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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 1 1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2一. 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31.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节及控制指令。 42.水轮机调节
2、系统l系统结构： 图1-1 水轮机调节系统的结构图5l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l手动水轮机调节比例操作超前操作积分操作 63.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7PID结构 ： 图1-3 微机调速器结构图 8 水轮机调节系统的静态和动态特性l技术标准GB/T9652.1 1997 GB/T9652.2 1997l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9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10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11l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12 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Ty13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14二. 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15二. 水轮机数字式（微机）电液调
4、速器 双比例伺服阀系统原理框图16二. 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17二. 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18二. 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19二. 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2021二. 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/机械液压随动系统型调速器框图22 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方
5、块图二. 水轮机数字式（微机）电液调速器23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24 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25 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26l永态差值环节和人工死区：l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27 1. 水轮机微机调速器的基本调节模式二. 水轮机数字式（微机）电液调速器282.静态特性l稳态状态-积分输入为零，其表达式为: 微机调
6、节器的静态特性 292.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bp30l 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31l 的关系：微机调节器的静态特性（bp=0）2.静态特性32l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33 Ey起作用时微机调节器的静态特性2. 静态特性34 Ef0、Ey/p0时的微机调节器静态特性2. 静态特性35 Ef0、Ey0微机调节器静态特性2. 静态特性36l协联特性
7、： 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37 插值节点表383. 动态特性(PID传递函数表达式)393. 动态特性(PID离散表达式)403. 动态特性lPI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41l PID响应特性 l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423. 动态特性（速动时间常数Tx ）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
8、间常数Td的乘积。 几个x取值下的接力器走全行程的时间： 433. 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：444.控制功能l工作状态：微机调速器工作状态转换图l运行方式： 自动/手动l故障诊断： 测频 导叶反馈 功率/水头变送器45三.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：0.0015Hz46三.微机调节
9、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。47三.微机调节器机组频率测量48三.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。49三.微机调节器双机交叉冗余50三.微机调节器双机交叉冗余全冗余双P
10、LC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。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）51三.微机调节器双机交叉冗余F模块（FA、FB）： 频率测量模块DI模块（DIA、DIB）： 开关量输入模块DO模块（DOA、DOB）： 开关量输出模块AI模块（AIA、AIB）： 模拟量输
11、入模块AO模块（AOA、AOB）： 模拟量输出模块C模块（CA、CB）： 通信模块交叉冗余（模块级冗余）52三.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）53三.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
12、，表示微机调节器A的频率测量模块正常； FA0表示其故障。54三.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。 55三.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
13、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56三.微机调节器适应式变参数调节功率适应式变参数PI调节a.适应运行水头和功率偏差大小b.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 57三.微机调节器适应式变参
14、数调节实现机组功率快速、无实现机组功率快速、无超调的调节：超调的调节：采用不同斜率的三段调采用不同斜率的三段调节（适应目标功率与实节（适应目标功率与实际功率差值大小）；际功率差值大小）；斜率数值适应机组运行斜率数值适应机组运行水头；水头；58三.微机调节器适应式变参数调节电气开度限制电气开度限制L的适应式变参数的适应式变参数 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。 59三.微机调节器适应式变参数调节适应式变参数调节适应式两段开机特性6
15、0三.微机调节器适应式变参数调节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Y061对调速器主要要求适应式运行工况项 目调节规律PID参数永态插值系数bp（%）人工死区Ef、 Ep、 Ey调节模式开环功率给定增量P（y）电气开限Lmax转速（频率）调节器；频率摆动小，便于并网空载PIDPID参数强，适应水头区域的PID变参数26Ef0Ep
16、0Ey 0频率调节适应水头的空载开限L0（H）机组功率控制器；以快速、单调受控于水电厂AGC并入大电网带指定负荷PIPID参数弱68Ef0.2HzEp1%Pr Ey1%y功率(开度)调节适应水头的特性P（H）适应水头的最大开限Lmax（H）转速调节器；受控于水电厂AGC的机组功率控制器承担调频任务PIDPID参数弱12Ef0Ep0Ey 0频率调节适应水头的特性P（H）适应水头的最大开限Lmax（H）转速（频率）调节器并入小电网PIDPID参数强14Ef0Ep0Ey 0频率调节适应水头的特性P（H）适应水头的最大开限Lmax（H）在机组运行范围内，使机组在允许加速度范围内，机组转速快速单调到达额定值，转入空载机组开机两段开机开环程序控制适应水头的两段开机开度ykj1（H）和ykj2（H）三段闭环开机闭环机组加速度控制62三.微机调节器网络/通讯调速器系统采用MB+通讯的网络连接。MB+作为一个判定性令牌传递网络，以一个兆波特的速率进行通讯，快速的存取过程数据。调速器实现内部信息传输的网络化，所有的控制核心器件包括微机调节器A、微机调节器B、工控机、电气手动、油压装置控制PLC等均可挂接在
