水轮机自动调节

第一章

发电启动控制的组成及过程

在水力发电过程中，首先将水能通过水轮机转换为旋转的机械能，再经由同步发电机转换为三相交流电能，然后电能通过变电、输电、配电及供电系统送至电力用户消耗。当电力系统有功负荷（电能消耗）发生变化时，必然引起整个系统能量的不平衡，从而引起系统频率发生波动。为了保证电能的频率稳定，必须对水轮发电机组的转速进行控制。水轮机调速器承担着控制机组转速的任务，调速器通过检测机组的转速与给定值比较形成转速偏差，转速偏差信号再经过一定的控制运算形成调节型号，然后通过功率放大操纵导水机构控制水能输入，使水能输入与电力有功负荷相适应。同样，当电力系统电力无功不平衡时，将会引起系统电压发生波动，励磁装置承担着稳定电压的作用，并且励磁系统能够改善并网运行发电机的功角稳定性。

2.水轮机调节系统的组成及各元件的作用

水轮机自动调节系统是由水力系统、水轮发电机组及电力系统所组成的调节对象和调速器组成的。调速器包括了测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等。

测量元件（离心飞摆）作用是将机组转速信号转换为相应的机械位移信号。

放大元件（配压阀和接力器构成的液压放大器）作用是把测量元件输出的机械位移量进行功率放大，通过执行元件操作控制笨重的倒水机构。

设置反馈元件的目的是对放大元件进行校正，改变调速器的控制规律，以保证水轮机调节系统动态稳定性。

接力器兼作执行元件，操作水轮机的开度。

比较元件（由弹簧、轴承、滑环等组成）在A点位置保持不变时，人为调整转速给定把手，弹簧力发生变化，离心力必须相应变化，相当于离心飞摆转速或机组转速发生了变化。

4.水轮机调速器是如何分类的？

1.按元件结构分：a机械液压型调速器（元件均是机械的）b电气液压型调速器（模拟电气液压型；数字电气液压型又名微机调速器）

2.按系统结构分：a辅助接力器型调速器（跨越反馈）b中间接力器型调速器（逐级反馈）c调节器型调速器（随动系统）

3.按控制策略分：PI调节型，PID调节型，智能控制型

4.按执行机构数目分：单调节调速器，双调节调速器

5.按工作容量分：大型，中型，小型和特小型

第二章

5.分析建模基础

以应用最为广泛的缓冲室式机械液压型调速器为例，它是由测量元件，放大元件，反馈元件，永态转差机构等构成，首先测量元件的作用是将机组转速信号转换为相应的机械位移信号，然后由放大元件把测量元件输出的机械位移量进行功率放大，通过执行元件操作控制笨重的导水机构，设置反馈元件的作用是对放大元件校正，改变调速器的控制规律，以保证水轮机调节系统动态的稳定性，再通过水轮发电机组利用转速变化来调整水轮发电机组的有功输出，这就是水轮机调节系统的建模基础

6.水轮机特性及其表述，调节系统原理简图，调节特性有差无差，为什么进行有差调节，什么时候进行无差调节

调节系统工作特性

1)无反馈作用时。相当于缓冲器节流孔全开（Td=0），缓冲活塞上下油路（完全保持畅通，）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)硬反馈作用时。相当于缓冲器节流孔全关（Td=∞），缓冲活塞上下油路切断，缓冲活塞完全跟随

缓冲杯动作，反馈量与主接力器位移成正比。

3)软反馈作用时。相当于缓冲器节流孔部分开启（Td为有限值），缓冲杯运动时会在缓冲活塞形成

油压差，油压差的作用下缓冲活塞也发生运动。（当缓冲杯动作停止后缓冲活塞在弹簧的作用下回到中间位置，反馈量消失为零）节流孔口越大，Td越小，缓冲活塞回到中间过程越快，反之相反。

调节系统静态特性：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。

调节系统处于静止平衡状态时必须满足的三个条件：

a.主动力矩等于阻力矩。

b.配压阀开口为零。（接力器停止运动）

c.反馈元件输出不再变化。

无反馈作用时：调节系统静态特性是一条水平线，称为无差静特性，表示无论机组带多少负荷，稳定下来后的机组转速都相同，此种调节系统称为恒值调节系统。

硬反馈作用时：调节系统静态特性是一条左高右低曲线，表示机组带的负荷越大，机组稳定下来的转速越低，称为有差静特性。

软反馈作用时：与无反馈作用时静态特性相同。因为调节系统静态时，无论主接力器在哪个位置，缓冲活塞最终都会在弹簧力的作用下回到中间位置，杠杆1左端Y点位置不变，不会影响引导阀针塞的位置，故也是无差静态特性。

调速器中为什么要采用软反馈（暂态反馈）？其工作参数Td、bt的物理含义是什么？

采用软反馈：由于软反馈在调节系统动态过程存在，就可以使主配压阀提前回中，保证了动态过程能够稳定；同时由于软反馈调节过程结束后反馈量消失，不会造成静态偏差，从而能够实现恒值调节或无差调节。

调速器即可以保证调节系统动态过程稳定，又可以获得无差静态特性，实现恒指调节的目的，满足水轮机转速自动调节系统的基本任务和要求。

缓冲时间常数Td：缓冲活塞从阶跃输入撤出到恢复至36.8%初始偏移量为止所经历的时间；暂态转差系数（缓冲强度）bt：缓冲节流阀孔口全关（Td=∞）的情况下，接力器走完全行程，通过暂态转差机构所引起的针塞位移量，折算为转速变化的百分数。

为什么并列运行机组不能采用无差静特性，设置调差机构的目的是什么？

原因：采用无差静特性时，系统频率与各机组无差静特性没有一个明确的交点，增减任意一台机组的负荷会导致机组间负荷出现“拉锯现象”。

目的：调差机构的作用是获得调节系统有差静特性，以使机组并列运行有一个明确的工作点，保证机

组负荷分配明确，满足机组并列运行的要求。

用转速调整机构平移调节系统静态特性，其作用是什么？

单机运行时改变机组的转速或频率并网运行时改变机组开度或出力

7．

1）、机组并列运行时不能采用无差静特性，而需才用有差静特性。

由于系统频率与各机组无差静特性没有一个明确的交点，若机组采用无差静特性则将会导致机组间负荷出现拉锯现象，导致机组之间负荷分布不明确，所以要有差静特性从而满足机组并列运行的需要，使负荷连续合理分布。

2）、调差机构：调差机构也称为永态转差机构，是指从主接力器到引导阀针塞之间的杠杆机构，在调速器中起到硬反馈作用。

3）、调差率e来表征调节系统静态特性。

4）、永态转差机构运动方程：。永态转差系数：接力器走完全行程，通过调差机构引起的针塞位移量，折算为转速变化的百分数。

5）、负荷分配：

（1）已知系统中有m台机组，各台机组的额定出力为、调整率为、系统中总的负荷变化量，求各台机组负荷变化量和系统频率的变化量。

，即，考虑=，于是。同理可得其他机组的负荷变化量○1，考虑到所有机组负荷的变化量之和等于系统中总的负荷变化量，有，得，将上式代入○1中得。

（2）已知系统中有m台机组，各台机组额定出力调差率和第1台机组转速调整机构的平移量；求各台机组负荷变化量和系统频率的变化量。

，即=，得○1，对于2-m台机组，同理可得到○2，式中i=2—m，考虑到此时系统总负荷没有变化，第一台机组负荷的增加量等于系统中其他机组负荷减少量之和，有，将代入上式，可求出系统中频率