水轮机的基本概念和微机调速器讲座课件教程文件

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1、水轮机调节的基本概念 和 数字式（微机）电液调速器,2,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. 我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势 六. 思考题,3,一. 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,4,1.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

2、节及控制指令。,6,系统特点： 操作力大需要经液压放大操作接力器 水流惯性： 机械慢性： 系统复杂、非线性特性 手动水轮机调节 比例操作 超前操作 积分操作,7,3.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,8,PID结构 ： 图1-3 微机调速器结构图,9, 水轮机调节系统的静态和动态特性,技术标准GB/T9652.1 1997 GB/T9652.2 1997 静态特性 静态特性： 水轮机调节系统静态特性 水轮机调节系统静态特性,10,永态差值系数： 静速死区： 图1-6 转速死区ix, 水轮机调节

3、系统的静态和动态特性,11,随动系统不准确度 ： 图1-7 随动系统不准确度ia, 水轮机调节系统的静态和动态特性,12,动态特性 调速器PID特性： 阶跃输入响应特性： 图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性, 水轮机调节系统的静态和动态特性,13, 水轮机调节系统的静态和动态特性,速动时间常数Tx=btTd 接力器响应时间常数Ty 图1-9 接力器响应时间常数Ty,14,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, 水轮机调节系统的静态和动态特性,15,二. 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

4、能,16,二. 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,17,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器 交流伺服电机自复中系统原理框图,18,二. 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,19,二. 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,20,二. 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,21,22,二. 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 步进电机电液转换器/机械液压随动系

5、统型调速器框图,23,步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,24,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,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,25,交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,26,二. 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,27,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,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,28,1. 水轮机微机调速器的基本调节模式,二.

6、 水轮机数字式（微机）电液调速器,29,2.静态特性,稳态状态-积分输入为零，其表达式为: 微机调节器的静态特性,30,2.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 开度y 永态差值系数bp,31,对静态特性的影响 调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性,2.静态特性,32,的关系： 微机调节器的静态特性（bp=0）,2.静态特性,33,人工频率死区： 和人工开度/功率死区 (a) fg、Ef以赫兹表示的特性 (b) ef以相对值表示的特性 Ef起作用时微机调节器的静态特性,2. 静态特性,34,Ey起作用时微机调节器的静态特性,2. 静态特性

7、,35,Ef0、Ey/p0时的微机调节器静态特性,2. 静态特性,36,Ef0、Ey0微机调节器静态特性,2. 静态特性,37,协联特性： 微机调节器采用的水轮机协联曲线,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,38,插值节点表,39,3. 动态特性(PID传递函数表达式),40,3. 动态特性(PID离散表达式),41,3. 动态特性,PI响应特性： PI调节器的阶跃输入响应特性,二. 水轮机数字式（微机）电液调速器,42,PID响应特性 开环增量环节的作用 PID调节器的阶跃输入响应特性 PID调节器的阶跃输入响应,3. 动态特性,43,3. 动态特性（速动时间常数Tx ）,物理含义是：在b

8、p=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。 几个x取值下的接力器走全行程的时间：,44,3. 动态特性（速动时间常数Tx ）,若记t0.5和t0.1为接力器走50%和10%行程的时间，则有：,45,3. 动态特性（PID参数选择 ）,1.5Tw/Tabt3Tw/Ta 3TwTd6Tw Tn=(0.40.6)Tw 式中被控机组为混流式可取较小的bt、Td、Tn初始值，为轴流式时可取bt、Td、Tn范围内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取较大的bt、Td、Tn初

9、始值；对于同一机组，水头高时要取较大的bt、Td、Tn值。,46,3. 动态特性（PID参数选择 ）,0.33Ta/TwKP0.67Ta/Tw 0.167KP/TwKI0.33KP/Tw 0.4Tw KPKD0.6 Tw KP 表明:应先确定比例系数KP再据上式确定积分系数KI和微分系数KD。KP、KI和Tw呈近似反比的关系。 KD与Tw呈近似正比的关系。,47,3. 动态特性（PID参数选择 ）,例如，当Ta10s，Tw1.5s时，计算可得： 0.225 bt 0.45 ， 4.5s Td 9.0s ，0.6s Tn 0.9s， 2.2KP 4.47 ， 0.11KPKI0.22KP， 0.

10、6KPKD0.9KP ，,48,4.控制功能,工作状态： 微机调速器工作状态转换图 运行方式： 自动/手动 故障诊断： 测频 导叶反馈 功率/水头变送器,49,三.微机调节器机组频率测量, 测量方式： 高速计数模块配合中断模块测量（全可编程测频） 频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3150V) 齿盘测频的非接触式接近开关（NPN型，DC24V供电） 测频范围： 残压测频 (1090Hz) 齿盘测频： (290Hz) 测频分辨率：0.0015Hz,50,三.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

11、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。,51,三.微机调节器机组频率测量,52,三.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=2106Hz，则在被测频率为50Hz时，其T=0.02s，NT=40000；若取式中的常数C=2109，则求得测量结果为F=50000。若被测频率为48Hz，则求得F=48000。,53,三.微机调节器双机交叉冗余,54,三.微机调节器双机交叉冗余,全冗余双PLC调节器：CPU、输入模块、输出模块、传感器、测频单元、电源均为冗余结构，实现“主机/热备”功能。

12、 微机调节器采用两个独立的微机控制器A和B组成，通过现场总线MB+实现双机状态和数据一致； 每一个微机调节器与机械液压系统相配合，能独立实现全部控制功能和保证达到全部调节性能要求； 当微机调节控制器A或B之一故障时，可发出故障信号并自动、无扰动地切换到正常机工作，故障机可在线更换模块、检修。,双机冗余（单元级冗余）,55,三.微机调节器双机交叉冗余,交叉冗余（模块级冗余）,56,三.微机调节器双机交叉冗余,在不増加硬件的条件下，用通信和软件构成交叉冗余控制结构，具有较强的容错能力。 当双微机调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控制结构可以容忍两个单机的不同名模块故障情况（容错），交叉构成正

13、常的调节器，使调速器能正常工作，实现真正的双机冗余容错结构，进一步提高调速器的可靠性。,交叉冗余（模块级冗余）,57,三.微机调节器双机交叉冗余,记模块变量为MY（X），Y表示A或B调节器，X表示6种模块类型F、DI、DO、AI、AO、C。 设定模块1时为正常，模块0时故障。例如FA1，表示微机调节器A的频率测量模块正常； FA0表示其故障。,58,三.微机调节器适应式变参数调节,国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以PID为基础的调节规律。 近年来，国内外都在进行自适应控制、模糊控制等调节规律在水轮机调节中应用的仿真研究与应用探索，取得了一些初步理论结果，但尚无采用这些调节规律的数字式

14、电液调速器在水电站试验成功的报道。 鉴于水轮机调节系统的复杂性，强非线性和多运行工况，对运行工况、技术要求和运行条件适应的变参数调节，是经过实践检验并得到广泛成功运用的调节方式。,59,三.微机调节器适应式变参数调节, 机组转速（频率）适应式变参数PID调节空载运 行工况（适应运行水头） 机组并入大电网运行（适应大网/小网工况和频率/功率调节模式） 机组在小（孤立）电网中运行,60,三.微机调节器适应式变参数调节,功率适应式变参数PI调节 适应运行水头和功率偏差大小 为了实现机组功率Pg对AGC系统下达的功率给定Pc的快速、单调跟踪，必须采用有开环增量P的功率调节模式。由于机组功率Pg是机组水

15、头H和导叶开度Y的函数，在编程时一定要使P为H和Y的函数，即P对H和y适应式变参数。否则，在低水头工况整定的P值，将使在高水头下的功率调节出现大的超调和振荡。 c. 为了适应机组运行水头、水轮机导叶开度/机组功率 和功率偏差值的不同情况，采用适应式变参数机组功率的PI调节,61,三.微机调节器适应式变参数调节,实现机组功率快速、无超调的调节： 采用不同斜率的三段调节（适应目标功率与实际功率差值大小）； 斜率数值适应机组运行水头；,62,三.微机调节器适应式变参数调节,电气开度限制L的适应式变参数 为了保证水轮发电机组合理安全运行，必须根据水轮机特性，适应机组运行水头，设定与之对应的导叶最大开度值。同上，可在微机调节器内写入Lmax（H）的节点表，由运行水头插值求得相应最大电气开度限制Lmax。,63,三.微机调节器适应式变参数调节,适应式两段 开机特性,64,三.微机调节器适应式变参数调节,适应式两段开机特性 调速器接到开机指令后，即通过电气开度限制L0将导叶开启至第一开机开度YKJ1（图中的A点）经过一段时间 开始测量机组转速（频率），设在C点机组频率已连续2s大于45Hz，则通过电气开限L将导叶压至第二开机开度YKJ2， 调速器转入空载运行工况，由PID调节导叶至空载开度Y0,66,三.微机调节器网络/通讯,调速器系统采用MB+通讯的网络连接。