水轮机调节系统
水轮机控制工程第一章水轮机调节的基本概念
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。
水轮机调节及频率调整概述
bp
•
A
1.0
y
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频率给定 f c ：根据运行要求设定的系统频率。 开度/功率给定 y c p c ：对应于频率给定的开度及功率。 人工开度/功率死区：不起调节作用的开度及功率区间。
微机调速器进入稳定状态的必要条件：
f c f g 50 b p ( y c y ) f c f n 50 e p ( p c p )
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当系统负荷发生变化时，各机组根据自身的速度变动率，自动分配 系统的负荷变化，分配的多少与速度变动率成反比。 在二次调频中，一般选用速度变动率较小，容量大的机组或电站利 用调速器的频率调整机构，联合调节。这要求做此种功能的机组调节性 能要好，调速器动作灵敏。
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其实，对于比例-积分-微分环节的调节机理我们在对水轮机进行 手动调节时已经形象地反映出来了。例如：机组频率为51HZ和 54HZ均大于50HZ，但针对前者，关闭导叶的幅度要小一点，慢 一点；对于后者，幅度要大一点，快一点。这就是比例环节的 体现。 当机组频率接近额定值时，应当密切观察频率偏差， 缓慢、微量地开启或关闭导叶，直至机频恢复正常范围。 类似 于积分环节。 当机频由54HZ以较快速度下降到51HZ时，虽然仍 大于50HZ，但此时不应继续关闭导叶，可能还需要使导叶稍微 开启一点，这是针对水流惯性和机组惯性而采取的超前调节原 则，对应于PID环节中的微分环节。
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频率是衡量电能质量的指标之一，频率质量的下降不仅影响用户 的用电质量，同时对电力系统的影响也很大，严重时可造成系统瓦解。 当机组并入大电网运行时，水轮机调速器主要起到电网一次调频 的频率调节器和电网二次调频及电网负荷频率控制的功率控制器的作 用。所以，原来所说的水轮机调节系统的功能有了增加和扩展：在完 成水轮机频率调节任务的同时，还与电网AGC系统和电厂AGC系统相接 口，具有一些与电网控制有关的附加功能。 电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率50HZ的频率偏差，按 功率永态差值系数（速度变动率）ep对机组进行功率控制，由于该系 数的存在，也决定了该调节是一个有差调节，因而由各机组共同完成 的一次调频不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频 率恢复到允许范围。 为了进行电网负荷频率控制，使电网的功率差值得到弥补，恢复 电网频率，就必须进行电网的二次调频，控制机组的目标功率值，改 变调速系统静态特性曲线，使机组在新的目标功率值确定的静态工作 点下运行，补偿了功率和频率，电网实现新的功率平衡。
水轮机调速系统
水轮机调速系统用是什么？水水能电能转速给定自动调速器由测量元件、放大元件、执行元件和反馈（或稳定）元件构成。
测量元件负责测量机组输出电能的频率，并与频率给定值比较，当测得的频率偏离给定值知，发出调节信号放大元件负责把调节信号放大，然后通过执行元件去改变导水机构的开度，使频率恢复到给定值反馈元件的作用是使调节系统的工作稳定2、水轮机调速器的主要作用是什么？答：（1）根据发电机负荷的增、减，调节进入水轮机的流量，使水轮机的出力与外界的负荷相适应，让转速保持在额定值，从而保持频率（f=50Hz）不变或在允许范围内变动（2）自动或手动启动、停止机组和事故停机（3）当机组并列运行时，自动地分配各机组之间的负荷3、水轮机调速器分哪几种类型？调速器型号的含义是什么？答：按照测速元件的不同型式，可分为机械液压型调速器（简称机调）、电气液压型（简称电液）调速器和微机调速器按调整流量的操作方式不同分为单调和双调两类。
如混流式和轴流定桨式水轮机，只采用改变导叶开度的方法来调节流量的叫单调；而轴流转桨式水轮机采用改变导叶开度同时改变转轮叶片角度的方法来调节流量，此种方法叫双调；冲击式水轮机在改变喷针行程的同时，还采用协联动作改变折向器的方法调节流量，也叫双调4、电液调速器由那几部分组成？其主要元件叫什么？答：由电气和机械液压两部分组成。
其主要元件包括：永磁（也称测速）发电机、测频回路、信号综合放大回路，调节信号放大回路、电液转换器及机械液压放大装置。
此外还有位移传感器、缓冲回路、功率给定与硬反馈回路、功率给定与频率给定回路以及开度限制机构等5、电液调速器中，永磁发电机、测频回路和电液转换器各起什么作用？答：永磁发电机是装在机组主轴上，用以反映机组频率（或转速）变化的测速发电机，它供给测频回路频率偏差信号，同时供给调速器中各电气回路的电源测频回路就是利用电容元件C和电感元件L组成的谐振回路，相当机械调速器中飞摆的作用。
它将永磁发电机送来的频率（转速）变化与给定值之偏差△f （△ n）转变成与其成正比的电压信号，送至信号综合回路达到控制水轮机、实现机组自动调节的目的电液转换器是电液调速器中联接电气部分和机械部分的桥梁，由电气位移部分和液压放大部分组成。
第四章 水轮机调节
调速设备的组成：调速柜、接力器、油压装置
1.调速柜:
控制水轮机的主要 设备，能感受指令并加 以放大，操作执行机构， 使转速保持在额定范围 内。
调速柜还可进行水 轮机开机、停机操作， 并进行调速器参数的整 定。
2.接力器
调速器的执行机构，接力器控制水轮机调速环（控制 环）调节导叶开度，以改变进入水轮机的流量。
大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径 100mm， 额定油压40Mpa，A是第一次改型后产品 A、B、C为改型次数。
七、调速器油压装置
油压装置是供给调速器压力能源设备，是调速系统 设备之一。
组成：压力油箱（储存压力油)、集油箱（收集调速 器回油和漏油)、油泵（向压力油箱送油)。
油压装置型号由三部分组成，中间用横线隔 开，形式为：
HYZ—4
表示组合式油压装置，压力油箱容积为4m3，一个 油箱，额定油压为2.5MPa。
无第三部分表示压力油罐数为一个，额定油压小 于2.5MPa。
八、水轮机调速设备的选择
包括：调速柜、接力器、油压装置。
中小型调速器的选择 大型调速器的选择
中小型调速器的选择
中小型调速器是根据计算水轮机所需的调速功 查调速器系列型谱表来选择的。中小型反击式水轮 机调速功的经验公式：
电能
执行元件
放大元件
综合环节
稳定元件
敏感元件
六、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)、电气液压(电调)和微机电液（微调） 电气液压：用电气回路代替机调中的机械元件。调节性
能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。 微机电液：采用计算机控制器，可靠性、调节功能和品
A (200 ~ 250)Q HmaxD1
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
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
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
水轮机调节系统基本原理及应用
目录第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响 (2)第一节水轮机调节系统概况 (2)第二节水轮机调节系统对电力系统运行的影响 (6)第二章水轮机调速系统的基本原理 (9)第一节水轮机调速系统的原理及分类 (9)第二节水轮机调速系统的调差参数及不灵敏区 (11)第三章电力系统对调速系统的控制 (13)第一节电力系统频率控制的基本概念 (13)第二节频率的一次调节 (17)第三节自动发电控制（AGC） (18)第一节电力系统频率的二次调节 (24)第四章电力系统的自动发电控制系统 (31)第一节、调度端自动发电控制系统概述 (31)第二节自动发电控制系统（AGC） (32)第三节水电机组的调节能力 (35)第四节水电厂自动控制系统 (38)第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响第一节水轮机调节系统概况一、水轮机调节的任务和特点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。
系统负荷发生变化时，对机组产生两方面的影响：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。
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：随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
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。
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。
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。
水轮机调节的特点：1．必须具备有足够大的调节功能水轮发电机组是把水能转换成电能的机械．而水能因受自然条件的限制，通常水电站水头在几米至几百米的范围内，水轮机上的压力只有零点儿MPa至几MP,因此，发出较多的电功率，常需相当大的流量，水轮机及其导水机构尺寸也需要相应加大。
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。
水轮机调节第七讲
第七讲水轮机调节系统动态特性及参数整定一、水轮机调节系统动态特性水轮机调节系统由调节对象和调速器组成，具有加速度回路的软反馈型调速器的水轮机调节系统的方块图见图7—1。
它是一个定值调节系统，x c 和c 是转速给定信号，m g0为负荷扰动信号。
本节将讨论如图7—1所示水轮机调节系统的动态特性。
具有加速度回路的软反馈型调速器的传递函数为设b p =0，T y =0，T'n =0，则即具有PID 型调节规律。
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水轮机调节系统及装置运行与检修规程
水轮机调节系统及装置运行与检修规程一、适用范围本规程适用于水轮机调节系统及装置的运行、维护和检修。
二、设备概述水轮机调节系统及装置包括水轮机控制器、调速器、油压装置、接力器等组成部分，用于控制水轮机的转速和输出功率，保证水电站的安全稳定运行。
三、运行规程1. 运行前检查- 检查设备外观是否完好，无渗漏油现象。
- 检查油压装置的油压、油位是否正常。
- 检查调速器的电气连接是否牢固，信号传输是否正常。
- 检查接力器的动作是否灵活，无卡滞现象。
2. 运行操作- 按照操作程序启动水轮机调节系统及装置。
- 观察设备运行参数，如转速、功率、油压等，确保其在正常范围内。
- 定期进行巡视检查，及时发现并处理异常情况。
3. 运行注意事项- 严禁超过设备规定的运行参数范围。
- 如发现异常情况，应立即停止运行，并进行故障排除。
四、检修规程1. 检修周期- 根据设备运行情况和厂家建议，制定合理的检修周期。
- 一般情况下，每年进行一次小修，每3-5 年进行一次大修。
2. 检修内容- 小修：对设备进行清洁、检查、调整和紧固等工作。
- 大修：对设备进行全面解体检查、维修或更换零部件，进行性能测试和调试等工作。
3. 检修注意事项- 严格按照检修规程和操作程序进行操作。
- 确保检修工具和设备的完好性。
- 检修完成后，进行全面检查和测试，确保设备恢复正常运行。
五、安全规程1. 严格遵守电力安全规程和操作规程。
2. 禁止在设备运行时进行检修和维护工作。
3. 对设备进行定期检查和维护，确保设备的安全可靠性。
4. 加强对操作人员的培训和教育，提高其安全意识和操作技能。
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。
水轮机调速系统
9、回油：用于机械动作或润滑的油中回集到回油箱 中的那部分油。 10、指令信号：在调速系统外部输入的调节信号。 11、反馈：是将系统或环节的输出信号再引回输入 的过程。 12、调速器的静特性：（调速系统静态特性）在平 衡状态下，机组转速和接力器行程之间的关系。 （因转速与频率是对应的，因而实际上也有用频 率与接力器行程的关系来表示。） 13、无差调节静特性：静特性曲线与横轴平行，就 是说机组从空载到满载的所有稳定运行情况下， 转速总是回到原来的额定值。 。
28、辅助接力器：用自动控制阀分配的压力油动作 的接力器，它操作主配压阀。 29、控制环：是一个可以转动的环状部件，通过连 杆、拐臂与环相连，将接力器的力和动作分配给 所有的活动导叶。 30、扰动：在自动调节系统中，总是存在着若干促 使被调节参数偏离给定值的干扰因素，这些干扰 因素称为扰动。 31、机械转动：利用皮带、轴、齿轮等机械零件的 传动装置来进行功率和动作的传递系统。 32调速系统的工作容量：在额定油压下，主接力器 走完一次全行程所做的功。
4、水轮机调速器分那几种类型？调速器型号的含义 是什么？ 答：水轮机调节系统是比较复杂的，因此产生了各 种不同类型的调速器。 按照测速元件的不同型式，可分为机械液压型调速 器（简称机调）、电气液压型（简称电液）调 速器和微机调速器。 按调节流量的操作方式不同可分为单调和双调两类 。如混流式和轴流定桨式水轮机，只采用改变 导叶开度的方法来调节流量叫单调；而轴流转 桨式水轮机采用改变导叶开度同时改变转轮叶 片角度的方法来调节流量，此种方法叫双调； 冲击式水轮机在改变喷针行程的同时，还采用 协联动作改变折向器开度的方法调节流量，也 叫双调。
43、卸荷阀：是在一定条件下，能使液压泵卸荷的 阀。 卸荷阀通常是一个带二位二通阀(常为电磁 阀)的溢流阀,功能是不卸荷时用作设定系统(油泵 )主压力,当卸荷状态时(靠二位二通阀动作转换) 压力油直接反回油箱,系统压力为0.值以实现一些 回路控制和提高油泵寿命,减少功耗.在回路中属 于并入回路的。减压阀用于调整执行元件所需压 力,是串联在回路中的，一般不能互换使用。 44、安全阀：进口蒸汽或气体侧介质静压超过其起 座压力整定值时能突然全开的自动泄压阀门。是 锅炉及压力容器防止超压的重要安全部件。
中小型水轮机调节系统技术规程
中小型水轮机调节系统技术规程中小型水轮机调节系统技术规程旨在提供对中小型水轮机调节系统技术要求的规范化指导，为中小型水力发电行业提供可靠、高效、稳定的调节系统技术。
以下是规程的主要内容。
一、技术要求1.调节系统应具有快速响应、高精度、可靠性强等特点；2.控制系统应根据流量、水头和功率等参数，实时调节进水和出水阀门，确保水轮机的正常运行；3.调节系统应与水轮机本体相配合，充分利用水轮机本体能量，提高水轮机的效率；4.调节系统应具备自主诊断故障的能力，并能够自动切换备用控制模块；5.调节系统应具备远程监控和远程操作的功能，实现对水轮机的远程管理；6.调节系统应符合国家有关法律法规和标准要求。
二、系统设计1.调节系统应根据水轮机的类型和性能，选用适当的控制策略和控制模块；2.调节系统应采用可编程逻辑控制器 (PLC)或数字信号处理器 (DSP) 做为控制核心，实时数据采集和控制；3.各个控制模块应能实现可横向扩展和纵向升级，以适应不同尺度和功率的水轮机；4.控制系统应与数据采集系统、通讯系统、自动化仪表系统相结合，形成一体化的自动化控制系统；5.系统应进行可靠性设计，具备防雷、防水、防尘等功能，满足复杂高海拔等恶劣环境条件下的要求。
三、质量控制1.生产厂家应按照行业标准制定质量管理体系，并建立健全相关制度；2.调节系统的制造、安装、调试和维护应符合技术要求和行业标准，并具有相应的资质和技术能力；3.调节系统应进行全面测试和调试，包括硬件测试和软件测试，确保系统的正常运行；4.生产厂家应提供完整的技术资料和产品手册，指导用户正确使用和维护调节系统。
四、安全保障1.调节系统应具备安全保护功能，当流量、水头等参数超过安全范围时，能够自动停机，并发出警报信号；2.调节系统的配电系统应具备防火、防爆、防雷等功能，保障人员和设备的安全；3.调节系统应定期进行检查和维护，以确保其长期安全、可靠运行。
综上所述，中小型水轮机调节系统技术规程对中小型水力发电行业提供了可靠、高效、稳定的调节系统技术，将对我国水力资源的开发和利用产生积极的推动作用。
第二章水轮机调节系统工作原理
调节对象
水力系统
水库 尾水
水能 Q、H 导水机构 水轮发电机组
电能 U、I、f 电力系统
调节器 （调速器）
执行元件 放大元件
转速 给定 + 反馈元件 测量元件
图 1-12 水轮机转速自动调节系统框图
水轮机转速自动调节系统是从蒸汽机转速自动调节系统发展 而来。下面以直观易懂的机械液压型调速器构成的水轮机调节 系统为例来说明其工作原理，图2-1为水轮机调节系统原理简 图，左侧是调速器部分，右侧是水轮发电机组部分。
p0 F
若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T， 配压阀向上位移S12
RW ( pI pII ) F T
(pI pII )F RW T
(pI pII )F kt q 2S11 F RW T
( RW T )l S 12 p0 F
输入 ②钢带 ③限位架 ④重块
⑤调节螺母
⑥弹簧 ⑦下支持块 输出
（3）动作 a.初始为某一平衡位置， 折算离心力与弹簧力相等； b.当飞摆转速升高时，折 算离心力大于弹簧力向外张 开，下支持块向上处于较高 位置； c.当飞摆转速下降时，折 算离心力小于弹簧力向内收 缩，下支持块向下处于较低 位置；
(2-22)
式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器 活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂 和导叶等）； D 为液体阻尼系数；△ Y 为接力器活塞相对原平 衡位置的偏移量。 当调节系统波动较小时，△S亦较小，接力器移动速度较慢， 运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运 动方程可近似认为 R p p R ( p p ) F 或 与静止式（2-15）相
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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4．按反馈的位置分为：辅助接力器型、中间接力器型、电 子调节器
5．按调速器工作容量大小可分为： 大型：活塞直径 80mm 以上 中型：操作功 10000~30000 N. m 小型：操作功小于 10000 N. m 特小：小于 3000 N.m
水电站 引水发电系统
七、调节保证计算
1．调节保证计算的任务 根据水电站水轮机组和引水系统条件，针对甩荷过渡
(4) 进行较核、调整 6. 改善甩负荷过渡过程的措施
(1) 设置阻水器 (2) 增加机组转动惯量 (3) 设置调压井或调压阀 (4) 改变导叶关闭规律
混流式水轮机甩负荷过渡过程
俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故
萨彦-舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游。重力拱坝，最 大坝高245m，总装机640万kW，多年平均发电量235亿kW·h。水库总库容 313亿m3，有效库容147亿m3，为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、航 运和供水等综合经济效益。工程于1968年动工兴建，1975年10月11日截流， 1978年第1台临时机组在60m水头下投入运行，1989年全部工程竣工。
四、水轮机调节系统的特性 调节系统的工作归纳起来主要有两种工作状态：一种
是调节前后的稳定状态，用静特性描述；另一种是从调节 开始到结束的过渡过程，用动特性描述。
1. 调节系统的静特性
只有单机运行的机组才有可能采用无差调节的运行方 式如图( a )所示。若对并列运行的机组采用无差调节，由 于各机组调速器的灵敏度不可能都完全一样，当机组负荷 变化时，会在机组间发生负荷窜动，致使导水机构不停地 动作，机组无法稳定运行。
两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配
按照有差静特性斜线进行调节，可使并列运行的机组保持同 步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配。
两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配
2. 调节系统的动特性 调节系统的动特性主要是指在调节过程中机组转速随
时间变化的关系。 当电力系统负荷变化时，水轮机导水机构不可能立即
所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在
技术经济上合理的允许值。包括：速率上升值 ；水压上 升值 ；尾水管真空值。
4．计算工况选择 a. 额定水头甩全负荷； b. 最大水头甩全负。
5. 调保计算步骤 (1) 准备基本数据； (2) 求出计算工况下∑LV ；
(3) 给定导叶关闭时间TS计算 、 ；
水力发电过程示意图
二、水轮机调节原理 水轮发电机转子运动方程
Mt
Mg
J
d
dt
( f pn) 60
Mt Mg
d 0
dt
n n0
水轮发电机组示意图
Mt Mg
d 0
dt
n 流量的途径：
混流式水轮机： 通过改变导叶开度 a0
轴流转浆式水轮机：改变导叶开度 a同0 时改变叶片转角
六、调速器的类型
1．按调速器元件结构分为：机械液压(机调) 和电气液压(电调)
2．按调节规律可分为：PI和PID调速器 3．按执行机构数目分：单调节和双调节调速器
单调节：只有一个导叶启闭机构，如混流式和轴流定浆式 水轮机。 双调节：有两个调节机构(导叶开度，叶片转角)，ZZ、CJ （针阀、折流板转动）
五、水轮机调节的特点 为了适应不同的水力发电条件，水轮机具有不同的结
构型式。与其他原动机调节相比较，水轮机调节有如下几 个主要特点。 (1) 通过水轮机的流量较大，导致水轮机及其导水机构的结 构尺寸较大。这就要求推动导水机构的调速器应有足够大 的操作能力，所以水轮机调速器均设有外加能源的多级液 压放大系统，这将使执行元件的惯性增加，不利于调节。 (2) 水电站一般都是有压过水系统，由水力学知道，当导叶 开度变化较快时，管道内水流惯性会引起难以避免的水击 (锤)效应，它与调节作用相反并恶化调节过程。 (3) 水轮机调速器配备具有双重调节能力的执行机构。
➢ 调节流量的实质：调节转速
➢ 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器
➢ 调速器与机组构成了水轮机调节系统
三、水轮机调节系统的组成
调速器的作用：以转速信号为依据，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。
调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、保护装 备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量元件、放 大元件、校正元件等组成，调速器与机组构成水轮机调节 系统。
当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的开度， 使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要，维持频率稳 定。转速调整机构和开度限制机构通过自动调节机构起着
控制作用。
自动调节方框图
机组的转速信号（被调节参数）送至测量元件，测量元件把频率信号 转换为位移或电压信号，然后与给定信号综合，确定频率偏差及偏差 的方向，并根据偏差情况按一定的调节规律发出调节命令。调节命令 被放大元件放大后，送到执行元件去推动导水机构，反馈元件又把导 叶开度变化信息返回加法器，同时也形成必要的调节规律。
水电站在向电网供电的过程中，只需保证供电的频率 保持在规定范围内即可，因此可以允许机组转速在调节前 后有微小的偏差。为解决负荷分配问题，可使调节系统的 静特性线有一定的倾斜，如图( b )所示，使机组在不同负 荷时对应有不同的转速，也就是说机组从一种稳定状态经 过调节过渡到另一种新的稳定状态时，机组的转速是不同 的，与原来的转速有差别，这种调节称为有差调节。
过程所进行的机组转速和引水系统压力上升的计算叫调节 保证计算。 2．调节保证计算的任务及目的
(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内 水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依 据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道 中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；
(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是 否在允许的范围内。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和 转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 3．调节保证计算标准
动作来改变水轮机的主动力矩以适应新的发电机阻抗力矩， 存在有一个滞后时间，而在此时间内机组转速已产生了较 大变化；又在具有很长压力引水管道的水电站中，水流的 惯性很大，导叶启、闭所引起的水击压力会抵消部分导水 机构的调节作用，因而也会引起调节动作的滞后以及转速
的较大变化。
各种过渡过程曲线
过渡过程的品质指标 （a）无差调节过渡过程 （b）有差调节过渡过程