水轮机调节系统基本原理及应用

目录

第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响 (2)

第一节水轮机调节系统概况 (2)

第二节水轮机调节系统对电力系统运行的影响 (6)

第二章水轮机调速系统的基本原理 (9)

第一节水轮机调速系统的原理及分类 (9)

第二节水轮机调速系统的调差参数及不灵敏区 (11)

第三章电力系统对调速系统的控制 (13)

第一节电力系统频率控制的基本概念 (13)

第二节频率的一次调节 (17)

第三节自动发电控制（AGC） (18)

第一节电力系统频率的二次调节 (24)

第四章电力系统的自动发电控制系统 (31)

第一节、调度端自动发电控制系统概述 (31)

第二节自动发电控制系统（AGC） (32)

第三节水电机组的调节能力 (35)

第四节水电厂自动控制系统 (38)

第一章水轮机调节系统概述及对电力系统中的影响

第一节水轮机调节系统概况

一、水轮机调节的任务和特点

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。系统负荷发生变化时，对机组产生两方面的影响：

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。

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：

随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。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。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。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。

水轮机调节的特点：

1．必须具备有足够大的调节功能

水轮发电机组是把水能转换成电能的机械．而水能因受自然条件的限制，通常水电站水头在几米至几百米的范围内，水轮机上的压力只有零点儿MPa至几MP,因此，发出较多的电功率，常需相当大的流量，水轮机及其导水机构尺寸也需要相应加大。为推动笨重的导水机构需要有足够大的调节功能，调速器需要设置多级液压放大(通常为两级)和外加能源(油压装置)，并采用较大的液压接力器作为执行元件。

2．调节滞后易产生过调节

水轮机调节装置(即调速器)的执行机构——液压接力器具有较大的时间常数(一般达零点几秒到几秒)，调节对象也有较大的惯性时间。因此，当负荷变化时，导水机构不可能突然动作，以使水轮机的主动力矩适应外界负荷的变化，而是有一定的延迟时间，在这时间内机组转速不断升高或降低。当导水机构变化到动力矩与阻力矩相适应时，这时转速偏离额定值已有一定的数量，要使转速恢复到额定值也要合一定的时间，此时导水机构变化的数值又已超过需要调节的数值

了，这就是所谓的过调节现象。这种过调节现象使水轮机调节系统变得不容易稳定。

3水击的反调效应

水电站因受自然条件的限制，常有较长的压力过水管道，管道长，水流惯性大，导水机构开关时会在压力过水管道内引起水击(即水轮机工作水头变化)作用。而水击作用通常是与导水机构瞬间的调节作用相反，即导水机构关闭位机组输入能量与输出功率减少。但此时产生的水击会使机组功率增加并部分抵消调节作用，使调节作用产生滞后，从而恶化了调节系统的动态品质，而且不利于水轮机调节系统的稳定。

4．结构较复杂

对于低水头的转桨式水轮机和贯流式水轮机，为了提高水轮机的效率，以确保在不同水头下均能获得较高的运行效率．其不仅要调节导水机构，还要调节桨叶开度；而对高水头的冲击式水轮机，则要调节喷针和折向器。另外，有的混流式水轮机装有控制水击作用的调压阀。于是，对于这样的一些水轮机，其调速器中需增加一套调节执行机构(通常是随动系统)，从而增加了调速器结构的复杂性。此外．水轮机调速器还有控制机构(如机械开限和紧急停机装置等)，有的还有分段关闭装置。

总之，水轮机调节系统相对来说，是不易稳定的，所以水轮机调速器的结构相对于其他原动机的控制装置要复杂些，放大元件的级数也多一些，功能也更强一些。

二、水轮机调速器的发展历程

水轮机调速器问世以来，水轮机调速器先后经历了三代的发展：水压放大、油压放大式的机械式液压调速器（20世纪初-20世纪50年代）、模拟电路加液压随动系统构成的电液式调速器（20世纪50年代-20世纪80年代）和微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器（20世纪80年代至今）。目前微机调速器以可靠性高、操作简便全面取代其他类型的调速器。

解放初期，我国水轮机调速器事业一片空白，几乎从零开始，大部分产品从苏联购买，少量制造亦是照搬苏联图纸生产。50～60年代，我国水轮机调速器大部分系机械液压型调速器。在"大跃进"年代，当时的水利水电科学研究院、哈尔滨工业大学、哈尔滨电机厂等单位曾联合研制了我国第一台电子管电液调速器，并安装在广东从化流溪河水电站运行了一段时间。60年代初，当时的水利水电科学研究院、天津电气传动设计研究所、长江流域规划办公室等单位联合研制了我国第一台晶体管电液调速器，并在湖北陆水试验电站运行了相当长一段时间。70年代至80年代初，新建的大中型水电站较多地采用了电子管、晶体管或小规模集成电路电液调速器，一些小型水电站也少量采用了电液调速器，此阶段

可算是机械液压调速器与电气液压调速器并重。但电气液压调速器由于所选用的主要电子元件/组件质量不过关，其长期使用的可靠性普遍较低。

我国水轮机调速器的快速发展是从80年代初开始的，由于改革开放和科技进步，国内有关科研单位、高等院校及制造部门为提高调速器的运行可靠性与调节品质，开始研制微机调速器。华中科技大学、电力自动化研究院（能源部南京自动化所）、天津电气传动设计研究所、中国水利水电科学研究院、长江流域规划办公室等单位相继开展了以微处理器为核心的电液调速器的研制。

华中科技大学自1981年底开始研制适应式变参数并联PID微机调节器，1984年11月在湖南欧阳海水电厂投入运行。1989年与天津传动设计研究所、湖南水科所、武汉水电控制设备公司及天津水电控制设备厂共同研制的WT-S双微机调速器通过产品鉴定，并投入小批量生产，微机调节器以Z-80单板机为硬件核心，两台微机配以相同功能的测频、CPU、D/A及A/D模块，双微机互为备用，采用适应式变参数PID调节模式，较好地满足了电站运行要求，但与外国产品相比，因我国基础工业水平的制约，整机硬件可靠性较低，性能一致性与长期运行的稳定性难以保证。

90年代以来，随着可编程控制器（PLC）技术的不断完善，各单位相继开展了将可编程控制器应用到调速器中的研究工作。华中科技大学分别与有关单位合作开发不同品牌的PLC微机调节器，首台调节器于1993年5月在欧阳海水电厂投入运行。目前，PLC型电液调速器已成为我国微机电液调速器的主导产品。

此外，华中科技大学还分别与哈尔滨电机厂、东方电机厂等单位合作研制出以8086、8096CPU为核心，采用STD总线结构和MIC-2000工控机型双微机调速器，成功地在岩滩、宝珠寺等水电厂投入运行。电力自动化研究院在继承ST-700系列微机调速器的双微机双通道系统结构基础上，研制了基于MC68322微机的水轮机调速器。

现在由于在水轮机调速器中广泛采用电子技术、液压技术和自控技术的最新技术成果，使现代水轮机调速器的面貌焕然一新。其可靠性和主要技术指标大为提高，控制功能不断扩展和完善。不仅适应了水电厂计算机监控的需要，而且为机组安全和经济运行奠定了基础。

三、我国主要调速器制造企业的产品情况

中国水利水电科学研究院生产的微机调速器以PLC/IPC为硬件平台，采用液压数字逻辑插装技术或比例插装技术，以快速开关阀和插装阀等元件/组件分别代替电液转换器和主配压阀，系统无需D/A转换，调节与控制无需由阀的"中间位置"来保证，具有静态耗油量小、性能一致性好、元件互换性好、集成化程度