等等 为 达 到 Ｌ述各项 ，在很多情况下编制模型并进行模拟是很有价值的。本导则在这方面也涉及 了某些 重要内容。 由于 调 节 器应能适应各运行条件的范 围，因此应进行实际试验 ，以确定 调速器中参数整定值的某一 适用范围。本导则在有关章节中将涉及这种试验 特别 指 出 ，本导则中有关性能的定义涉及到 ＰＩＤ控制器，它可以由模拟或数字方法实现‘利用适当 的微机技术，也可以实现较高级的控制算法。虽然本导则出版时制定出专门的规则有些困难，但适合于 控制系统性能的一般准则与所用的控制对策还是基本无关的 这就是说，正如本导则所述那样，它们仍 是适用的。因此可将 ＰＩＤ控制器视为，而且可用作为测定一个系统性能的基准调节器。 本导 则 是 ＩＥＣ６ ０３０８关于水轮机控制系统的参考文件 其系统辨识和性能驮证等方法是可信赖的。
并因此便于投标的技术规范和技术的报价 。它也用作为建立技术保证的基础。 在多 家 卖 方情况下，对于系统各部分来说 ，它们之间的接 口是特别重要的。 本导 则 不 局限于控制回路的固有功能，也包括了所有控制系统的重要功能，也就是说，它也论述 了
水轮机调节系统讲义
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。
4、调速器系统的组成 水轮机调速器有多种类型，调速器一般由： 测量元件、放大元件、校正元件等环节组成。
5、调速器机械柜内各主要部件性能、结构 （1）主配压阀 主配压阀是液压放大元件，它的主要作用 是分配压力油进入接力器的开侧油腔或关侧 油腔，控制接力器的开和关。 是表征大型调速器的重要参数 遮程是影响调速机特性的因素之一
nmax－接力器行程Y=0的转速 nmin－接力器行程Y=Ymax的转速 n0－机组额定转速。
调速器技术条件规定： 静特性应近似为一条直线， 其最大非线性度不超过5%
3、调速器静特性 转速死区：
当机组转速超过n1时，调速器
开始关闭导叶；而当机组转速
略低于n1时，调速器并不动作，
只有机组转速低于n2时，调速器 才开启导叶。所以当转速在与之间时，调速器不动 作，这就是转速死区。 由于存在转速死区，实际调速器的静特性并不是 一根线，而是一条带子,其宽度为n1-n2
（2）有差调节
调差率：静特性曲线斜率的负数。 调差率表达式为：
nmax nmin ep 100% 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，相当于额定负荷工况； 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。
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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
GB/T 9652.1-2007
3.3
GB/T 9652.1-2007
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。
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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 。
水轮机调速器
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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
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‛。
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。
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。
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。
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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
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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
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。
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
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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。
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
GB/T 9652.1-2007
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07
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％。