《水轮机调节的基本概念和微机调速器讲座ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水轮机调节的基本概念和微机调速器讲座ppt课件（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水轮机调理的根本概念 和 数字式微机电液调速器 水轮机调理的根本概念 和数字式微机电液调速器一. 水轮机调理的根本概念二. 水轮机数字式微机电液调速器三. 微机调理器四. 机械液压系统五. 微机调速器缺点分析及对策 六. 我国数字式微机调速器的现状及开展趋势七. 思索题一. 水轮机调理的根本概念1. 水轮机调理的义务2. 水轮机调理系统3. 水轮机调理系统的动态和静态特性1.水轮机调理的义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，调理水轮机组有功功率，满足电网二次调频(AGC)要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制义务；执行计算机监控系统的调理及控制指令。
2、2.水轮机调理系统l系统构造：l 图1-1 水轮机调理系统的构造图l系统特点：l操作力大需求经液压放大操作接力器l水流惯性：l机械惯性：l系统复杂、非线性特性l手动水轮机调理l比例操作输出与输入成比例，及时反映偏向，与时间无关；l超前操作输出与输入的变化速度成比例，反映偏向的变化率，与时间有关；l积分操作输出等于输入的累加，与时间有关；只需输入为零，输出才坚持常数； l 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构造图1-2 电气液压调速器(PID)构造图PID构造 ： 图1-3 微机调速器构造图 水轮机调理系统的静态和动态特性l技术规范GB/T9652
3、.1 1997 GB/T9652.2 1997l静态特性l静态特性：l l 水轮机调理系统静态特性 水轮机调理系统静态特性永态差值系数： 静速死区： 图1-6 转速死区ix 水轮机调理系统的静态和动态特性随动系统不准确度 ： 图1-7 随动系统不准确度ia 水轮机调理系统的静态和动态特性 水轮机调理系统的静态和动态特性 GB/T 9652.11997主要静态特性目的调速器类型工程大 型中 型小 型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区/%ix0.040.020.100.080.060.150.100.180.20轮叶随动系统不准确度/ia%1.5bp整定范围bp=0bPM，最小值不大于0.1%
4、，最大值bPM不小于8%l动态特性l调速器PID特性： l阶跃输入呼应特性：l 图1-8 PID调理器的阶跃输入呼应特性 水轮机调理系统的静态和动态特性 水轮机调理系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=btTd速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，假设取频率变化相对值为x=1.0，那么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与缓冲安装时间常数Td的乘积。 水轮机调理系统的静态和动态特性接力器呼应时间常数Ty 图1-9 接力器呼应时间常数Ty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呼应特性 水轮机调理
5、系统的静态和动态特性 水轮机调理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，初始段反响快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数，有较理想的呼应特性，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呼应特性具有3%5%的超调量。IEC 62规范引荐：导叶接力器Ty=0.10.25s；桨叶接力器Ty=0.20.8s；冲击式折向器Ty=0.10.15s。在我国普通引荐：导叶接力器Ty=0.10.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的23倍。 水轮机调理系统的静态和动态特性调速器速器应保保证机机组在各种工况和运在各
6、种工况和运转方式下的方式下的稳定性目的定性目的 手手动空空载工况工况发电机励磁在自机励磁在自动方式下任方式下任务运运转时，水，水轮发电机机组转速速摆动相相对值对大型大型调速器来速器来说不得超越不得超越0.2%；对中、小型和特小型中、小型和特小型调速器来速器来说均不得超越均不得超越0.3%。当。当调速速器控制水器控制水轮发电机机组在空在空载工况自工况自动运运转时，在，在选择调速器运速器运转参数参数时，待，待稳定后所定后所记录3min内的内的转速速摆动值应满足以下要求：足以下要求： 对于大型于大型电气液气液压调速器，不超越速器，不超越0.15%； 对于大型机械液于大型机械液压调速器和中、小型速器和
7、中、小型调速器，不超越速器，不超越0.25%； 对于特小型于特小型调速器，不超越速器，不超越0.3%。 假假设机机组手手动空空载时的的转速速摆动相相对值大于大于规定定值见上，上，那么其自那么其自动空空载转速速摆动相相对值不得大于相不得大于相应手手动空空载转速速摆动相相对值。 水轮机调理系统的静态和动态特性机机组甩甩负荷后荷后应保保证的的动态质量量 甩甩100%额定定负荷后：荷后： 在在转速速变化化过程中，超越程中，超越3%额定定转速以上的波峰不超越速以上的波峰不超越两个；两个； GB/T 9652.11997规定：从接力器第一次向开启方定：从接力器第一次向开启方向挪向挪动到机到机组转速速摆动值
8、不超越不超越0.5%为止所止所阅历的的时间应不大于不大于40s。IEC 62规定：定：在甩在甩负荷中，假荷中，假设记从甩从甩负荷开荷开场至出至出现最大最大转速上升速上升值为止止的的时间为tM，记从甩从甩负荷开荷开场到机到机组转速速摆动值不超越不超越1.0%为止的止的时间为tE，那么，那么tE/tM的引荐的引荐值为2.54.08.0对于冲于冲击式机式机组和和15对于高水于高水头混流式机混流式机组。 转速或指令信号按速或指令信号按规定方式定方式变化，接力器不化，接力器不动时间： 对于于电气液气液压调速器，不大于速器，不大于0.2s； 对于机械液于机械液压调速器，不大于速器，不大于0.3s。 水轮机
9、调理系统的静态和动态特性接力器不动时间实验(公伯峡电站300MW机组现场实验曲线) 水轮机调理系统的静态和动态特性开机过程录波(公伯峡电站300MW机组现场实验曲线) 水轮机调理系统的静态和动态特性空载摆动实验(公伯峡电站300MW机组现场实验曲线) 水轮机调理系统的静态和动态特性甩100%负荷实验(公伯峡电站300MW机组现场实验曲线) 水轮机调理系统的静态和动态特性 GB/T 9652.11997对调速器主要动态参数要求 参数参数btTd/sTn/sKPKI/s1KD/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最小值最大值数值数值0.050.802.0020.000.0
10、02.000.3020.000.5010.000.005.00 水轮机调理系统的静态和动态特性技术规范对技术规范对Ta和和Tw的规定：的规定： 水轮机引水系统水流惯性时间常数水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw： 对于对于PID型调速器，不大于型调速器，不大于4s； 对于对于PI型调速器，不大于型调速器，不大于2.5s； 机组惯性时间常数机组惯性时间常数Ta： 对于还击式机组，不小于对于还击式机组，不小于4s； 对于冲击式机组，不小于对于冲击式机组，不小于2s。 比值比值Tw/Ta不大于不大于0.4。二. 水轮机数字式微机电液调速器1.水轮机微机调速器的构造2.静态特性3.动态特性4.控制功能二
11、. 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二. 水轮机数字式微机电液调速器 1. 水轮机微机调速器的构造 微机调理器、电/机转换安装、机械液压系统 图2-1 PLC水轮机微机调速器的总体框图二. 水轮机数字式微机电液调速器 典型构造l步进电机速度环电液转换器/机械液压随动系统型l 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图 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
12、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/电液执行机构型调速器方块图二. 水轮机数字式微机电液调速器l 二. 水轮机数字式微机电液调速器微机调速器自动调理部分框图二. 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： 二. 水轮机数字式微机电液调速器人工人工频率死区取率死区取值Ef的普通取的普通取值范范围相当于相当于频率率值为00.5Hz在在频率率转换系数系数Kf=25000时所所对应的范的范围，即，即 Ef=0250
13、 Ef可由程序按可由程序按调速器的运速器的运转工况和工况和调理方式自理方式自动地被地被设定：机定：机组在在“空空载工况运工况运转时，设定定Ef=0；机；机组在并入在并入电网方式下运网方式下运转，且，且调速器在速器在“频率率调理方式下理方式下时，设定定Ef=0；调速器在速器在“开度开度调理和理和“功率功率调理方式下理方式下时，设定定Ef=0.033Hz。l永态差值环节和人工死区：l三种调理方式：l人工开度/功率死区环节特性 调理方式间的转换关系二. 水轮机数字式微机电液调速器 1. 水轮机微机调速器的根本调理方式二. 水轮机数字式微机电液调速器二. 水轮机数字式微机电液调速器1. 水轮机微机调速
14、器的根本调理方式频率调理方式：机组空载或在孤立电网中运转；功率调理摸式：机组并入大电网运转；开度调理方式：机组并入大电网运转，功率传感器缺点或未装功 率传感器；机组空载：频率调理方式；机组并入大电网：功率调理摸式或开度调理方式；机组在小电网带孤立负荷：频率调理方式；2.静态特性 频率给定； 电网频率； 机组频率； 开度给定；l稳态形状-积分输入为零，其表达式为(接力器开度):l l 微机调理器的静态特性 2.静态特性永态差值系数bp/ep bp是指点叶接力器行程永态差值系数，用于“频率调理和“开度调理方式；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“功率调理方式下，也
15、采用永态差值系数bp。 2.静态特性l稳态形状-积分输入为零，其表达式为机组功率:l 功率永态差值系数l 机组功率给定l 机组功率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ep2.静态特性接力器开度给定 是机组频率 等于频率给定 时的接力器开度 ；当机组频率根本不变时机组并入大电网，应该调理开度给定来调理机组负荷； 频率给定 是接力器开度 等于接力器开度给定 时的 机组频率 ；当机组在孤立电网工况任务，bp应取为0.51.0，机组功率由负荷决议，此时调理开度给定没有明显作用。2.静态特性空载工况下调整频率给
16、定空载工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 导叶接力器行程变化所引起的机组频率变化为：导叶接力器行程变化所引起的机组频率变化为： 式中：式中： f单位是单位是HZ，y单位是相对值单位是相对值0100； 2.静态特性空载或孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 当fc=0时，调理开度给定yc，易得： 当 时，调理频率给定fc,，易得： 2.静态特性空载或孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析取一组详细参量的数值，用上面公式进展计算：
17、取一组详细参量的数值，用上面公式进展计算： bp=0.02； Kyf=100的物理概念是：导叶接的物理概念是：导叶接力器行程变化力器行程变化0.01，机组频率变化，机组频率变化1Hz； =0.5Hz； =0.5即开度给定变化即开度给定变化50%1。机组自动空载或孤立电网工况下，调整频率给定。机组自动空载或孤立电网工况下，调整频率给定fc的作用的作用 计算结果阐明：当频率给定变化计算结果阐明：当频率给定变化0.5Hz时，被控机组时，被控机组的频率相应变化了的频率相应变化了0.495Hz；但是，接力器行程仅仅；但是，接力器行程仅仅变化了变化了0.495%。 2.静态特性空载或孤立电网工况下调整频率
18、给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析2。机组自动空载或孤立电网工况下，调整开度给定。机组自动空载或孤立电网工况下，调整开度给定Yc的作用的作用计算结果阐明：当变化开度给定计算结果阐明：当变化开度给定yc达达0.5(即即50%)时，时，才干到达与变化频率给定才干到达与变化频率给定0.5Hz的同样效果。实践上，的同样效果。实践上，由于由于bp=0.02对应于接力器全行程对应于接力器全行程y：01.0的的永态频率差值为永态频率差值为1.0Hz，因此，只需开度给定，因此，只需开度给定yc变化变化半全行程半全行程 yc=0.5时才干使被控机组频率变化时才干
19、使被控机组频率变化0.5Hz。然而，由于机组在空载工况下，其空载开度。然而，由于机组在空载工况下，其空载开度普通很小普通很小15%30%，yc向下的调整空间太小，向下的调整空间太小，故不能满足用调整故不能满足用调整yc的方法改动被控机组频率的方法改动被控机组频率fg的要的要求。机组在自动空载工况下，普通不采用调整开度给定求。机组在自动空载工况下，普通不采用调整开度给定yc的方法来改动机组频率的方法来改动机组频率fg。 对静态特性的影响 调整频率给定和开度给定后的微机调理器静态特性 2.静态特性2.静态特性l 的关系：l微机调理器的静态特性bp=02.静态特性l人工频率死区： 和人工开度/功率死
20、区l (a) fg、Ef以赫兹表示的特性 (b) ef以相对值表示的特性l Ef起作用时微机调理器的静态特性2. 静态特性 Ey起作用时微机调理器的静态特性2. 静态特性2. 静态特性 Ef0、Ey0微机调理器静态特性2. 静态特性l协联特性：l 微机调理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 插值节点表3. 动态特性(PID传送函数表达式)3. 动态特性(PID离散表达式)采样周期采样周期 假设要将假设要将PID调理规律用软件实现，那么必调理规律用软件实现，那么必需进展离散计算。采样周期需进展离散计算。采样周期 是离散计算过是离散计算过程中极为重要的一个量。由程中极为重要的一
21、个量。由PLC可编程控可编程控制器或其他工业控制计算机作为硬、软件制器或其他工业控制计算机作为硬、软件主体构成的水轮机微机调速器，都是一种借主体构成的水轮机微机调速器，都是一种借助程序实现调理和控制功能的数字电子安装。助程序实现调理和控制功能的数字电子安装。可编程控制器是以巡回扫描的原理或定时处可编程控制器是以巡回扫描的原理或定时处置的原理任务的。可编程控制器完好地执行置的原理任务的。可编程控制器完好地执行一次可编程控制器系统、用户程序所占用的一次可编程控制器系统、用户程序所占用的时间，称之为采样周期时间，称之为采样周期 。准确地知道采样周期准确地知道采样周期 的数值，对于准确地的数值，对于准
22、确地运用离散运用离散PID算法来实现算法来实现PID调理规律是非调理规律是非常重要的。常重要的。 3. 动态特性(PID离散表达式)比例作用比例作用输出比例于出比例于输入，入，输出出对输入的呼入的呼应没有没有时间差；离散化差；离散化时与采与采样周期周期 无关。无关。杠杆杠杆输出位移出位移y(t)比例于杠杆比比例于杠杆比k其其输入位移入位移x(t):运算放大器运算放大器输出出Uout(t)比例于放大系数比例于放大系数k其其输入入Uin(t):3. 动态特性(PID离散表达式)比例作用分量YP 3. 动态特性(PID离散表达式)积分作用分作用输入入为零，零，输出出坚持常数；持常数；输入入为常数，常
23、数，输出等速出等速变化；化；输出取决于出取决于输入和入和时间，离散化，离散化时与采与采样周期周期 有关。有关。积分的物理概念：在分的物理概念：在时辰辰t,被被积曲曲线与横与横轴之之间的的面面积。汽汽车行行驶路程路程s(t)是其速度是其速度v(t)的的积分：分：接力器位移接力器位移y(t)是主配是主配压阀活塞偏离中活塞偏离中间平衡位置平衡位置位移位移x(t)的的积分：分：3. 动态特性(PID离散表达式)积分作用积分的物理概念：在时辰t,被积曲线与横轴之间的面积。3. 动态特性(PID离散表达式)积分分量 是采样周期； 在时辰t,曲线与横轴之间的面积； K个矩形面积之和 ； K-1个矩形面积之和
24、( )； K时辰一个矩形面积； 3. 动态特性(PID离散表达式)微分作用微分作用输出比例于出比例于输入的入的变化速度；化速度；输入入为常数，常数，输出出为零，离散化零，离散化时与采与采样周期周期 有关。有关。 ；SX(S)的原函数就是的原函数就是3. 动态特性(PID离散表达式)微分作用分量YD式中式中 是采样周期，经整理得到：是采样周期，经整理得到：3. 动态特性(PID离散表达式)微分环节离散表达式在阶跃微分环节离散表达式在阶跃 作用下的动作过程举例：作用下的动作过程举例：3. 动态特性lPI呼应特性：l PI调理器的阶跃输入呼应特性二. 水轮机数字式微机电液调速器l PID呼应特性 l
25、开环增量环节的作用l PID调理器的阶跃输入呼应特性 PID调理器的阶跃输入呼应3. 动态特性3. 动态特性速动时间常数Tx 物理含义是：在bp=0的条件下，假设取频率变化相对值为x=1.0，那么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与缓冲安装时间常数Td的乘积。 几个x取值下的接力器走全行程的时间： 3. 动态特性速动时间常数Tx 假设记t0.5和t0.1为接力器走50%和10%行程的时间，那么有：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
26、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、为贯流式那么要取较大的bt、Td、Tn初始值；对于同一机组，水头高时要取较大的bt、Td、Tn值。3. 动态特性PID参数选择 0.33Ta/TwKP0.67Ta/Tw0.167KP/TwKI0.33KP/Tw0.4Tw KPKD0.6 Tw KP阐明: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。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
27、 ，0.6s Tn 0.9s， 2.2KP 4.47 ， 0.11KPKI0.22KP， 0.6KPKD0.9KP ，4.控制功能l任务形状：l微机调速器任务形状转换图l运转方式： 自动/手动l缺点诊断： 测频l 导叶反响l 功率/水头变送器三.微机调理器机组频率丈量 丈量方式： 高速计数模块配合中断模块丈量全可编程测频 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三.微机调理器机组频率丈量丈量频率普通采用丈量周期法简称测周法或丈量频
28、率法简称测频法。测频法是指：经过丈量单位时间内被测信号的频率数来丈量频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电机组的频率来说，用这种方法是不适宜的，它只适宜于丈量处于高频段的频率信号。三.微机调理器机组频率丈量三.微机调理器机组频率丈量F必然正比于被测的频率值。例如，取N=2106Hz，那么在被测频率为50Hz时，其T=0.02s，NT=40000；假设取式中的常数C=2109，那么求得丈量结果为F=50000。假设被测频率为48Hz，那么求得F=48000。三.微机调理器双机交叉冗余三.微机调理器双机交叉冗余全冗余双PLC调理器：CPU、输入模块、输出模块、传感器、测频单元、电源均为冗余构
29、造，实现“主机/热备功能。微机调理器采用两个独立的微机控制器A和B组成，经过现场总线MB+实现双机形状和数据一致；每一个微机调理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到达全部调理性能要求；当微机调理控制器A或B之一缺点时，可发出缺点信号并自动、无扰动地切换到正常机任务，缺点机可在线改换模块、检修。双机冗余单元级冗余三.微机调理器双机交叉冗余F模块FA、FB： 频率丈量模块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： 模拟量输入模块AO模块AOA、AOB： 模拟量输出模块C模块CA、CB： 通讯模块交叉冗余模块级冗余三.微
30、机调理器双机交叉冗余在不増加硬件的条件下，用通讯和软件构成交叉冗余控制构造，具有较强的容错才干。 当双微机调理器均出现部分模块缺点时，这种交叉冗余控制构造可以容忍两个单机的不同名模块缺点情况容错，交叉构成正常的调理器，使调速器能正常任务，实现真正的双机冗余容错构造，进一步提高伐速器的可靠性。交叉冗余模块级冗余三.微机调理器双机交叉冗余记模块变量为MYX，Y表示A或B调理器，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时缺点。例如FA1，表示微机调理器A的频率丈量模块正常； FA0表示其缺点。三.微机调理器运用软件三.微机调理器运用软件PID调理参数的整数化三.微
31、机调理器运用软件三.微机调理器运用软件例子：采样周期=0.02s(=2s)，取T1v=0.14sT1v=14s，那么式成为： 三.微机调理器顺应式变参数调理国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以PID为根底的调理规律。 近年来，国内外都在进展自顺应控制、模糊控制等调理规律在水轮机调理中运用的仿真研讨与运用探求，获得了一些初步实际结果，但尚无采用这些调理规律的数字式电液调速器在水电站实验胜利的报道。鉴于水轮机调理系统的复杂性，强非线性和多运转工况，对运转工况、技术要求和运转条件顺应的变参数调理，是经过实际检验并得到广泛胜利运用的调理方式。 三.微机调理器顺应式变参数调理 机组转速频率顺应式变参数PID调理空载运 行工况顺应运转水头 机组并入大电网运转顺应大网/小网工况和频率/功率调理方式 机组在小孤立电网中运转
