水轮机调节的基本概念和微机调速器讲座9

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2.静态特性
稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）:
∆I = ∆f + e p ( pc − pg )＝0
∆I = f c − f g + e p ( pc − pg )＝0
e p —功率永态差值系数
pc —机组功率给定 pg —机组功率
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2.静态特性
静态特性主要参数和变量 频率给定fc 功率给定Pc 开度给定yc 频率fg 接力器开度y 机组功率Pg 永态差值系数bp 功率差值系数ep
≤0.20
／
bp=0~bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
动态特性 1 y PID ( s ) = −[k P + k I + k D s ] 调速器PID特性： ∆F (s) s 阶跃输入响应特性：
y PID ( s ) 1 k s = −[k P + k I + D ] ∆F ( s) s 1 + T1v s
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
比例伺服阀＋自复中系统原理框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
1. 水轮机微机调速器的结构
微机调节器、电/机转换装置、机械液压系统
图2-1 PLC水轮机微机调速器的总体框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
◆ 典型结构
步进电机（速度环）电液转换器/机械液压随动系统型
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
永态差值环节和人工死区： 三种调节模式：
人工开度/功率死区环节特性
调节模式间的转换关系
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
1. 水轮机微机调速器的基本调节模式
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
1. 水轮机微机调速器的基本调节模式 频率调节模式：机组空载或在孤立电网中运行； 功率调节摸式：机组并入大电网运行； 开度调节模式：机组并入大电网运行，功率传感器故障或未装功 率传感器； 机组空载：频率调节模式； 机组并入大电网：功率调节摸式或开度调节模式； 机组在小电网（带孤立负荷）：频率调节模式；
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标 ① 手动空载工况（发电机励磁在自动方式下工作）运行时， 水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超过 ±0.2%；对中、小型和特小型调速器来说均不得超过±0.3%。 当调速器控制水轮发电机组在空载工况自动运行时，在选择调 速器运行参数时，待稳定后所记录3min内的转速摆动值应满足 下列要求： 对于大型电气液压调速器，不超过±0.15%； 对于大型机械液压调速器和中、小型调速器，不超过 ±0.25%； 对于特小型调速器，不超过±0.3%。 ② 如果机组手动空载时的转速摆动相对值大于规定值（见 上），那么其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载 转速摆动相对值。
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
机组甩负荷后应保证的动态品质 ① 甩100%额定负荷后： 在转速变化过程中，超过3%额定转速以上的波峰不超过 两个； GB/T 9652.1—1997规定：从接力器第一次向开启方向 移动到机组转速摆动值不超过±0.5%为止所经历的时间应不大 于40s。IEC 61362《水轮机控制系统技术规范导则》规定： 在甩负荷中，若记从甩负荷开始至出现最大转速上升值为止的 时间为tM，记从甩负荷开始到机组转速摆动值不超过±1.0%为 止的时间为tE，则tE/tM的推荐值为2.5～4.0（8.0）（对于冲 击式机组）和15（对于高水头混流式机组）。 ② 转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间： 对于电气液压调速器，不大于0.2s； 对于机械液压调速器，不大于0.3s。
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2.水轮机调节系统
系统结构：
图1-1 水轮机调节系统的结构图
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系统特点：
操作力大——需要经液压放大操作接力器 水流惯性： 机械惯性： 系统复杂、非线性特性
Tw = ∑ lv gh
GD 2 • nr Ta = 3580 pr
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手动水轮机调节
比例操作—输出与输入成比例，及时反映偏差，与时 间无关； 超前操作—输出与输入的变化速度成比例，反映偏差 的变化率，与时间有关； 积分操作—输出等于输入的累加，与时间有关；只有 输入为零，输出才保持常数；
步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
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
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
t 1 .0 t 1 .0
∆x = 0.1
10 = = 10bt Td = 10Tx KI
∆x = 0.01
100 = = 100bt Td = 100Tx KI
t 0.5 t 0.1
5 ∆x = 0.1 KI 1 = bt Td = Tx = ∆x = 0.1 KI = 5bt Td = 5Tx =
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2.静态特性
∆I = f c − f g + bp ( yc − yPID )＝0
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3.水轮机数字式（微机）调速器
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1-2 电气液压调速器(PID)结构图
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PID结构 ：
图1-3 微机调速器结构图
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
技术标准GB/T9652.1 1997 静态特性 静态特性： p (bs ) b GB/T9652.2 1997
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
GB/T 9652.1—1997主要静态特性指标
调速器类型 项目
大 型 电调 机调
中 型 电调 机调
小 型 电调 ≤0.10 机调 ≤0.18
特小型
≤0.08 转速死区/% ≤0.04 ≤0.10 ≤0.15 ix （0.02） （0.06） 轮叶随动系统 不准确度 /ia% bp整定范围 ≤1.5
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
1.水轮机微机调速器的结构 2.静态特性 3.动态特性 4.控制功能
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
双比例伺服阀系统原理框图
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二. 水轮Leabharlann Baidu数字式（微机）电液调速器
交流伺服电机自复中系统原理框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
步进电机伺服缸系统原理框图
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
接力器响应时间常数Ty
图1-9 接力器响应时间常数Ty
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◆ 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
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◆ 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。 IEC 61362标准推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.25s；桨叶接力器 Ty=0.2～0.8s；冲击式折向器Ty=0.1～0.15s。在我国一般推荐： 导叶接力器Ty=0.1～0.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的 2～3倍。
当–Ef≤∆F′≤Ef 时 当 Ef＜∆F′时 当∆F′＜–Ef 时
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
人工频率死区取值 Ef的一般取值范围相当于频率值为0～0.5Hz在频 率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即 Ef=0～250 Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自 动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定 Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在 “频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在 “开度调节”和“功率调节”模式下时，设定 Ef=0.033Hz。
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2.静态特性
f c 频率给定； f n 电网频率； f g 机组频率； yc
开度给定；
稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度):
∆I = ∆f + bp (∆y ) = ∆f + bp ( yc − yPID )＝0
∆I = f c − f g + bp ( yc − yPID )＝0
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◆水轮机调节系统的静态和动态特性
空载摆动试验(公伯峡电站 机组现场试验曲线) 空载摆动试验 公伯峡电站300MW机组现场试验曲线 公伯峡电站 机组现场试验曲线
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◆水轮机调节系统的静态和动态特性
负荷试验(公伯峡电站 机组现场试验曲线) 甩100%负荷试验 公伯峡电站 负荷试验 公伯峡电站300MW机组现场试验曲线 机组现场试验曲线
交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
微机调速器自动调节部分框图
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二. 水轮机数字式（微机）电液调速器
人工频率死区环节的特性，其数学表达式为： 人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：
ΔF
–Ef 0 Ef ΔF′
∆F=0， ∆F=∆F′–Ef， ∆F=∆F′+Ef，
≤0.30
≥20.00
≤0.50
≥10.00
0.00
≥5.00
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
技术标准对T 的规定： 技术标准对 a和Tw的规定
水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw： 对于PID型调速器，不大于4s； 对于PI型调速器，不大于2.5s； 机组惯性时间常数Ta： 对于反击式机组，不小于4s； 对于冲击式机组，不小于2s。 比值Tw/Ta不大于0.4。
一. 水轮机调节的基本概念
1. 水轮机调节的任务 2. 水轮机调节系统 3. 水轮机调节系统的动态和静态特性
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1.水轮机调节的任务
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(AGC)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。
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
GB/T 9652.1—1997对调速器主要动态参数要求 对调速器主要动态参数要求
bt
参数
最小值 最大值
Td/s
Tn/s
KP
KI/s–1
KD/s
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
数值
≤0.05
≥0.80
≤2.00
≥20.00
0.00
≥2.00
水轮机调节系统静态特性
水轮机调节系统静态特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
永态差值系数： b p (bs ) 静速死区： i x
图1-6 转速死区ix
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
随动系统不准确度 ：
y 1(输 入 )
ia
·
·
ia
0
1 .0
图1-7 随动系统不准确度ia
y 2(输 出 )
水轮机调节的基本概念 和 数字式（微机）电液调速器
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 二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 三. 微机调节器 四. 机械液压系统 五. 微机调速器故障分析及对策 六. 我国数字式（微机）调速器的现状及发 展趋势 七. 思考题
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图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性
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◆ 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。
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
接力器不动时间试验(公伯峡电站 机组现场试验曲线) 接力器不动时间试验 公伯峡电站300MW机组现场试验曲线 公伯峡电站 机组现场试验曲线
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◆水轮机调节系统的静态和动态特性
开机过程录波(公伯峡电站 机组现场试验曲线) 开机过程录波 公伯峡电站300MW机组现场试验曲线 公伯峡电站 机组现场试验曲线
∆f = f c − f g
∆f = f n − f g
微机调节器的静态特性
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2.静态特性
永态差值系数bp/ep bp是指导叶接力器行程永态差值系数， 用于“频率调节”和“开度调节”模式；ep 是指机组功率的永态差值系数；部分调速器 往往只引入bp的概念，即在“功率调节”模 式下，也采用永态差值系数bp。