调速器课件

水轮发电机组转动部分的运动方程为：
d Mt Mg dt
Mt
QH t
该方程表明，机组转速稳定的条件为Mt=Mg，而
J
所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q和效 率η才能调节水轮机转速Mt，达到Mt=Mg。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。
拖动机工况
当监控送出“Launcher unit (on)”信号到电 调，调速器将运行于拖动机工况。在整个过程， GCB都是合上的。在拖动机工况，有以下功能： GFL功能将投入直到被拖动机的GCB合上 GCB在起动过程一直合上 正常的调速器起动流程将投运，起动开度按净水 头采用拖动机工况的设定 如果水位压力信号丢失，将采用最低的起动开度1 和最高的起动开度2

水轮机调速器的分类
按元件结构的不同，可分为机械液压型和
电气液压型。 按调节规律可分为PI和PID型 按反馈的位臵，可分为辅助接力器型、中 间接力器型及电子调节器型。 按执行机构的数目可分为单调节和双调节 调速器。 按调速器的工作容量，可分为大、中、小 型。
水轮机控制系统的静态特性
调相工况


调相工况即机组并网、转轮在空气中旋转，根据监控的指 令适用于水轮机工况或水泵工况。 发电调相SCT –Condenser mode on ： 执行器被电气开限设定在关 闭位臵，负荷参考值为0。 –Condenser mode off ： 首先执行在缓冲模块的作用 下到达空载位臵，然后根据PID调节和负荷参考值调节。 抽水调相SCP –Condenser mode on ： 执行器像“Stop mode”一样被 设定在关闭位臵。 –Condenser mode off ： 执行器首先像“Stop mode”一 样被设定在关闭位臵。一旦收到新的“Start”命令，正 常的水泵起动程序将被激活。
水轮机控制系统
水轮机控制系统是由水轮机控制设备（系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮 机调速器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 臵的总称。
水轮机控制系统的特点
其控制对象为导水机构或轮叶机构，需要很大的 动力。 水轮机过水流道存在着水流惯性，使水轮机控制 系统成为一个非最小相位系统，对系统的动态稳 定和响应特性会带来十分不利的影响。水锤效应 就是它的形象表述。 水轮发电机组存在着机械惯性 水轮机控制系统是一个复杂的（水轮机的型式多 样）、非线性的、多工况的控制系统。
调速器电气部分
电 调 柜
第一节 TC210概述
TC210主要功能
调节功能:
自动频率控制、自动负荷控制 控制功能: 水轮机起动顺序控制，泵工况 起动顺序控制、水机停机顺序控制，泵工 况停机顺序控制、参数控制(PID) 监视功能: 故障监测 (自诊断功能)、故 障报警、机组事故停机 过程接口: 与机组接口、与监控系统(LCU) 接口 操作接口: 远方控制、现地控制
△f>0.2Hz 机组进入异步模式
50.28 90.00 50.26 50.24 85.00 功率(%)左坐标 接力器行程(%)左坐标 实际机频(Hz）右坐标 频率参考(Hz）右坐标 50.22 50.20 50.18 50.16 50.14 75.00 50.12 50.10 70.00 50.08 50.06 50.04 65.00 50.02 50.00 60.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 49.98 100 110 120 130 140 150 160 170 180



永态差值系数bp：表示某一 点接力器行程与其额定行程 的比值x和机组功率与其额定 功率y的比值 转速死区ix：给定信号恒定 时，被控参量的变化不起任 何调节作用的两个值间的最 大区间。 随动系统不准确度：随动系 统中，对于所有不变的输入 信号，响应输出信号在最大 变化区间的相对值，称为随 动系统不准确度。
水轮机工况的优化及出力限制




当电网频率偏差过大时，频率调节优先于其他调节。即一次调频。 当频率的偏差量小于异步运行限制值时，TC210根据频率参考、负荷参考、永 态转盖率带负荷运行在限制所允许的同步方式。反之，当频率的偏差量>异步 运行限制值时，TC210会将机组切换到异步运行方式，并改变PID的调节参数， 等待负荷参数的改变，直到频率的偏差量<异步运行的偏差量。 监控系统通常以负荷参考设定的方式，来使得水轮机处于最优效率区内运行。 当机组的出口断路器合上时，水头、功率的测量信号在允许的范围内，机组 处于非最优效率区运行时，TC210会给监控系统发出超出最优效率区的报警信 号。 水轮机工况同期后，TC210根据当时机组所在的计算净水头，限制机组的最大 有功输出。当出力限制起作用时，在WINPC上会显示“Governor against limiter”或“Software limited”信号。 对于水轮机工况的有功输出不得小于机组额定功率的50%以下，即150MW。监 控和TC210都有此功能。 为了在限制出力的方式下运行保持调速系统的稳定，设有能改变参数的缓冲 延时装臵。 当水头信号有误时，净水头自动地设定为最小净水头，以保证机组的出力限 制值为出力限制线上的最小值，保证机组的安全。 当功率反馈信号有误时，电气开限设定到固定值。

水轮机调节的PID操作原则
比例操作原则（比例环节）：操作的幅度应近似 比例于机组转速与额定转速的偏差。如偏差为1Hz 和4Hz，对前者幅度可小一点、慢一些，对后者幅 度可大一点、快一些。 超前操作原则（微分环节）：如当机组由54Hz以 较快的速度下降到51Hz时，虽然它仍大于50Hz， 但此时不应关闭导水机构，而应使导水机构稍开 启一点，使转速较快地回复到额定值附近。可成 为“提前刹车”。 积分环节，起着消除或减小静态偏差、形成水轮 机调速器和水轮机控制系统静态特性的作用。可 称为“精细”调节。
调速器的几个重要指标
静态特性/转差率ep:本电站的ep值原为6%，
现按电网要求改为4%。 转速死区ix:实测为小于0.03% 接力器不动时间Ty:实测值为0.15S
T C 2 1 0 的 硬 件 结 构
第二节 IPC
概

述
IPC-A、IPCB为互相冗余的微机调速器。 二个IPC的调节信号经测频和接力器信号放大卡 FCS200放大后，再通过经多路选择开关（由K14 接点控制）切换，送至Actuator伺服阀将电信 号转化为液压控制信号驱动Actuator，再通过 Actuator与主配压阀的配合对控制信号进一步 放大，以至于能操作导水叶的接力器，控制导 水叶开度以致改变机组的出力或转速，以满足 运行的要求。

PLC的功能




PLC启动，程序初始化和自检测 PLC上电后即开始起动程序。起动程序首先进行CPU、 内存自检，确认各模块已于I/O总线连接。然后执行梯形 图程序，初始化模拟量模块，检测故障信号。来自Pick up的信号在第一次程序扫描时被读取并参与程序执行。最 后程序的数字量输入及输出都被更新，CPU对内部故障信 号进行检测。 手自动切换 SM100速度监测和转速开关信号 水轮机执行器、接力器行程限制 IPC切换 水泵工况起停控制 水泵工况优化控制 PLC与IPC、WINPC通讯的监视 报警功能，作为WINPC的备用
线路充电
所谓线路充电就是单机带负荷在孤立的电
网中运行，电网的频率和电压都由机组决 定。机组的有功出力都比较低，一般低于 30%额定出力。 运行于线路充电工况是调速器的普通功能， 频率调节作用于孤立电网。在整个过程中， “synchronisation on”信号一直存在，频 率参考值的变化也是暂时的。
GFL电网频率锁定功能是在空载起动或拖动
机起动时把频率参考值设定为由外部装臵 测量的电网频率Fg。设定的频率参考值与 测量的电网频率之间会有一个小的偏差以 避免在同期时出现相位固锁的情况。 GFL在下列情况下投入: 1、电网频率Fg在f-normal5Hz之内 2、GCB打开或机组处于拖动机工况运行
第三节 PLC
PLC硬件结构及信号接口
PLC为三菱A2S系列，供电电源为DC 24V，存储介 质为EEPROM。 数字量（开关量）输入输出（I/O）模块安装在基 板上。 模拟量输入模块可以接收电流或电压信号，如来 自速度监测系统SM100的输入即采用4-20mA。 控制面板MAC 50具有单独的28K程序存储器，具有 过程数据的读取、参数设臵和报警记录等功能。
天荒坪电站的调速器
调速器由挪威KVAERNER公司生产提供， 是基于工业PC和PLC的PID（即采用比例、积 分、微分调节为基础的）数字式电液调速器。 主要由数字式控制单元，电液执行机构，反 馈装臵、测速装臵、转速继电器、水位压力 传感器、压力油罐、集油箱、油泵组、补气 装臵及漏油箱等组成。
第二部分
n0
n
nmax nmin
(a)
P(Y) Pr (YM)
(b)
P(Y) Pr (YM)
调节系统静特性
n n1 n2 a1 a 调速器的转速死区
水轮机控制系统的动态特性




当有外扰作用或控制作用发生，调节系统暂时失去相对平 衡，这种处于相对变化运动的状态称为动态过程。评价一 个动态过渡过程的优劣，通常用稳定性和速动性两上概念。 当水泵水轮机在空载额定转速运行时，调速器能保证转速 持续波动值在0.15%的额定转速范围内，其永态转差率为 零。 当以水轮机工况在孤立电网中运行时，在同一引水系统上 的其他机组运行稳定。 机组甩100%额定负荷后引起的过渡过程时，超过稳态转速 3%额定转速值以上波峰不超过2次;从接力器第一次向开启 方向移动起，到机组转速摆相对值不超过0.5%为止，历 时不大于40s，在同一引水系统上的其他机组运行稳定。
80.00
带出力限制的泵工况控制及导叶开 度(GV0)优化功能
主要功能有： 泵工况起动、停机过程的导叶开度控制 手动设定泵工况导叶开度 自动优化泵工况导叶开度 泵工况机组入力和导叶开度限制 以上功能中，只有导叶优化功能的计算由IPC实 现，其他功能均由PLC实现。导叶优化开度根据转速 和净水头来计算。对于泵工况导叶优化开度计算所 需的最初的净水头，是以机组接到泵工况开导叶的 信号时，转轮进出口的静水压力为计算依据。
水轮机成组调节
在水轮机成组调节状态，几台机组作为一
个被调节的整体，所以总负荷总是被分配 在他们之间。 只要监控发出“Operation mode, joint control”信号，调速器的负荷参考值将会跟 随来自监控的“Load reference setpoint, joint control”（4-20mA量）。
PID控制部分
水轮机转速信号及转速信号的滤波(模块1，2) 功率传感器及功率信号滤波(模块11) 负荷参考PO，频率参考fO，永态转差率bp(模块6， 7，8，9) 直接负荷响应和负荷参考线性化(模块10) PID模块(模块3，4，5) 位臵控制模块(Pos. ctrl.) 开限控制模块(Limit ctrl.)

功 能 框 图
水轮机工况及拖动机工况的起动开度控制
按低速、高速，分为二级起动开度，即起
动开度1，起动开度2。 机组起动时，起动开度的选择由经压力换 算的净水头决定。如果压力信号丢失，在 水轮机工况时将选择最大的起动开度，在 拖动机工况时选择最小的起动开度1和最大 的起动开度2。
GFL电网频率锁定
调 速 器 系 统
（水轮机控制系统）
主 要 内 容
介绍天荒坪抽水蓄能电站调速器 系统的功能作用、组成结构、缺陷技 改、检修维护等。
第一部分 水轮机调节系统
水轮机调节的任务
“水轮机调节”指对构成水轮发电机组的水轮机的 调节。 电力系统频率的要求：50Hz±0.1Hz 不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组 的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围 内，就是水轮机调节的基本任务。