水轮机调节教材2011
水轮机调节培训教材
第一章水轮机调节概述
第二章微机调速器结构及原理第三章本站调速器讲解
第四章微机调速器一般故障处理第五章现场设备讲解
第一章 水轮机调节概述
一、水轮调节的任务
系统对发电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。
水轮发电机组把水能转变成电能供用户使用，用电户除要求供电安全、可靠外，还要求电能的频率及电压在额定值附近某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。按照规定，电力系统的额定频率应保持在50HZ ，其偏差不应超过士0.2HZ ，有关标准对额定电压及其偏差值也有相应的规定。
电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分的负荷波动，这种负荷波动的幅值可达系统容量的2% ~ 3%，而且是不可预见的。此外，一天之内系统负荷有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可以预见的，但从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有的电力系统记录到每分钟负荷增加达到系统容量的1%。电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率的变化。
水轮发电机一般是三相同步发电机，其频率f 与转速n 之间有着严格的关系式：
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np f （2－1） 式中：p 为发电机磁极对数；
n 为发电机转速（r/min ）；
f 为频率（HZ ）。
发电机的磁极对数p 是由发电机的结构确定的，对于运行中的机组一
般是固定不变的，所以发电机的输出频率实际上是随着水轮发电机组转速的变化而变化。而水轮机的转速是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。具体来讲，水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。
转速调节主要用于在空载工况和带孤立负荷工况，空载工况时，调速器的任务是使机组转速跟踪转速给定或系统频率；带孤立负荷时，调速器的任务是在发生负荷扰动时维持转速(频率)和跟踪转速给定(频率给定)；在与电网并列运行时，调速器有时作为电站调频装置的一部分起作用。
有功功率调节用于与电网并列运行工况，其任务是保持本机组的输出功率，在频率变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。
水位调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用水量超过来水量，水位就会下降，从而导致水电站水头下降和单位水量的发电量下降，这样就降低了电站运行的经济效益；当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致弃水，这也会降低电站的经济效益。所以需要以保持上游水位为目标调整机组出力，这就是水位调节。
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±，大电
力系统不超过±。
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、水轮机调节的基本原理
在水电厂的生产运行中，以上的三种调节方式中的有功功率调节方式最为重要。因此在有功功率调节时，必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。机组的
运动方程可用下式表示：
g t t
M M d d J -=ω （2－2） ω
P M t = （2－3） 式中 J ——机组转动部分惯性力矩；
ω——角速度，ω=n π /30 (n 为机组转速)；
t M ——水轮机主动力矩；
g M ——发电机阻力矩；
P ——η ；
H ——水轮机工作水头；
Q ——通过转轮的水流流量；
η——水轮机效率。
水轮机动力矩Mt 是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 (m)、导叶开度(流量Q)、机组转速n 等。
ω
η•••=H Q r M t (2－4) 式中：r ——水的比重(10003/m kg )
Q ——通过水轮机的水流量(s m /3)
发电机阻力矩g M 是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与旋转方向相反，是阻力矩。由发电机原理可知，g M 代表发电机有功功率输出，即负荷的大小，它与用户性质有关。
当负荷(用电设备)变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可稳定在某一数值上，如图2-1中的转速1n 或2n ，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡调节能力。仅仅依靠目平衡调节能力来保持转速是不行的，因为转速将偏离额定值。
要使机组转速在负荷变动以后仍维持在原来额定值，从图2-1中可以看出，这就需要相应改变导叶开度。当负荷减少时，阻力矩由)(2n f 变到)(3n f 时，只需把导叶开度减小到b a ，机组转速将维持在0n ；相反，当负荷增加时，阻力矩由)(2n f 变到)(1n f 时，相应开启导叶至c a ，就能维持机组转速不
变。所以随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，以使水轮发电机组的转速维持在某一预定值，或按某一预定规律变化，这一过程就是水轮发电机组的转速调节，或称水轮机调节。
由此可见：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，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。
图2-1水轮机调节示意图
三、水轮机调节的特点
水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象(包括引水系统、水轮机、发电机及负载)共同组成。水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比有以下特点：
(1)水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功；
(2)水轮机调节系统易产生过调节，因而不易稳定；
(3)水轮机的反调效应不仅不利于调节系统的稳定，而且严重恶化了调节系统的动态品质；
(4)有些水轮机还具有双重调节机构，从而增加了调速器的复杂性。
总而言之：
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。
四、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。
油压装置
调速柜主要有以下几个部分组成：
测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后
输出。
放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。
执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量
反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节结束时，反馈信号使调节停止。
油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。
额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为；有的电站采用高油压，为。
调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过回油管路进入回油箱。
当油压降低到正常工作油压下限(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。
接力器是调速器的执行元件，大型电站设两个或两个以上接力器。五、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)：信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。现在很少使用。
电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。目前还有不少电站在使用。
微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器，赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。
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)，如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
(二) 调速器系列(反击式水轮机)
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
第二部分：工作容量
中小型调速器×；大型指主配阀直径(mm)
第三部分：额定油压
如为，不加注释
例：
YT—300：中型、带油压装置、机调、额定油压，工作容量300×
DST—100A—40：大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径100mm，额定油压40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次改型后产品
A、B、C为改型次数，系列型谱见表5—1。
第二章微机调速器结构及原理
一、可编程控制器的发展现状与特点
1、可编程控制器的发展现状
1968年，美国通用汽车(GM)公司针对“多品种、小批量”的市场需求，提出了10项功能指标全新的工业控制装置的设想。1969年，美国数字公司(DEC)按上述要求研制成功了这种新型工业控制装置，当时主要是用于逻辑控制，称之为可编程逻辑控制器((Programmable Logic Controller)，简称PLC。PLC实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。从硬件结构看，它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(Il0)接口、电源等(如图1-1)。
图1-1 PLC硬件结构图
至20世纪90年代中期，全世界约有200多个厂家生产400多个品种的PLC产品及其网络产品。PLC是工业控制系统中继单片机、STD总线之后的又一个里程碑。当前，PLC仍然是一种应用非常广泛、发展十分迅速的技术。其主要发展方向是：适应生产过程和机械自动化需求的智能单元和模块、通信、现场总线技术、产品的进一步系列化和编程语言的完善化。
2、可编程控制器的主要特点
(1)高可靠性
可编程控制器之所以成为许多工业自动控制设备和系统的首选产品，是由于它具有高可靠性。PLC在硬件上采取了光电隔离、电磁屏蔽、模拟和数字滤波等一系列抗干扰措施；先进的开关电源能防止由电源回路串入
的脉冲串干扰。在软件上，PLC的用户程序是在其操作系统管理下工作的，系统软件具有监视定时器(WDT)和对自身硬件软件进行自检的功能，程序和数据存储器由后备电池供电，可防止供电电源切断后数据的丢失。
(2)编程方便，易于使用
当前，PLC的编程语言主要采用梯形图。这是一种十分接近于控制电路图的图形编程语言，程序编制简单、概念清楚、逻辑关系清晰、程序可读性强。这使得系统的开发与设计工作者可以把主要精力集中在.如何构成系统、怎样提高系统性能和进一步扩大系统控制功能等重大问题上。
每一种可编程控制器都有其编程软件，除了可以用其进行用户程序的编制之外，还可以联机进行用户程序的调试和监视。利用编程软件可以离线或在线监视开关量的通/断状态和数据单元的数值，还可以在线修改变量设定值和修改用户程序，这为自动控制设备或系统的调试、检修和运行提供了极大的方便。
(3)与外部控制器件接口方便
可编程控制器配备有较齐全的开关量、模拟量和其他量的单元或模块，使所构成系统能方便地与外部器件连接。其开关量和模拟量输入/输出均符合电控、电仪和电传行业的共同规范，通信时有RS232C及RS485 / RS422等接口供选择。此外，还有现场总线接口、以太网接口、打印机接口、CRT 接口等特殊模板或模块。
二、液压伺服系统的发展与特点
电/机转换部件是微机调速器中连接微机调节器和机械液压部分的关键部件，它的作用是把微机调节器的输出信号或电液随动系统中的电差值信号转换并放大成具有一定操作功的机械位移。
20世纪60－70年代，我国水轮机调速器采用控制套式的电液转换器，抗油污能力差，控制套经常卡塞，故障率较高。70年代后期研制出抗油污能力强的环喷式和双锥式电液伺服阀，使电气/位移转换部件可靠性得到较大提高。90年代以来，一些调速器采用在工业液压伺服系统广泛应用的伺服比例阀，其效果不错。但是任何这种形式的电液转换部件，它们的输入电功率都很小，电气/位移转换往往只能提供约几牛顿驱动力，而其输出力
通常有数百牛顿甚至更多，因此只有通过一级液压放大获得，其功率增益通常在1000倍以上。近年来，国内高校院校、科研机构及制造厂家先后开发了电机型电气/位移转换部件，主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。
步进电机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，与其输出转角、转速、输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因而，广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。
直流伺服电机具有优良的调速性能，伺服系统的位置控制由闭环系统实现。永磁式直流电动机在众多应用领域占有重要地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但直流伺服电机机械结构复杂，维护工作量大，成为其发展的瓶颈。
80年代以后，由于交流伺服电机的材料结构控制理论及方法均有突破性进展，使交流伺服系统得到很快发展，并有逐渐取代直流伺服电机之势。交流伺服电机最大的优点是电机结构简单，不需要维护，适合在较恶劣的环境中使用。
三、微机调速器的总体结构
1、PLC微机调速器的总体结构
图2-2为PLC水轮机微机调速器的总体框图，原则上它也适用于一般的水轮机微机调速器。按照一般的划分，水轮机微机调速器可看成由微机调节器和机械(电气)液压系统组成。将电气或数字信号转换成机械液压信号和将机械液压信号转换成电气或数字信号的装置，称为电/机转换装置，它在很大程度上影响到调速器的性能和可靠性，近10年来得到了迅速的发展。在图2-2中，将电机转换装置单独表示出来，与微机(PLC)调节器和机
械液压系统一起，作为总体结构的3个组成部分之一。
图2-2 PLC微机调速器的总体结构
1. 前向通道
如图2-2所示，前向通道是图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种结构的调速器必须具备的主通道，它包括通道u/N、通道y1和通道Y。通道u/N是微机(PLC)调节器的输出通道，它的输出可以是电气量u，也可以是数字量N 。u/N信号送到电/机转换装置作为其输入信号。
通道y1是电机转换装置的前向输出通道，它输出的主要是机械位移，也可以是液压信号，是机械液压系统的输入控制信号。
通道y是机械液压系统的输出通道，它输出的是接力器的位移，也是调速器的输出信号。
2. 反馈通道
反馈通道是指与前向通道信息传递方向相反的通道，由图2-2可以清楚地看出，可能的反馈通道有2-1，3-1，2-2，3-2和3-3。其概念也比较清楚，例如，反馈通道3-1是接力器位移Y经过电机转换装置转换为电气量或数字量，再送给微机((PLC)调节器作为反馈信号的通道。
3. 综合比较点
综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。图2-2绘出了分别位于微机(PLC)调节器、电/机转换装置和机械液压系统中的3个比较点：Al ，A2，A3。在一般情况下，A1是数字量综合比较点，A2是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。
4. 微机((PLC)调节器
(1)输出(前向通道u/N)信号
.模拟量(通过数模转换A/D)输出u
0～+10V；4～20mA；-10V～+10V。
数字量输出N
双向脉宽调制(PWM)输出；(100～200)kHz定位脉冲。
5. 电/机转换装置
将电气或数字信号转换成机械液压信号的装置；将机械液压信号转换成电气或数字信号的装置(接力器位移转换装置)。
6. 机械液压系统
随动型机械液压系统：执行机构型机械液压系统。
本文主要讨论微机(PLC)调节器部分，所以对机械液压系统不做详细讨论。按照图2-2所示的总体结构，对前向通道、反馈通道和综合比较点进行不同组合，可以构成许多种不同结构的调速器。
四、微机调速器的硬件构成
根据微机调速器的总体结构与具体任务要求，一般微机调速器的硬件系统可分为如下几大部分：主机系统、模拟量输入、输出通道、频率信号测量回路、开关量输入、输出回路、通讯部分、人机接口
一．主机系统
主机系统是整个微机调速器的核心。它通过强大的逻辑与数字处理能力，完成数据采集，信息处理，逻辑判断以及控制输出。它一般由CPU，程序存储器，数据存储器，参数存储器，接口电路等组成。
二．模拟量输入通道
模拟量输入通道用于采集外部的模拟量信号，在水轮机调速器中，这些量为导叶开度，浆叶角度，电站水头，机组出力。
三．模拟量输出通道
模拟量输出通道用于将微机内的特定数字量转换为模拟量送出。一般多送出控制信号，如期望的导叶开度值，浆叶角度值，或者是其相关的控制信号。
此外，也可能将某特定的值送仪表进行显示。
四．频率信号测量回路
频率测量回路是微机调速器的关键部件。它由于测量机组和系统频率，并将结果送至CPU。或将频率信号转换成一般形式的信号，送CPU进行
测量。频率测量回路一般由隔离，滤波，整形，倍频等电路等构成。
五．开关量输入通道
开关量输入通道由于接收外部的开关状态信息或接收人为的操作信息。在微机调速器中，输入的开关量主要有：发电机出口断路器位置信号，开机命令，停机命令，调相命令，调相解除命令，开度增加命令，开度减小命令，频给增加命令，频给减小命令，机械手动位置信息，电气手动位置信息等。
开关量输入通道一般由光电隔离回路和接口电路两部分构成。
六．开关量输出通道
开关量输出通道用于输出控制和报警信息，信息类别视不同的调速器有较大的差别。
开关量输出通道一般由接口电路，光电隔离回路和功率回路三部分构成。
七．通讯部分
通信功能是微机调速器不同于早期其它种类调速器的一个显著区别。因具有通讯功能，微机调速器可方便地与其它计算机系统交换信息。
八．人机接口
人机接口主要完成两个任务：1.设备向人报告当前工作情况与状态信息。2.人向设备传送控制，操作和参数更改等干预信息。
九．供电电源
微机调速器的工作电源一般分为数字电源，模拟电源和操作电源。
数字电源为微机系统的工作电源，一般为5V。
模拟电源为信号调理回路的工作电源，一般采用正负对称的双电源，如±15V，或±12V。
数字电源与模拟电源可能是隔离的，也可能是共地的。
操作电源为开关信号输入回路和输出回路提供电源，一般为24V。为保证整系统的可靠性，操作电源必须与数字电源，模拟电源是隔离的。
为保证整个系统可靠供电，调速器电源部分一般采用冗余结构，交流－直流220V双路同时供电，正常运行时交流优先，交流与直流电源互为热备用。当交直流电源中任意一路电源故障时，无需切换，能自动地由另
一路电源供电，从而不对调速器产生任何冲击和扰动。
五、微机调速器的工作过程与软件实现
1、微机调速器功能概述
微机调速器的基本功能为自动控制功能和自动调节功能。作为自动控制功能，调速器应能根据运行人员的指示，方便及时地实现水力发电机组的自动开机、发电和停机等操作；作为自动调节功能，调速器应能根据外界负荷的变化，及时调节水轮机导叶开度，改变水轮机出力，使机组出力与负荷平衡，维持机组转速在50Hz附近。
PLC水轮机微机调速器除具备传统调速器的基本调节功能外，由于PLC具有丰富的运算和逻辑判断功能、强大的记忆能力、丰富的硬件资源，在调速器设计中充分发挥PLC的这些优势，使PLC水轮机微机调速器的功能又得到了扩大和加强。一般PLC水轮机微机调速器应具有如下功能：
(1) 频率测量与调节功能。双通道PLC水轮机微机调速器可测量发电机组和电力系统频率，并实现对机组频率自动调节和控制；
(2) 频率跟踪功能。当频率跟踪功能投入时，双通道PLC水轮机微机调速器自动调整机组频率跟踪电力系统频率的变化，能实现快速自动准同期并网；
(3) 自动调整与分配负荷的功能。机组并入电力系统后，双通道PLC 水轮机微机调速器将按整定的永态转差系数
b值，自动调整水轮发电机组
p
的出力；
(4) 负荷调整功能。接受上位机控制指令，调整机组出力；
(5) 开停机操作功能。接收上位机控制指令实现机组的自动开停机操作；
(6) 紧急停机功能。遇到电气和水机故障时，上位机发出紧急停机命令，实现紧急停机；
(7) 主要技术参数的采集和显示功能。自动采集机组和调速器的主要技术参数，如机组频率、电力系统频率、导叶开度、调节器输出值和调速器调节参数等，并有实时显示功能；
(8) 手动操作功能。当电气部分故障时，双通道PLC水轮机微机调速
器具备用手动操作的功能，设置有机械液压手动操作机构、电气手动操作机构。
(9) 自动运行工况至手动运行工况的无扰动切换功能。
(10) 两个系统之间进行自动的无扰动的切换。
双通道PLC水轮机微机调速器具有各种诊断功能，当调速器自动运行时，当系统级的故障被检测出来以后，应及时将调速器由故障系统切换到备用系统运行。
这一切功能都是在硬件的基础上，通过软件程序来实现。
2、PID控制原理
（1） PID控制器的基本原理
4-1 PID控制系统原理框图
常规PID控制器系统原理框图如图4-1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。
三种校正环节的主要控制作用：
a、比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号t e''，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。
b 、积分作用的引入，主要是为了保证被控量y在稳态时对设定值r的无静差跟踪。
c 、微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响
应的速度。微分作用使控制作用于被控量，从而与偏差量未来变化趋势
形成近似的比例关系。
（2）数字PID控制算法
(3) 位置式PID控制算法
(4) 增量式PID控制算法
六、微机调速器的调节模式
对于机械液压型调速器和电液调速器来说，其运行调节模式通常采用频率调节模式，即调速器是根据频差（即转速偏差）进行调节的，故又称转速调节模式。
微机调速器一般具有三种主要调节模式：频率调节模式，开度调节模式和功率调节模式。
三种调节模式应用于不同工况，其各自的调节功能及相互间的转换都由微机调速器来完成。
1．频率调节模式（转速调节模式）（FM）
频率调节模式适用于机组空载自动运行，单机带孤立负荷或机组并入
g
g
图4－2微机调速器调节过程框图（.频率调节）如图4－2所示，频率调节模式有下列主要特征：
（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节全部切除；
（2）采用PID调节规律，即微分环节投入；
（3）调差反馈信号取自PID调节器的输出Y，并构成调速器的静特
性；
（4）微机调速器的功率给定实时跟踪机组实时功率P，其本身不参与闭环调节。
（5）在空载运行时，可选择系统频率跟踪方式，图中K1置于下方，bp值取较小值或为0。
2．开度调节模式（YM）
开度调节模式是机组并入大电网运行时采用的一种调节模式。主要用
g
g
图4－3微机调速器调节过程框图（开度调节）
（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；
（2）采用PI控制规律，即微分环节节除；
（3）调差反馈信号取自PID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性；
（4）微机调节器通过开度给定Yg变更机组负荷，而功率给定不参与闭环负荷调节，功率给定Pg实时跟踪机组实际功率，以保证由
该调节模式切换至功率调节模式时实现无扰动切换。
3．功率调节模式（PM）
功率调节模式是机组并入大电网后带基荷运行时应优先采用的一种调节模式。如图4－4所示，它具有的特点为：
（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行；（2）采用PI控制规律，即微分环节节除；
（3）调差反馈信号取自机组功率P，并构成调速器的静特性；
（4）微机调节器通过功率给定Pg变更机组负荷，故特别适合水电站实施AGC功能。而开度给定不参与闭环负荷调节，开度给定Yg实时跟踪导叶开度值，以保证由该调节模式切换至开度调节模式或频率调节模式时实现无扰动切换。
g
g
图4－4微机调速器调节过程框图（功率调节）
4．调节模式间的相互转换
三种调节模式间的相互转换过程如图4－5所示。
水轮机调节
1.油压装置安其布置方式可以分为分离式和组合式 两种. 2.调速器的油压装置是由:压力油罐、回油箱、中间油罐、螺杆油泵、补气 阀、 安全阀等组成。 3.齿盘测频回路具有输出频率信号电压的漂移量小,测频精度高的特点。 4.引入测频微分回路可以改善过渡过程的调节品质,提高速度性、缩短调节时 间、减少超调量。 5.位电转换器就是将机械位移信号转换成电信号的位电转换元件。 6.电液转换器室友电气-位移转换和液压放大两部分组成。 7.微机调速器由两部分组成,即微机调节器和液压随动系统。 8.微机型调速器按照输入信号种类的不同,分为模拟量和开关量信号等。 9.电液随动系统由电液转换元件、液压控制元件和执行元件等组成。 10.PLC微机调速器的频率测量采用残压测频时,信号取自母线电压互感器(TV) 或者发电机出口电压互感器;采用齿盘测频时,信号引自安装在水轮机大轴或 发电机大轴上的齿盘脉冲转速探测器。 12.微机调速器在不同运行工况下采用不同的调节规律、控制结构、调节参数 和调节模式。
13.微机型调速器的调节模式有频率调节模式、功率调节模式、开度调节模式。 14.频率调节模式是一种适用于机组空载运行、并入小电网或孤立电网运行和在大电网以调频方式运行的自动调节模式。 15.若机组并入电网运行,微机调速器一般采用开度调节模式或功率调节模式进行控制,其调节规律PI运算。 16.在模拟型电气液压调速器中,一般采用电液转换器将电气信号转换成机械液压信号。 17.微机调速器的电液伺服系统中所采用的电机转换装置有电液伺服阀、步进电机或伺服电机式电液转换器。电液伺服阀、电液比例阀、伺服电机、步进电机、数字阀。 18.调速器整机静态特性实验母的:通过对调速器静特性曲线y=f(n)的测定,确定调速器的转速死区i ,校验永态转差系数bp值,以鉴别调速器的制造和安 x 装质量。 19.调速器的动态实验主要指空载实验、突变负荷实验和甩负荷实验等。 20.空载扰动实验的目的:实在空载工况下以人为的方法向调节系统输入一个阶跃的转速扰动量,在此阶跃输入下,测出不同调节参数时的动态品质,从而确定空载运行时的最佳调节参数,并为带负荷运行确定参数参数提供初步依据。21.突变负
水轮机调节
1、水轮机调节的基本任务是什么？与其它调节系统相比，水轮机调节有哪些特点？ 基本任务：根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速(频率)在规定的范围内。这就是水轮机调节的基本任务。 水轮机调节的特点： (1)水轮发电机组是把水能变成电能的机械，而水能要受自然条件的限制，单位水体 小所带有的能量较小，与其他原动机相比，要发出相同的电功率就需要通过较大的流量，因 而水轮机及其导水机构也相应较大。 (2)水电站受自然条件的限制，常有较长的压力引水管道。 (3)有些水轮机具有双重调节机构。 (4)随着电力系统的扩大和自动化程度的提高，要求水轮机调速器具有越来越多的自动操作和自动控制功能。 总之，水轮机调节系统相对来说不易稳定，结构复杂，要求具有较强的功能。 2、什么是调速系统的转速死区？其对调节性能有何影响？ 转速死区：在调速系统的转速上升和下降静态特性曲线中，相同开度下的转速之差与额定转度之比。 对调节性能的影响：转速死区使调节系统频率调节质量降低，使机组负荷分配误差增大，对调节系统稳定性也不利。 5、什么是调节保证计算？ 在设计阶段就计算出甩负荷过渡过程中的最大转速上升值及最大压力上升值，以判断甩负荷过程中的压力和转速是否超过允许值，工程上把这种计算称为调节保证计算。 6、什么是直接水击、间接水击？什么是水击相长？ 直接水击：阀门（导叶）的关闭（开启）时间Ts ’
水轮机调节
第三章 ?水轮机微机调速器的主要特点是什么？ (1)调节规律由软件实现，不仅可以实现PI、PID调节规律，还可实现其它复杂的调 节规律，为水轮机调节系统性能的进一步提高创造了条件。 (2)采用了性能优越、可靠性高的计算机硬件，再加上灵活的的控制规律，保证了水 轮机调节系统具有更加优良的静态、动态特性和高的可靠性。 (3)控制功能日益完善，具有灵活性大、调试维护方便、调节性能好、控制功能强等 特点。 (4)采用了新型的电液转换元件，解决了电液转换器因油污而发卡的问题、提高了抗 油质污染的能力，机组运行的可靠性得到很大提高。 (5)电液随动系统取消机械杠杆机构，消除了死行程，定位精度高、响应速度快、结 构紧凑简单和维护方便。 (6)易于实现与厂站级计算机监控系统的通讯接口和远方控制，可实现全厂的综合控 制，提高水电厂的综合自动化水平。 ?简述计算机控制系统的组成？计算机控制系统有何特点？ （１）计算机控制系统的硬件 （２）计算机控制系统的软件 1）系统软件2）应用软件3) 数据库管理系统 计算机控制系统的特点 （１）与连续控制系统相比1）模拟和数字的混合系统。2）设计方法不同3）能实现复杂的控制规律与多任务控制4）控制与管理一体化 （２）与一般计算机系统相比1）实时性2）现场信号的输入与控制输出能力3）高可靠性4）环境适应性强 ?计算机控制系统的典型结构与各自的特点？ １．操作指导控制系统 ２．直接数字控制系统(DDC) ３．监督计算机控制系统(SCC) ４．分布式控制系统(DCS) ?水轮机微机调速器的主要功能有哪些？ 1接受操作命令，实现水轮发电机组的开机控制。 2频率测量与调节功能。 3接受控制命令，实现对机组频率（转速）的调整。 4测量电网的频率，实现对开机并网过程中机组频率的自动调节，以达到快速满足同期并网的条件。 5自动调整与分配负荷的功能。 6接受控制命令，实现对机组所带负荷的调整。 7接受操作命令，实现水轮发电机组的停机控制。 8接受操作命令，实现水轮发电机组的发电转调相控制。 9接受操作命令，实现水轮发电机组的调相转发电控制。
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： dt d J M M g t ?=- 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：? ηληγ?QH 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。 调速系统
水力发电机组辅助设备课程设计讲解
xx工程大学 水力发电机组辅助设备 课程设计 设计说明书 学院： 班级： 姓名： 学号： 指导老师：
目录 第一部分设计原始资料 (3) 第二部课程设计的任务和要求 (5) 第三部计算书和说明书 (7) 一、主阀 (7) 二、油系统 (7) 三、压缩空气系统 (14) 四、技术供水系统 (20) 五、排水系统 (22) 六、结束语 (25) 七、参考文献 (26)
第一部分：设计原始资料 一、水电站概况： 该水电厂位于海河流域，布置形式为坝后式水电站，坝型为土石坝，坝顶高程60.0m，水库调节库容2.6×108m3,属于不完全年调节水库。安装有1?～6?共6台轴流转桨式机组，其中1?机组在系统中承担调相任务。 二、水电站主要参数 1、电站水头H max=37.30m，H min=31.20m；H pj=34.50m 2、正常高水位：54.00m；正常尾水位：20.50m；最高尾水位20.9m；最低尾水位20.0m 3、装机容量N=6*17000KW 4、电站采用岔管引水方式，布置有三条引水总管，引水总管长度210m 三、水轮机和发电机技术资料 机型： ZZ440-LJ-330 SF17-28/550 额定出力： N r=17750KW； P r=17000KW 额定转速： n r=214.3r/min 水轮机安装安程：18.6m 水轮机导叶中心线D0=3.85m；导叶高度1.20m; 转轮标称直径D1=3.3m；尾水管直锥段上端直径3.5m,下端直径4.2m,直锥段高度6.6m；转轮占用体积6.76 m3；弯肘及扩散段体积27.52m3；检修时最低尾水位蜗壳残余水量15.0 m3 机组采用机械制动，制动耗气流量q z=65L/s 空气冷却器压力降△h=3-5m水柱
调速器部分讲课
第一章调速系统 第一节概述 一、水轮机调节的概念 为了使水轮发电机组的供电频率稳定在一定的范围内，需要根据负荷变化而调节水轮机出力，这就是水轮机调节。 自动调节系统根据调节原理，分为闭环调节系统和开环调节系统。闭环调节系统是具有反馈的调节系统。即将系统的输出量反送回调节装置的输入端称为反馈。闭环调节系统是根据反馈量和输入量(给定值)的综合结果进行调节控制，也就是系统的输出量对系统的调节作用有直接影响的。 开环调节系统的输出信号没有反馈至输入端，即系统的输出量的变化对调节作用没有直接影响。在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。 二、调速器的基本作用 调速器的基本作用是调节机组转速。随着生产的发展，现在调速器可起调整负荷、成组控制、分配负荷等作用，在引入其他信号作调节依据时还可起其它调节作用。调速器也可用作进行自动控制与操作。水电机组启动快，能适应负荷的变化，故电力系统中常把水电机组作为峰荷和热备用机组，此时自动调速器可以保证机组快速启动，快速带负荷。发生事故时调速器可用来紧急停机以防止事故扩大。 水力发电的过程 水能通过水轮机的导水机构，到水轮机的转轮，然后转换为机械能；机械能通过主轴传给发电机，发电机通过电磁转换变为电能传输给用户。 水轮机调速器，顾名思义，就是调节水轮机转速的机器。对于发电机来说，也就是调节电气频率。发电机所生产的电能，是通过输电线路直接供给各类用户的。发电机组、电网本身不能贮存电能，供给用户的电能只能随发随用。因此，发电、供电、用电三者关系密切，存在着直接的相互影响。在电力系统中，系统的频率与机组出力和电网负荷之间的平衡程度有关，也决定了发电机的转速，和发电机输出电流的交变频率，而系统的总负荷是随电网用户的需要增减的。在电网负荷变化的瞬间，系统内所有机组原有的输出功率与电网负荷的平衡关系即被破坏。此时，如果所有发电机原动机的输入能量不及时地相应变化，势必引起机组转速升高或降低，造成输出电流交变频率及整个系统频率的变化。 对于大电网来讲，这种负荷变化引起频率的变化是由系统内调频电厂调节机组负荷来调整的，对于小电网中的水电站来说，往往由于
调保计算
1摘要 通过水轮机调节课程的学习，明确调保计算的任务，就是电站在运行过程中，常会由于各种事故，机组突然与系统解列，从而造成甩负荷。在甩负荷时，由于导叶迅速关闭，水轮机的流量会急剧变化，因此在水轮机过水系统内会产生水击， 调节保证计算就是在初步选定设计阶段计算出上述过程中最大的转速上升 max 及最大的压力上升值ζmaxc。调节保证计算一般应对两个工况进行，即计算额定水头和最大水头下甩全负荷的压力上升和转速上升，并取其大者。最终选定一个T，作为该电站的导叶关闭时间。 合理的 f Through turbine regulating course of study, clear the computing task, is the power station in the process of running, often due to accidents, suddenly and system solution, resulting in load rejection. During load rejection, because the guide vane quickly closed, turbine flow will change sharply, so the turbine will generate water hammer for water system, adjusting guarantee calculation is in preliminary design phase to calculate the above selected maximum speed rises and the maximum stress in the process of appreciation. Regulation guarantee calculation generally deal with the two conditions, namely the full load shedding is calculated under rated head and the maximum water head of pressure rise T, as the and speed up, and take its head. Finally selected a reasonable f guide vane closing time of the hydropower station. 关键词:水轮机调节调节保证计算甩负荷转速上升压力上升
水轮发电机培训教材
水轮发电机培训教材-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第一章水电站概述 第一节水电站及其分类 一、水电站： 水电站是将水能转换为电能的综合工程设施。又称水电厂。它包括为利用水能生产电能而兴建的水电站建筑物和为防洪、灌溉、航运、过木、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称为水电站枢纽或 水利枢纽。主要建筑物及设备有水工建筑、过流系统、引水系统、发电厂房、机电设备、金结设备。水电站原理见图1 图1 水电站原理图
图2 三峡水电站 二、水电站作用 1）发电； 2）防洪； 3）通航。（见图2） 三、水电站分类及命名： 1.水电站分类 坝后式：蓄能(如三峡电站) 水电站厂房布置 坝式河床式：泾流（厂房代替一部分坝体，如葛洲坝电厂）
2.水电站命名 水电站（水电站枢纽）常以其形成的水库或主体工程（坝）、水利枢纽或水电站所在地的名称来命名，命名要满足以下要求： 1）唯一性； 2）普识性和独特性。 四、抽水蓄能电站简介 1. 抽水蓄能电站（图3） 利用电网中负荷低谷时的电力，水轮发电机组采取水泵工况运行方式将下水库的水抽到上水库蓄能，在电网高峰负荷时，水轮发电机组采取发电工况运行方式将水放回到下水库的水电站为抽水蓄能电站。
抽水蓄能电站机组设备主要采用可逆式水轮机发电机组，又称水泵水轮发电电动机。它既可作水轮机运行，又可作水泵运行。 图3 抽水蓄能电站原理图 2. 抽水蓄能电站组成 抽水蓄能电站主要建筑物有上、下水库、输水系统、、防洪建筑物、地下厂房洞室群、开关站、机电设备、金结设备等。 3. 抽水蓄能电站作用 1）日调峰填谷作用，就是在用电低谷时用电网的电抽水，用电高峰时用水发电供应电网； 2）调频、调相作用； 3）紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量； 4）提高系统中火电站、风电等可再生能源和核电站的运行效率。 4. 抽水蓄储能电站分类 四机分置式(装有水泵和电动机、水轮机和发电机) 多级 三机串联式(动发电机，与水轮机、水泵连在一个直轴上) 抽水蓄储能电站 单级 (可逆式，一台水泵水轮机和一台电动发电机联结)
水泵、水轮机讲义
第一章 概述 1．基本概念 （1）什么叫水轮机？ 答：将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。 （2）冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。 答：工作原理方面： 利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。 流动特征方面： 反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。 结构特征方面也显著不同。如转轮的差别，有无喷嘴、尾水管。 （3）反击式水轮机的过流部件及其作用 引水室：作用是引水流进入导水机构。 导水机构：作用是调节水轮机过流量，并使水流能按一定方向进入转轮。 转轮：将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。 尾水管：作用是将水流排下下游，并回收转轮出口的剩余动能。 （4）冲击式水轮机的主要部件 喷嘴：水轮机自由射流的形成装置。 喷针：与喷嘴共同完成流量控制（以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积）。 转轮：由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件，转换水流能量为固体旋转 机械能。 折向器：自由射流流程内部件，可遮断射流，以防止转轮飞逸。 （5）我国关于水轮机标准直径的定义 混流式：转轮叶片进水边上最大直径。 浆叶式（轴流式、斜流式、贯流式）：浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。 冲击式：射流中心线与转轮相切处节圆直径。 （6）水轮机工作参数 工作水头H ：水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。 流量Q ：单位时间内通过水轮机的水流体积。 转速n ：水轮机转轮单位时间内旋转的次数。 出力P ：水轮机轴端输出的功率。 效率η：水轮机的输入与输出功率之比。 2．基本计算 （1）水电站的毛水头g H ： d u g Z Z H －= 其中：u Z ，d Z 分别为电站上、下游水位高度。 （2）水电站的工作水头H ：
水轮机调节基础知识
水轮机调节基础知识 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Sf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,负荷在并列运行机组之间来回窜动。 19、调差机构的组成：螺母，螺杆，反馈框架，转轴 20、转速调整机构的作用：当机组单机运行时用于改变机组转速，当机组并列于无穷大电网 运行时用于改变机组所带的负荷。 21、转速调整机构的组成：手轮、螺杆、螺母。 22、调节系统的静特性：统节系统处于平衡状态时机组转速与发电机出力之间的关系。 23、调节规律的输出信号接力器位移y与输入信号转速x之间的关系称为调节规律。PI:比 例积分型G PI（S）4P/I/S, PID比例积分微分型&D（S）T P#I/S#D S 24、bp与调节系统的构造有关，与机组特性和运行水头无关。ep与两者都有关。 25、调速器的典型环节：比例环节、积分环节、理想微分环节、实际微分环节、惯性环节。 26、按元件结构不同分为：手动、电动、机械液压型、电气液压型、微机调速器; 27、按容量分为：特小型、中小型、大型调速器; 28、按执行机构不同分为：单调节（混流，轴流定浆式）、双调节调速器（轴流转浆，贯流 转浆，冲击式）； 29、按调节规律：PI型，PID型 30、按所有油压装置和主接力器设置情况分为：整体式和分离式。 31、离心摆工作原理：当离心摆在额定转速时，如果转速增加则离心力增大，重块外张使转动套升高；反之则转动套下降，这样，离心摆转速的变化就以转动套位置的高低反映出来 32、离心摆的作用：将机组转速偏差信号按比例装换成装套的位移信号，传递给引导阀。 33、离心摆静特性：离心摆静态方程式表示在稳定工况时，离心摆的转速几乎与转动套行程 之间的对应关系。
水轮机调节第三版课程设计
水轮机调节第三版课程设计 1. 选题背景 水轮机是一种能把水能转换成机械能的机器，其调节一直是水力发电运行过程 中的重要技术问题。水轮机调节，通俗地讲就是控制水轮机转速、流量和输出功率，以维持发电机的频率和电压稳定。因此，通过深入学习水轮机调节的方法和技巧，掌握调节的理论知识、技术手段及其应用，在水力发电行业中具有重要的意义。 本课程设计将以水轮机调节为主题，讲解水轮机调节系统所需的传感器、控制 器以及调节算法，并设计一套完整的调节方案，以此让学生们深入了解水轮机调节方面的知识。 2. 基本内容 2.1 水轮机调节系统的构成 水轮机调节系统主要由以下几部分组成： •传感器：用于检测水轮机的转速、流量、压力等参数 •控制器：通过采集传感器信号，控制水轮机的调节阀和导叶，实现对水轮机的调节控制 •调节算法：通过对传感器采集的数据进行处理，并通过控制器输出控制信号，从而实现对水轮机的转速、流量和输出功率等参数的控制。 2.2 传感器的选用 传感器在水轮机调节系统中起着至关重要的作用，合理选择传感器类型和规格 是保证调节系统性能和稳定性的关键因素。常见的传感器有浮子流量计、压力传感器、速度传感器等。针对不同的应用场景，需要根据实际情况选择传感器。
2.3 控制器的选用 控制器是水轮机调节系统中的核心部件，负责不同传感器的信号采集、信号处 理以及控制指令的输出等。常见的控制器有PLC（可编程逻辑控制器）、单片机等。同样需要根据不同需求选择相应型号和规格的控制器。 2.4 调节算法的实现 调节算法是水轮机调节系统的灵魂，主要包括PID算法、模糊控制算法、神经 网络算法等。设计及调优调节算法是保证控制系统良好性能的重要手段。在本课程设计中，将选用PID算法作为调节算法。 2.5 课程设计方案 本课程设计将分为以下几个步骤： 1.学习水轮机调节系统的基本构成和原理； 2.确定所需传感器、控制器及相关硬件，并进行系统组装调试； 3.借助Simulink等软件进行调节算法的模拟和仿真，实现PID调节控 制算法的编写、调试和优化； 4.通过实际调节系统对模拟仿真得到的调节算法进行验证，并对调节算 法进行进一步的优化； 5.设计一套完整的水轮机调节方案，包括传感器、控制器、调节算法的 选用和整合，以及实际调节系统的组装和调试。 3. 课程设计目标 在本课程设计中，学生将通过学习水轮机调节系统的构成，传感器选用、控制 器选用、调节算法实现等方面的知识，掌握水轮机调节的基本原理和方法，并能够独立进行水轮机调节系统的设计、实现和调试工作。
水轮机调节的基本要求
水轮机调节的基本要求 发电机是给电力系统提供足够可靠的“信赖”，功率调节范围宽，调节精度高以及其 调节性能良好，因此调节是液力发电设备运行中重要的调节工作。发电机液力调节有很多 技术要求，有三种常用的调节方式，即水力泵、气流泵和电力机组。其中，水轮机发电调 节是运电量调控最重要的水轮机调速系统，涉及调节要求因而响应更加复杂多变。 水轮机的调节要求一般包括如下内容： 1. 发电机的运行范围要宽：水轮机发电调节一般要求能实现从最大出力调节到最小 出力，出力范围一般为95%-105%，高级调节要求可达90%-110%。 2. 调节精度高：液力发电机的调节精度是一个重要的技术指标，比如现代液调机组 的调整精度由1%或0.5%调节至0.1%，调节范围从原来的手动调节，到现在的PLC调节， 使液力发电机的调节精度不断提高，来满足发电机最优发电要求。 3. 调节速度快：液力发电机调节要求调节速度快，要适应各种变化的负荷，在发电 过程当中实现调节速度，根据机组的调节曲线的设定，要求调节速度快，可调节时间1min 以内，以保证机组的平稳、可靠运行。 4. 功率调节平稳：发电机调节要求功率调整平稳，不宜瞬间大特别又频繁的调节， 以保证机组的安全运行，提高机组的利用效率，节省机组运行成本。 5. 稳定性要强：发电机的调节要求稳定性较高，尤其是在不断变化的环境下，要保 证机组调节的准确性、稳定性和条件参数的完备性，良好的调节才能保证机组的安全运行。 总的来说，水轮机调节的基本要求就是要协调负荷变动和发电量的变化，以保证机组 的安全运行。发电机液力调节要求运行范围宽，调节精度高，调节速度快，功率调节平稳，稳定性要强等。发电调节是发电机运行中的关键技术指标，因此，发电厂要综合考虑有关 的技术指标，选定最合适的调节设备及系统以满足发电厂运行的要求和效率。
水轮机调节考试复习章节知识点分类、河海大学 沈祖义主编 第三版
第一章水轮机调节基本概念 1、分析基本要求：稳定性、准确性、快速性 2、水轮机调节任务\作用：调频、调功（根据电力系统负荷的变化不断调节水轮发电机的有功功率输出，维持机组转速（频率）在规定范围内） 3、特点：（操作力大、影响因素大多、动作过程复杂、功能多、结构类型多）1调速器需设置多级液压放大元件，而液压放大元件的非线性及时间滞后有可能使水轮机调节系统调节品质恶化2，水击作用与导水机构的调节作用相反，将严重的影响水轮机调节系统的调节品质3对于双重调节机构，调速器中需要增加一套调节和执行机构，从而增加调速器的复杂性4要求调速器具有越来越多的自动操作和自动控制功能，使得水轮机调速器成为水电站中一个十分重要的综合自动装置，总之，水轮机调节系统相对来说不易稳定，结构复杂，要求具有较强的功能 4、调节途径：改变导叶的开度（或喷针开度），使水轮机的动力矩和发电机阻力矩平衡，使转速和频率保持在规定范围。 5、电力系统的频率稳定主要取决于：有功功率的平衡 6、J dw/dt=Mt-Mg （J转动惯量、水轮机动力矩、发电机阻力矩） 7、调速器分类：（1）按元件结构分为：机械液压和电气液压（模拟电气液压、数字电气液压）（2）按系统结构\反馈位置分为：辅助接力器型、中间接力器型、电子调节器型（3）按照控制策略\调节规律分为：PI（比例+积分）调节型、PID（比例+积分+微分）调节型、智能控制型（4）按执行机构数目分为：单调节调速器、双调节调速器（5）按工作容量分为：大型、中型、小型、特小型 8、调速器型号：①②③④━⑤⑥━⑦1—大型无代号；中小型（与油压装置组合在一起）代号Y；特小型（通流式结构）代号T；2—机械液压无代号；电气液压代号D；微机调速器W；3—单调节无代号；双调节代号S；4—调速器基本代号T；5—调速器工作容量(N·m )；或主配压阀直径（mm）；6—改型标记，经改型的用A、B等标明；7—调速器额定工作油压，大于2.5MPa的才标注，单位MPa 9、数学模型：微分方程、传递函数、动态结构图、方框（块）图、状态方程 第二章水调系统工作原理 1、单调节系统组成：离心飞摆（测速元件）、引导阀（对应的液压放大装置：放大元件）、辅助接力器、主配压阀、主接力器、缓冲器（反馈元件）、调差机构 2、带动离心飞摆转动的两种电源：1、来自与主机同轴的永磁发电机2、来自发电机端电压互感器 3、局部反馈、全局反馈（软反馈\暂态反馈、硬反馈\永态反馈） 4、双调节系统关键部位：协联块 5、双调节：两个调速机构 6、ep调差率es最大功率调差率bp永态转差率bs最大行程永态转差率最大非线性度≤5% 转速死区ix 不准确度ia≤1.5% 第三章机械液压型调速器 1、转速死区ix（指在某一规定的转速范围内，飞摆无法测量出来的最大转速范围与额定转速之比的百分数）：当机组转速超过N1时调速器关闭导叶，而当机组转速低于N2时调速器才开启导叶，当转速在N1和N2之间时，调速器不动作，称为转速死区（作用：静态特性非线性度，动态系统的不准确度） 2、转速调整机构作用：当机组单机运行时，改变机组转速；并网运行，改变机组出力 3、调差机构作用：形成有差静特性 4、调节系统具有有差静特性作用：保证并列运行时机组间分配负荷；如果没有，负荷分配
水轮机调节复习资料
1.配压阀结构型式：通流式和断流式。 2.根据连接范围不同，总线分为片级总线，系统总线，外总线。 3.总线信号线分为数据线，地址线，控制线，电源线和地线，备用线 4.水轮机调速器分类按元件结构不同分为机械液压型电气液压型。按调节规律不同分为PI 和PID ;按反馈位置分为 辅助接力器和中间接力器和电子调节器型；按施行结构的数目分为单调节和双调节；按工作容量可分为大，中，小型。 5.调节设备一般包括调速柜，接力器，油压装置， 6.压油槽根据工作的情况，油的容积可分为保证正常压力所需的容积，工作容积，事故关闭容积，贮备容积。 补充： 1.PID控制算法有哪些：按算法不同分为位置型和增量型。 2. 负荷的类型：根据性质不同分1功率与频率没有直接关系的负载，2成正比的负载，3成平方关系的负载，4成三次方关系的负载，5成更高次方关系的负载； 3. 油压装置的组成：压力油罐，回油箱，带电动机的油泵，补气装置。 4.负载功率与电压关系：1与电压关系甚微的负载，2与电压平方成反比变化的负载，3成正比的负载。 5.接力器按工作原理分：双向作用和差动作用。 6.水轮机调节系统运行工况：1，单机带负荷工况，2空载工况，3并列带负荷工况。 二名词解释： 1.。.转速死区：当机组转速超过N1时调速器关闭导叶，而当机组转速低于N2时调速器才开启导叶，当转速在N1和N2之间时，调速器不动作，称为转速死区。 2. 总线：计算机系统内部各独立模块之间传递各种信息的渠道，它将功能相对独立的模块有机地连接起来，完成模块之间的信息传递和通信。 3.。调节保证计算：在设计阶段就应计算出上述过度过程中最大转速上升值和最大压力上升值，工程上把计算称为调节保证计算。 4. 水击相长：由A端阀门导叶处发出的波到达B端水库后再由B端反射回到A端所需的时间称为水击的相，相长为来回的时间。 5. 直接水击：阀门(导叶)的关闭（开启）时间Ts≤2L/a ,在水库传来的反射波尚未到达时，发生的水击为直接水击。 补充：： 1间接水击：：阀门(导叶)的关闭（开启）时间Ts>2L/a ,发生的水击为直接水击。 2双调节：两个调速机构。 3协能关系:在双重调节的水轮机调节系统中，为了使系统稳定，高效，对可以调节的部分进行调节时符合的一定关系。作用:增加水轮机的高效率区的宽度，以适应负荷的变化。 4遮程：套筒孔口高度hs与阀盘高度hv之差的一半。 5频率调节：调速器受给定频率FG控制，直至机组频率等于给定频率 6频率跟踪：将网频作为调速器的频率给定值，直至机组频率与频率给定值一样。 7指令信号：机组并网后希望能迅速增加其出力，这是通过调整调速器的功率给定来实现的，功率给定信号就是指令信号，其时间就是指令信号时间。 8升速时间Tn：甩负荷后机组转速自导叶开始动作到最大转速所经历的时间。 9水轮机调节系统动态特性： 10水轮机调节系统的参数整定： 11.稳定域： 简述题: 2.试述水轮机调节的基本任务和其特点、 基本任务：根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出。并维持机组转速频率在规定的范围内。这就是水轮机
水轮机调节名词解释
水轮机调节名词解释 一．名词解释 1.水轮机调节：在自动调节装置（调速器）控制下的水轮发电机组应根据预定的功能 和性能进行调节 和程序完成电能生产的调节及控制过程。2.水轮机调节系统：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， 并根据一定的特点，将其转换为由一些带有主伺服电机行程偏差的设备组成的系统。3.水轮机调节系统静态特性：指调节系统处于稳定平衡状态时，机组转速与出力之间的变 化 化关系。4.机组惯性时间常数:是指机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。 5.流量惯性时间常数：指在额定工况下，表征输水管道中流量惯性的特征时间常数。 6.接力器最小关闭时间：接力器以恒定速度从完全打开位置到完全关闭位置所花费的时间。 7.调节保证计算：上述过渡过程中的最大速度增值和最大压力增值应在工程设计阶段进行 计算，该计算称为调节保证计算。8闭环启动：9调节时间：TP指从阶跃扰动时间到调节 系统进入新平衡状态的时间 二．思考题 1.水轮机调节方式：根据负荷变化引起的机组转速或频率偏差，用调速器调节水量 轮机导叶或喷针的开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时恢复平衡，从而确保转 速或者频率在规定的的范围内。2.调差率e值与什么因素有关 3.与其他原动机调节系统相比，水轮机调节系统的特点是什么：1）受河流自然条件 的限制， 其单位工作介质的能量较小。2）由于工作介质不同，水流的运动惯性较汽流的较大，长引水管道的水电机组水流惯性尤为明显。3）某些水轮机具有双重调节机构，增加了水 轮机调速器的复杂性。4）水电机组在电力系统中承担着调频、调峰和事故备用等任务， 随着电力系统容量及结构复杂程度的不断增加，水电机组在电力系统中的作用更加明显。 4.使用开启限位机构的功能 5.水轮机调速器的分类方式有哪几种:1)按元件结构分为机械液压和电气液压，其中，电气 液压分为模拟电液压力和数字电液压力。2）根据系统结构分为辅助伺服电机型、中 间伺服电机型和调节型。3）根据控制策略分为PI（比例+积分）调节型、PID（比例+积
水轮机调节的基本任务
一:水轮机调节的基本任务: 保证频率在规定范围内,根据电力系统负荷的变化不断调节水轮发电机的有功输出,维持转速在规定范围内。 调节途径: 改变喷针开度,使水轮机的动力矩和发电机阻力矩平衡,使转速和频率保持在规定范围。二:调速器概述: 1、调速器作用: (1)自动调节机组转速,使其保持在额定转速允许偏差内运行。满足电网对频率质量 的要求。 (2)能使机组自动,手动快速启动,适应电网负荷增减,正常停机或紧急停机。 (3)并网运行时,能自动承担预定的负荷分配,使机组实现经济运行。 (4)能满足转桨式、冲击式(喷针折向器协联调节)机组双重协联调节的需要。 2、一次调频,二次调频及三次调频: 一次调频:当并网运行的机组在电网频率超过规定的死区时,调速器本身具有的频率特性自动地增加或减少喷针的开度,使负荷增加或减少,达到调节系统频率的目的。调节响应快,调节能力小。其具体要求为: 1、水电机组的频率死区控制在±0.05Hz以内; 2、水电机组永态转差率不大于4%;
3、水电机组一次调频的负荷变化限制幅度为额定符合的±10%; 4、额定水头50米及以上的水电机组,其一次调频的负荷响应滞后时间,应小于4s; 5、当电网频率变化越过机组一次调频死区时,机组一次调频的负荷调整幅度应在15s内达到理论计算的一次调频的最大负荷调整幅度的90%; 人工失灵区的作用: 人为地在机组静特性曲线上造成一个死区,系统频率在死区范围内波动,但机组几乎不参加调节,从而起着固定负荷的作用。这样既有利于机组稳定的担负基本负荷,也有利于电力系统稳定运行。 二次调频: 因为一次调频的能力较弱,依靠人员手动或机组自动装置AGC功能调整机组负荷,达到调节系统频率的目的。调节能力强,响应较慢。 三次调频: 二次调频后,使系统负荷按最经济的方式在各机组之间进行分配,达到经济运行的目的。3、测频方式: (1)、机频采用齿盘测速(双探头)和911TV残压测频;网频采用主变低压侧918TV信号 (2)、开机时以齿盘测速为主;正常建压后以911TV为主;PT消失只报故障,不影响运行;开机过程中双探头故障会停机;
第四章 水轮发电机组的运行
课次：11 主题：水轮发电机组的试运行 目的：通过本次课形成水轮发电机组运行的整体观念，掌握试运行的方法 重点：试运行的项目与方法 难点：开展试运行的方法 教学组织：直接引入新课 教学内容：教材§4-1，§4-2 第四章水轮发电机组的运行 第一节概述 水轮机要正常安全运转还需要附属设备调速器及蝴蝶阀和辅助的油气水系统及机组自动控制操作保护监测系统。调速器是值班运行中操作调整控制的主要附属设备。也是调整发电机组转速(电压的频率）和调整发电机向电网输送有功功率多少的附属设备。 发电机由水轮机带动正常发电运转还需要励磁设备及其励磁系统和继电保护及二次系统。在运行中，值班人员要通过操作励磁装置对电压和无功电能进行调整(励磁装置也可以自动调整），励磁系统直接影响电压和发电机的稳定运行。 第二节水轮发电机组试运行 机组大修后的试运行的工作由电站主管生产的厂长或总工程师主持，目的是考核检验大修质量，将技术指标与大修前进行对照，核定消除机组缺陷的质量情况。新安装机组的试运行，在起动验收委员会领导下进行试运行，包括：机组试运行前的机电试验结果检查核对；机组试运行前现场检查，充水试验；水轮发电机组的不带电空载试验；水轮发电机组的带电空载试验；水轮发电机组的并网试验；水轮发电机组的调相操作试验；水轮发电机组的甩负荷试验等。 一、水轮发电机组试运行前的检查 （一）过水系统的检查 （二）水轮机检查 （三）调速器及其设备检查 （四）蝴蝶阀操作柜及压力油系统的检查 （五）发电机、励磁机、永磁机的检查 二、机组充水试验
（一）充水试验准备工作 （二）发电引水管充水 （三）蜗壳充水 三、水轮发电机组空载试运行 （一）起动前的准备工作 （二）首次起动时用手动操作试验 （三）机组空载运行时调速器系统的调整和检查 （四）首次手动起动后的停机及检查 （五）过速试验及检查 （六）自动开机和自动停机试验 （七）水轮发电机升压试验 四、发电机对主变压器和高压配电装置零起升压试验和电力系统对主变压器全压冲击合闸试验 1、试验前的检查 2、水轮发电机组对主变压器及其高低压设备零起升压试验 3．电力系统对主变压器的冲击合闸试验 4．发电机对主变压器及其全部高低压配电设备的短路升流试验。 五、水轮发电机组并列及带负荷试验 （一）水轮发电机组空载并列试验 （二）水轮发电机组的带负荷试验 1、水轮发电机组的带负荷试验 2、水轮发电机带负荷下励磁调节器试验 3、机组突变负荷试验 六、水轮发电机组甩负荷试验 （一）甩负荷试验应具备的条件 （二）机组甩负荷试验 （三）自动励磁调节器的稳定性和超调量检查 （四）水轮机调速系统调节性能检查 （五）调速器动态品质检查 （六）转桨式水轮机甩负荷后检查
水轮机调节-课程设计-完整版
课程设计题目：《水轮机调节》 水轮机调节保证计算以及调速设备选型 学生姓名： 学号： 班级: 专业： 指导教师： 年月
题目 《水轮机调节》 水轮机调节保证计算以及调速设备选型学生姓名： 学号： 班级： 所在院(系): 指导教师： 完成日期:
水轮机调节课程设计 目录 1 基本数据 (4) 1.1 基本资料 (4) 1.2 确定计算标准 (4) 1.3 确定计算工况 (5) 1.4 计算确定有关参数 (5) 1.5 初选导叶直线关闭时间 (12) 1.6 判断水击类型 (12) 1.7 进行直线关闭时间水击计算 (13) 1.8 计算最大转速上升率 (16) 1.9按最大水头计算蜗壳内的最大压力上升值 (19) 1.10 综合比较选定 (21) 2 调节设备选型 (22) 2.1调速器的计算 (22) 2.2 调速器选择 (22) 2.3主配压阀的选择 (24) 2.4油压装置的选择 (25) 参考文献 (27)
1 基本数据 1.1 基本资料 F 水电站以发电为主。电站建成后并入系统运行，担负系统峰荷，并有调相任务。水电站设计保证率为96%；水能开发方式为有压引水方式，采用左岸地下式厂房方式。 总装机容量：560MW 特征水位： 校核洪水位：390.43m 设计洪水位：389.90m 正常蓄水位（正常运行最高水位）：389.90m 死水位：388.70m 水库调节特性：季调节 水能规划参数：H max =78.9m ， H min =55.07m ， H av =71.43m ， H r =68m 压力钢管长度： 120m 水轮机型号：HL220-LJ-500 水轮机额定参数：额定出力P=14500KW 额定转速min /4.136r n r = 飞逸转速min /28.236r n p = 吸出高度m H s 35.2-= 设计流量s m Q p /60.2553 = 1.2 确定计算标准 在调整保证计算中，根据《水轮机自动调节》P220-221，压力升高和转速升高都不能超过允许值。此允许值就是进行调整保证计算的标准。 (1)甩负荷过程机组最大转速上升相对值为：