水轮机调节的基本概念..共17页文档
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。
水轮机调节的基本概念和凌津滩电厂调速器系统简介
36
三.微机调节器－机组频率测量
测量频率一般采用测量周期法（简称测周法） 或测量频率法（简称测频法）。测频法是指： 通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量 频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电 机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它 只适合于测量处于高频段的频率信号。
37
三.微机调节器－机组频率测量
10
2.水轮机调节的基本原理和特点
机械液压/电气液压/数字式（微机）电液调速器 缓冲式PID结构
图1-3 电气液压调速器(PID)结构图
11
2.水轮机调节的基本原理和特点
PID结构 ：
图1-4 微机调速器结构图
12
3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 1 水轮机调节系统的静态特性 静态特性： b p (bs )
F
高频时钟信号 N & f1 放大 整形 f2 分频 f3 f4
f1 f2 f3 f4 NT T
t
t T t
t
t
38
三.微机调节器－机组频率测量
F必然正比于被测的频率值。例如，取 N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其 T=0.02s，N×T=40000；若取式中的常数 C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若 被测频率为48Hz，则求得F=48000。
9
2.水轮机调节的基本原理和特点
水轮机自动调节的基本原理
从调节规律看，现有的调速器大多属于比例积分（PI）或比例积分微 分（PID）式的。典型调速器方块图中常用的符号： X＝（n/nr）＝（f/fr）―― 转速（频率）相对量 y＝Y/Ym＝Z/Zm ―― 接力器行程相对量 Bp――――――永态转差系数 Bt――――――暂态转差系数 Td――――――缓冲装置时间常数 Tn――――――加速时间常数 Ty1――――――中间接力器（辅助接力器）反应时间常数 Ty2、Ty――――――接力器反应时间常数 S ―――――拉普拉斯算子
水轮机的基本概念和微机调速器讲座
kI
1 k D s] s
yPID (s) 1 k s [k P k I D ] F (s) s 1 T1v s
图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性
49
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
速动时间常数Tx=bt×Td
29
三、水轮机伺服电机调节器 1、交流伺服电机自复中系统原理框图
30
交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型：
交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器框图
31
微机调速器自动调节部分框图
32
水轮机三种闭环调节模式
• PLC水轮机微机闹速器有3种主要的调
节模式——频率调节模式、开度调节 模式和功率调节模式，这三种调节模 式贯穿于调速器的整个调节过程，其 功能及其相互间的转换都是由微机调 节器完成的。
频率固定的定 位脉冲信号
伺服电机和驱动 器内部形成闭环
15
龚嘴水电站
3、电气/机械直线位移转换装置（伺服电机）
电气/位移转换装臵是将电气信 号连续地、线性地转换成机械位移 信号。 伺服电机是一种新型的直线位移 转换器，采用全数字交流伺服电机， 精密滚珠丝杠传动副，具有线性度 好，输出力大，反应灵敏，操作方 便，可靠性好，结构紧凑等特点。 可以在自动（电气控制）手动 （操作手柄）不同方式间无扰动地 切换，有“无油电液转换器”之称。
图1-1 水轮机调节系统的结构图
6
4 水轮机调节的理论基础
• （１）水轮发电机组转动部分的运动方程
7
8
调速系统特点：
操作力大——调速器需要多级液压放大和外加能源 （油压装臵），并采用液压接力器作为执行元件 水轮机过流管道存在水流惯性：
1第一章 水轮机调节基本知识解析
调速器分类与型号
2、按调节机构数分 单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组 双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角)， ZZ、CJ（针阀、折流板转动） 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
2
第一章 水轮机调节基本知识
1.1 水轮机调节任务与途径 1.2 自动调速器构成原理
1.3 水轮机双调节简介
1.4 调速器分类、系列与型号
3
第一章 水轮机调节基本知识
主要教学内容 1、电力生产的特点 2、水调基本任务 3、动力矩与阻力矩的特点 4、水轮机力矩平衡特性 5、掌握自动调速器的构成原理 6、掌握双调节调速器的构成原理 7、熟悉调速器的表示型号、掌握国家现行有关标准 的规定
水能 水轮机 发电机 永磁机 接力器 硬反馈 配压阀 软反馈 离心摆 操作控制机构 飞摆电机 调速系统 调速器 用户
23
第一章 水轮机调节基本知识
§1.3
双调节简介
一、双调节定义：
指被水轮机具有两个相互配合（协联）的调节机构，两套机 构遵循一定规律的，称为协联关系。 ZZ：导叶开度与轮叶角度 CJ：喷嘴开度与折向器位置角度
7
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
二、水调途径与方法
1、水轮发电机组的基本方程式： Jε =Mt-Mg 2、水轮机动力矩特性 如图：
水轮机动力矩特性
水轮机组发电示意图8
第一章 水轮机调节基本知识 3、发电机阻力矩特性
§1.1 水轮机调节基本任务与途径
如图：
4、水调力矩平衡特性 如图： （1）稳定运行状况： （2）无调节状况： （3）有调节状况： （4）人为变速调节： 5、水调途径： 跟随负荷变化调整流量Q。 实施方法：
水轮机调节ppt课件
水轮机的调节系统具有以下特点： 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)。 水轮发电机组以水为发电介质，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。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
11
02
水轮机调节的基本概念
12
12
水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
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
13
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
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。
例如： 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从
而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维 的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏差， 大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
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
第四章 水轮机调节一、水轮调节的任务系统符合发生变化时，对机组产生两方面的影响：1) 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。
2) 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：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成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。
二、水轮机调节原理水轮发电机组的运动方程式为：dtd JMM gt ϖ=-式中： M t ——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)M g ——发电机的阻力矩 J ——机组惯性矩； ω——角速度；由此方程可见：当M t - M g >0时，机组转速上升；当M t - M g >0时，机组转速下降； 当M t - M g =0时，机组转速保持不变。
所以当负荷变化时，应调节M t ，使M t =M g ，n =n e 又：ϖηληγϖQH M QH M t t =⇒=所以，要使ω=C，一般不能改变H和效率η，而是通过改变Q而达到改变主动力矩M t的目的。
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。
冲击式：通过改变喷嘴开度。
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。
三、水轮机调节系统的组成水轮机自动调节系统：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成一个整体，称为组合式，运行方便。
调速柜的作用：以转速偏差为依据，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。
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
添加标题
添加标题
添加标题
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
感谢您的观看
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
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。
水轮机调节应知应会
水轮机调速器期末复习资料第一章水轮机调节的基本概念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。
国家电力部门规定，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。
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，维持水轮发电机机组功率与负荷功率的平衡。
调节进入水轮机的流量，对于混流式水轮机，采用改变导叶开度的办法；对于转桨式水轮机，采用同时协联改变导叶开度和转轮叶片角度的办法；对冲击式水轮机，采用同时协联改变喷针行程和折向器开度的办法来实现。
水轮机调速器是水电站水轮发电机组重要的辅助设备之一，它除了控制机组的转速之外，还与电站二次回路或微机监控系统相配合，完成如下的工作：（1）进行机组的正常操作：机组的开停机、增减负荷以及发电、调相等各种工况的相互切换。
（2）保证机组的安全运行：在各种事故情况下，机组甩掉全部负荷后，调速系统应能保证机组迅速稳定在空载转速或根据指令信号，可靠地紧急停机。
（3）实现机组的经济运行：按要求自动分配机组间的负荷。
按调速器元件结构分类——可分为机械液压型和电气液压型两大类。
按调速器容量的大小分类——可分为大型调速器、中小型调速器和特小型调速器。
按调速器调节规律分类——可分为PI型和PID型调速器。
按调速器所用油压装置和接力器是否单独设置分类——可分为独立式和分离式调速器。
YT－6000；YDT－18000；WST－100型号的含义。
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。
2水轮机调节
10
2016/3/22 Tuesday
第二节 调节系统的特性
电网一次调频和二次调频
n n0 n 0’
a a1
1#
a2
n n0 n 0’
b
2#
b1
△ N1 △ N2
N1 N1’ N1’’ N
△ N2பைடு நூலகம்
N2 N2 ’ N
△N1=△N2 △N1+△N2= △N
二次调频的过程
假定1#机组为调频机组，通过手动或自动改变a机组调速系统的 给定值，使静特性平移到的a2位置。a机组的工作点由a1→a2，所 带负荷为N1+△N1+△N2，△n→0，电网频率回复到额定值中no。 同时，2#机组工作点由b1回到b，所带负荷由N2+△N2回到扰动前 的N2。 二次调频是一个负荷再分配的过程，其调整结果，将电网负荷 变化转移到调频机组上，使电网频率调回到额定值。
D E
转速升
第二级液压放大
第三节 水轮机调速器的基本原理
辅接上移
主配阀体上移
主接左接压力 油右接排油
主接右移 （关）
18
2016/3/22 Tuesday
第三节 水轮机调速器的基本原理
离心摆 引导阀
（3）缓冲器工作原理
缓冲器将主接力 器位移反馈至引导阀， 反馈强度随时间衰减， 稳定时反馈为零.
从动活塞 主动活塞
△ N1
N1 N2 ’ N
n0 n 0’
△N1+△N2= △Ne
N
两台不同调差率并列运行机组间的负荷分配
9
2016/3/22 Tuesday
第二节 调节系统的特性
电网一次调频和二次调频
一次调频：各机组并网运行时，受外界负荷变动影响,各 机组的调节系统参与调节作用,改变各机组所带的负荷, 使之与外界负荷相平衡。 二次调频:一次调频是有差调节,不能维持电网频率不变， 只能缓解电网频率的改变程度。所以还需要通过主动增、 减调频机组的负荷，以恢复电网频率。
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。
水轮机自动调节_第1章 水轮机调节基本概念
使用教材
水轮机自动调节 程远楚 张江滨 主编
中国水利水电出版社
授课教师：程远楚
武汉大学动力与机械学院
学习安排
• 理论学习 41学时 讲授内容: 1,2章 3,4章 5章 6.3.3,6.3.4 7章 9.3,9.4 • 实验 4学时 • 课程设计 1周
学习 安排
学习要求
复习并掌握先修课的有关内容 课堂：听讲与理解、适当笔记 课后：认真读书、完成作业 实验：充分准备、勇于实践 总成绩＝考试成绩 ＋实验成绩＋平时成绩 学习 方法
•
第一章 水轮机调节基本概念
四 水轮机调节的实现途径与方法
J d Mt M g dt
α ,Q
⑴ Mt、Mg与n的关系
① Mt：Mt是机组动力矩 图1-2 水轮机调节示意图 a) 当水头一定，开度一定（如a=a3）时， n↑↓→Mt↓↑。 a点 b'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 b) 当水头一定，转速n相同时， a点 c'点 合后的总负荷力矩。 a↑↓→Mt↑↓(如 下,a、b、c三点)。 a ) 对同一负荷特性曲线， n0 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、
第一章 水轮机调节基本概念
四
•
水轮机调节的实现途径与方法
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 Mt M g dt
M t 9.81 / f ( H , Q, n) QH
•
•
水轮机主动力矩Ｍt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和流 量Q。 由图可见，导叶开度一 定时，力矩随转速增加而 减小;当转速一定时，力 矩随导叶开度增加而增加。
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。
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
《水轮机调节的基本概述与工作原理》
根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组 转速在规定范围内。
除以上的基本任务外，水轮机调节的任务尚有机组的起动、 并网和停机等。
调节系统除应满足稳定性的要求外，其过渡过程曲线还应该有比较好的 形状，即具有良好的品质。对过渡过程品质的要求概括起来有以下几个方面 ：
(1)调节时间Tp要短(十几秒~几十秒，越小越好)，即从被调节参数偏离 初始平衡状态达到新的平衡状态的时间要短。从理论上讲，过渡过程振荡的 完全消失要很长的时间，但对于实际工程，当转速ｎ与额定转速n0的偏离值 小于(0.2％～O.4％)n0 ,即可认为进入新的平衡状态。
第四章 水轮机调节
第一节 水轮机调节的任务 第二节 水轮机调节的基本概念 第三节 水轮机调速器的工作原理 第四节 水轮机调速器的类型 第五节 油压装置
第一节 水轮机调节的任务
水轮发电机组将水能转换为电能，输送给电力系统， 供用户使用。电力系统向用户提供的电能应满足一定的质 量要求，频率和电压的变化不能太大，应保持在额定值附 近的某一范围内，否则将影响各用电部门的工作质量。例 如，电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化， 从而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹 纤维的均匀性等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏 差，大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
二、调节系统的静特性 调节系统的静特性指稳定工况(平衡状态)时各参数之间的关
系，通常用机组转速n与出力N的关系表示。
调节系统的静特性有以下两种：
水轮机调节的基本概念和微机调速器
水轮机调节系统静态特性
水轮机调节系统静态特性
9
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 永态差值系数： bp (bs )
➢ 静速死区： ix
图1-6 转速死区ix
10
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 随动系统不准确度 ： y1(输入)
ia
·
·
ia
0
1.0 y2(输出)
图1-7 随动系统不准确度ia
13
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 速动时间常数Tx=bt×Td
➢ 速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频 率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是 速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也 等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。
t1.0 t1.0
调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性
47
2.静态特性
fg(Hz)
51.0 50.0 49.0
fg (Hz)
51.5 50.5 49.5
0
0.5
1.0
y
fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04 (a)
fg(Hz)
50.5 50.0
48.5
0
0.25
1.0 y
fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.04 (c)
15
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
➢ 调速器前向通道放大倍数的整定
图1-10 随动系统对单位阶跃输入的响应特性
16
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼 系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数， 有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开 环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应 特性具有3%～5%的超调量。