水轮机调节及频率调整概述
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水轮机调节原理及调速器选择
（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。
三、水轮机调节系统的基本工作原理
导水机构
水能 QH
机
组
电能 UIf
给 定 f f
执行元件
放大元件
测量元件
反馈元件
水轮机自动调节系统方框图
调速器原理图
1—飞摆；2—主配压阀；3—接力器；4、5—活塞；6—节流孔； 7—硬反馈；8、9、10—变速机构；11—移动滑块
(二) 调速器系列(反击式水轮机)
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 第二部分：工作容量 中小型调速器×9.81N.m；大型指主配阀直径(mm) 第三部分：额定油压
2.5MPa 不加注释
例： YT—300 中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工 作容量300×9.81Nm
二、水轮机调节原理
水轮发电机组的运动方程式为： d Mt Mg J dt 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
J ——机组转动部分的转动惯量； d ——角加速度；
dt
d (1) M t M g， 0, c, n ne dt d ( 2) N M g M t M g 0n dt d (3) N M g M t M g 0n dt
d s D1 b0 H max D1
λ为计算系数，查表。b0为导叶高度。 当额定油压为4.0MPa时，接力器直径ds为：
d s d s 1.05 2.5 / 4.0 0.81d s
由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻 偏大的直径。
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。
水电厂调速器系统(机械)简介
1.3水轮机调节的组成
引水系统
水轮发电机组
电力系统
水轮机调节系统由调速器和 调节对象组成, 水轮机调节系 统的调节对象是水轮发电机组， 广义地说还应该包括与机组相 连接的引水系统和电力系统。 而调速器严格地说除了其本体 还有油压装置。
调速器
导水机构 水能
机组
电能
转速 给定
执行元件
放大元件
测量元件
反馈元件
1.1 水轮机调节的任务
电力系统的负荷总是在不断变化的，其中有些随机变化的负荷是 不可预见的。一天之内有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低 谷，这种周期性变化负荷是可预见的。而负荷的变化会引起系统频 率的变化。
水轮发电机组把水能变成电能供用户使用，用户除要求供电安全 可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某一范围内， 若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。对大电力 系统要求频率波动值不超过±0.4（±0.2Hz），对于中小型电网，则 要求频率波动值不超过±1％（±0.5Hz）。
u 在单机运行时用来维持机组转速恒定（按频率调节）； u 承担机组启动、停机、并网和增减负荷等操作； u 在并网运行时，按有差特性承担系统的负荷，实现 按功 率调节、按开 度调节、按频率调节、按水位调节； u 是水电站与机组的安全监控系统的执行装置之一。事故时通过紧急停 机电磁阀或事故配压阀快速关闭导叶（或折向器）切断水流，使机组紧 急停机，保护机组及电站安全。
水电水厂电调厂速调系统速（系机统械简）介简介
CONTENT
目 录
水轮机调节的基本概念 调速器的发展及分类 调速器系统的构成及原理 设备常见故障案例分析
调速器相关题库
目 录
CONTENT
水轮机调节的基本概念 1.1 水轮机调节的任务 1.2 水轮机调节的途径 1.3 水轮机调节系统的组成及特点 1.4 水轮机调速器的功能
水轮机调节
1. Mt=Mg ，水轮机的动力矩等于发电机的阻力矩，dω/dt=0，ω为一常数，机组以恒定转速 运行。
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。
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
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
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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
一次调频、二次调频简介
一次调频、二次调频简介主讲人 李 论2020.10目录三二次调频四调速器控制一、水轮机调节1.1水轮机调节的任务水能→机械能→电能→输配电→用户(v，f)1.1水轮机调节的任务电压调节发电机电压调节系统频率调节水轮机调节系统频率不稳定的后果：Ø织布不均匀Ø电钟报时不准Ø电动设备因频率低不能启动Ø金属加工时影响精度和光洁度我国电力系统频率规定 50Hz •允许范围：50±0.2HZ1.1水轮机调节的任务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 dtM M t gω=-J—机组转动部分的转动惯量GD2−机组飞轮力矩，g −重力加速度 —机组角加速度Mt—水流推动水轮机的主动力矩；Mg—发电机电磁阻力矩。
dtd ωgGD J 42=1.1水轮机调节的途径1.1水轮机调节的途径发电机阻力矩)(n f MgMg是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与转向相反，是阻力矩。
由发电机原理可知， Mg代表发电机有功功率输出，即与用户耗电功率的大小有关，与用户的性质有关。
综合用户后的Mg一般是随转速增加而增加的，当用电设备为某一组合时，Mg=f(n)可用一条曲线表示。
1.3水轮机调节过程α,Q图1-2 水轮机调节示意图⑴ Mt、Mg与n的关系 ① Mt：Mt是机组动力矩a)当水头一定，开度一定（如a=a3）n ↑↓→Mt ↓↑ (如下,a 、b ’、c’三点) 。
b)当水头一定，转速n相同时，a ↑↓→Mt ↑↓(如下,a、b、c三点)。
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合后的总负荷力矩。
a)对同一负荷特性曲线，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、b、c三点）。
1.3水轮机调节过程α,Q图1-2 水轮机调节示意图（2）改变负荷，开度a不变（a=a3)在a3下⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>→→=→→=<→→=01'30202'1()(()(()(n n b n f Mn a n f M n n C n f M gg g 平衡点）平衡点）平衡点）显然，如果负荷变化后，不调节导叶开度，机组转速仍可稳定在某一数值上，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡能力。
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。
导水机构
水能 QH
机组执行元件ຫໍສະໝຸດ 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。
(１) Mt=Mg ，水轮机的动力矩等于发电机的阻力矩， dω/dt=0，ω为一常数，机组以恒定转速运行。
(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，从而 减小Mt，以达到新的平衡状态。 (3) Mt ＜ Mg，水轮机的动力矩小于发电机的阻力矩，当发电 机的负荷增加时会出现这种情况，此时dω/dt＜0，机组转速 下降，在这种情况下，应增大水轮机的流量Q以达到Mt=Mg的新 的平衡状态。
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念讲解
1.水轮机调节系统
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
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。
1第一章水轮机调节基本知识教程
6
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、供电严格质量要求； 我国电力系统规定质量指标： 频率：严格要求在50Hz，允许偏差:大网±0.2Hz，小网 ±0.5Hz。 电压：额定值±5%～10%。 4、水调基本任务： 跟随负荷的变化调节水轮机的输入功率，保证机组转速稳定在 规定的范围之内。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。
30
第一章 水轮机调节基本知识
§1.4
调速器分类与型号
(二) 调速器型号(反击式水轮机)
1.我国调速器的型号的编制方法 国标JB/T2832-2004《水轮机调速器及油压装置型号编制方法》 规定：调速器的型号由三部分组成，其间用“-”分开。 2.我国调速器的标准系列 国标JB/T7072-2004《水轮机调速器及油压装置系列型谱》规 定。 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 第二部分：工作容量 中小型调速器×9.81N.m；大型指主配阀直径(mm) 第三部分：额定油压 2.5MPa 不加注释
12
第一章 水轮机调节基本知识
§1.2
自动调速器的构成原理
三、自动调速器构成原理：
1. 构成原理
13
2.调速器原理图
1—飞摆；2—主配压阀；3—接力器；4、5—活塞；6—节流孔； 7—硬反馈；8、9、10—变速机构；11—移动滑块
14
第一章 水轮机调节基本知识
（1）、直接作用的调速系统
§1.2
22
§1.2 自动调速器的构成原理 五、水轮机调节系统的组成（四个概念、一个框图）
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bp
•
A
1.0
y
Page 8
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 )
Page 15
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。
Page 16
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。
Page 11
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。
Page 2
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。
Page 6
控制原理
简单说一下以上的PID环节，也就是通常说到的比例-积分-微分 环节，一个调节信号的输入，经过比例环节可以进行放大处理， 但不能消除偏差，只能对偏差信号进行粗调；而积分环节可以 通过积分放大比例环节无法调节的小误差，消除稳态误差；微 分环节则是根据偏差的速度来调节，预测误差的变化趋势，达 到减小超调量，消除偏差的目的。
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。
xf 1 4 2
ep
3 5 1.0 p
Page 10
需要指出，在机组并网并在频率模式和开度模式下工作时或机组空载运行 时永态差值系数应取bp（即机组频率对于导叶接力器行程的永态差值系数）， 这里为了说明方便，取机组频率对于机组有功功率的永态差值系数ep来进行说 明。在实际运用中，采用bp还是ep是有本质上的区别的。ep的定义与bp定义 相同，只是ep静特性曲线的横坐标为功率。
水轮机调节及频率调整概述
一、水轮机调节系统
1、水轮机调节系统的组成 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系统。 从一般意义上讲，水轮机控制系统就是包含油压装置在内的水轮机调 速器。被控制系统包括水轮机、引水及泄水系统、装有电压调节器的发电 机及其所并入的电网及负荷，也可以称为调节对象。 2、工作过程 水轮机控制系统的测量元件把被控制系统的机频、机组有功、运行水 头、水轮机流量等参数测量出来，将水轮机控制系统的频率给定、功率给 定、接力器开度给定等给定信号和接力器实际开度等反馈信号进行综合， 由放大校正元件处理后经接力器驱动水轮机导叶机构及轮叶机构，改变被 控制的水轮发电机组的功率及频率。
Page 3
4、水轮机调速器的发展历程
随着机械、液压、电子、计算机、自动控制等技术的发展，水轮机调速 器经过了机械液压调速器、电液调速器、微机调速器的发展历程。
机械液压调速器
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
工作原理与机械液压调速器一样，仅仅是用若干电气环节取代了机械液压调速器的测量、反 馈和调节部件。
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。
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。
Page 4
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。
Page 12
频率（转速）－ 信号Fg
∆F
频率死区
1 ep
Байду номын сангаас∆Pf
频率
+
+
频率设定值Fc
∆P PID调节
+
机 组
功率
机组目标功率 Pc
+
－
机组实际功率 PT
水轮机调节系统一次/二次调频功能框图
Page 13
3、调频特性 下图所示是以静态特性形式表示的水轮机调节系统的调频特性 （因负荷频率特性是一种有利的自调节特性，为了分析方便，此处未 考虑负荷频率特性）：
Page 7
二、电网负荷频率控制
1、水轮机微机调速器的静态特性
水轮机控制系统处于平衡状态下，被控参量相对偏差值与接力器行程相对偏差值 的关系特性。 主要参数： 永态差值系数bp：在水轮机控制系统静态特性曲线上，某一规定运行点处斜率的 负数。其大小表征了机组在系统中的地位。 转速死区：由于调速器存在摩擦和误差，使得接力器往返同一点的转速是不一样 的，这个差值区间是不起调节作用的，该区间即为转速死区。 xf
e 其中 f g 为机频， f n 为网频， p 为速度变动率
Page 9
2、水轮机调节系统的静态特性
配置了调速器的水轮发电机组，水轮机将自动调整进水量的大小，以 满足负荷变动的需要，从而保证频率偏差在允许的范围内。对应不同机组 有功功率，水轮机的静态频率特性为一簇曲线，随着进水量的变化使水轮 机的运行点从一条曲线过渡到另一条曲线，而各运行点之间的连线1-2-3称 为发电机组的功率-频率静态特性曲线。可以近似用直线4-5表示：
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。