水轮机调节的基本概念

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1、水轮机调节的基本概念 华中科技大学华中科技大学 魏守平魏守平1 1整理整理pptppt水轮机调节的基本概念o1. 1.水轮机调节系统水轮机调节系统o2.2.水轮机调节的任务水轮机调节的任务o3.3.水轮机调节系统的特点水轮机调节系统的特点o4.4.水轮机调速器水轮机调速器( (水轮机控制系统水轮机控制系统) )o5.5.水轮机微机调速器的原理图水轮机微机调速器的原理图o6.6.水轮机微机调速器机械液压系统图水轮机微机调速器机械液压系统图o7.7.静态特性静态特性o8. 8. 动态特性动态特性2 2整理整理pptppt 水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统 水轮机调节系统的结构如图所示。其工作

2、过程为：水轮机调节系统的结构如图所示。其工作过程为：测量元件测量元件把机组把机组转速转速n n（频率（频率f f）、功率）、功率P Pg g、水头、水头H H、流量、流量QQ等参量测量出来，与等参量测量出来，与给定信号给定信号和和反馈信号反馈信号综合后，经综合后，经放大校正元件放大校正元件控制控制执行机构执行机构，执行机构执行机构操纵操纵水轮水轮机导水机构机导水机构和和桨叶机构桨叶机构，同时经，同时经反馈元件反馈元件送回送回反馈信号反馈信号至至信号综合点信号综合点。 基本概念3整理ppt 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统 水轮机控制系统水轮机控制系统 hydraulic turbine

3、 control systems:hydraulic turbine control systems:用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。程偏差的一些设备所组成的系统。 被控制系统被控制系统 controlled system:controlled system:由水轮机控制系统由水轮机控制系统控制的系统，它包括水轮机、引水和泄水系统、装有电控制的系统，它包括水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所

4、并入的电网。压调节器的发电机及其所并入的电网。 水轮机调节系统水轮机调节系统 hydraulic turbine regulating hydraulic turbine regulating system:system:由由水轮机控制系统水轮机控制系统和和被控制系统被控制系统组成的闭环系统组成的闭环系统。 随动系统随动系统 servo-system:servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。放大的位置反馈控制系统。 基本概念4整理ppt 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统 水轮发电机组转动部分的运动方程为：水轮发电机组

5、转动部分的运动方程为： 式中：式中：JJ机组转动部分的惯性矩（机组转动部分的惯性矩（kgm2kgm2）；）； 机组转机组转动角速度（动角速度（rad/srad/s）；）；nn机组转动速度机组转动速度r/minr/min）；）；MMt t水轮水轮机转矩（机转矩（NmNm）；）； MMg g发电机负荷阻力矩（负载转矩）发电机负荷阻力矩（负载转矩）（NmNm）。）。 上式清楚地表明，水轮发电机组是转速对力矩的积分环节，机上式清楚地表明，水轮发电机组是转速对力矩的积分环节，机组转速组转速( (频率频率) )保持恒值的条件是保持恒值的条件是 ，即要求，即要求 ，否则就，否则就会导致机组转速会导致机组转速

6、( (频率频率) )相对于额定值持续升高或降低，从而出现转相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速速( (频率频率) )偏差；在以后的分析中可以看到，由于水轮发电机组具有偏差；在以后的分析中可以看到，由于水轮发电机组具有水轮机转矩对转速的传递系数水轮机转矩对转速的传递系数( ( )( ( )和发电机负载转矩对转速和发电机负载转矩对转速的传递系数的特性，使得水轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性的传递系数的特性，使得水轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性 环节。环节。 基本概念5整理ppt 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统水轮机转矩水轮机转矩 式中：式中：QQ通过水轮机的流量（通过水轮机的流

7、量（mm3 3/s /s）；）；HH水轮机净水头（水轮机净水头（mm）；）； 水水轮机效率；轮机效率； 水的密度水的密度g/mg/m3 3）。）。 所以，在一定的机组工况下，只有调节流量所以，在一定的机组工况下，只有调节流量QQ和效率和效率 ，才能调节水轮机转，才能调节水轮机转矩，达到的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转矩，达到的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流

8、量节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量QQ）和水轮机轮叶）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率），使，才能使机组在一个允许的稳定转速（频的角度（从而调节水轮机效率），使，才能使机组在一个允许的稳定转速（频率）下运行。从这个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转率）下运行。从这个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功速（频率）差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。率与负荷功率的平衡。 基本概念6整理ppt水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统水轮机调

9、节系统是一个闭环自动调节系统o开环系统开环系统: :众所周知，如果系统的输出量对系统的输入众所周知，如果系统的输出量对系统的输入 ( (控制控制) )作用没有影响，则这作用没有影响，则这个系统是开环系统个系统是开环系统(Open loop system)(Open loop system)。因此，对应于一个输入。因此，对应于一个输入( (控制控制) )量，便有一个相应固量，便有一个相应固定的输出量与之对应，系统的控制精度取决于系统参数的校准；但是，当系统出现扰动或定的输出量与之对应，系统的控制精度取决于系统参数的校准；但是，当系统出现扰动或参数变化时，原来相应固定的输出量就会变化了；所以，采用

10、开环控制系统是不可能构成参数变化时，原来相应固定的输出量就会变化了；所以，采用开环控制系统是不可能构成精确的控制系统的。精确的控制系统的。o闭环系统闭环系统: :从图可以看出，水轮机调节系统的输出从图可以看出，水轮机调节系统的输出( (机组机组( (电网电网) )频率、机组功率等频率、机组功率等) )对系统的控制作用对系统的控制作用( (转速转速( (频率频率) )给定、机组功率给定、接力器开度给定等给定、机组功率给定、接力器开度给定等) )有着直接的影响，有着直接的影响，一般称其为反馈作用一般称其为反馈作用(Feedback effect)(Feedback effect)；所以，水轮机调节

11、系统是一个闭环系统，水轮机控；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统制系统( (调速器调速器) )自身也是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施自身也是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施加在控制器的输入可以减少系统的误差，并使系统的输出量趋于给定值。所以，闭环系统加在控制器的输入可以减少系统的误差，并使系统的输出量趋于给定值。所以，闭环系统就是利用反馈来减小系统的误差。当然，对于一个闭环控制就是利用反馈来减小系统的误差。当然，对于一个闭环控制( (调节调节) )系统来说，系统的稳定性系统来说，系统的稳定性(Stability)(Stabi

12、lity)始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制( (调节调节) )系统的动态过程及动态系统的动态过程及动态品质品质( (性能性能) )也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制( (调节调节) )系统动态稳定时，还可能出现系统动态稳定时，还可能出现动态过程中超调或衰减振荡动态过程中超调或衰减振荡(Damply oscillation)(Damply oscillation)现象。现象。 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统基本概念7整理ppt水轮机调节系统是一个水轮机调节系统是一个闭环闭环自动调节系统

13、自动调节系统 水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中，有两种工作状态：水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。 调节系统的静态又称为稳定状态调节系统的静态又称为稳定状态: :稳定状态稳定状态 (steady state)(steady state)是指机是指机组在恒定的负荷、给定信号和水头下运行，水轮机控制系统和水轮机调组在恒定的负荷、给定信号和水头下运行，水轮机控制系统和水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。 调节系统的动态又称为瞬态调节系统的

14、动态又称为瞬态: :当系统受到负荷、水头等扰动作当系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，系统将出现相应的运动，经过一段时间后，在用，或给定信号变化时，系统将出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过程程, ,就称为水轮机调节系统和水轮机控制系统的动态。系统动态不稳定就称为水轮机调节系统和水轮机控制系统的动态。系统动态不稳定时，则出现等幅振荡或发散振荡，系统不能正常工作、没有稳定状态；时，则出现等幅振荡或发散振荡，系统不能正常工作、没有稳定状态；所以，一个动态系统是稳定的

15、，是对闭环动态系统的最基本要求。所以，一个动态系统是稳定的，是对闭环动态系统的最基本要求。水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统基本概念8整理ppt水轮机调节系统是一个闭环水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统自动调节系统闭环系统的稳定性闭环系统的稳定性 在扰动作用下会偏离原来的平衡状态在扰动作用下会偏离原来的平衡状态( (静静态态) )而产生偏差，进入动态，所谓动态系统而产生偏差，进入动态，所谓动态系统的稳定性，就是指当上述扰动消失后或者的稳定性，就是指当上述扰动消失后或者扰动保持为常量时，动态系统由动态恢复扰动保持为常量时，动态系统由动态恢复到新的平衡状态到新的平衡状态( (静态静态) )

16、的性能。如果系统的性能。如果系统能够恢复到平衡状态，则系统是稳定的；能够恢复到平衡状态，则系统是稳定的；若系统偏差不能消除且愈来愈大、不能恢若系统偏差不能消除且愈来愈大、不能恢复到到平衡状态，则称系统是不稳定的。复到到平衡状态，则称系统是不稳定的。显然，稳定性是一个闭环动态系统能够正显然，稳定性是一个闭环动态系统能够正常工作的最基本要求。常工作的最基本要求。 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统基本概念水轮机调节系统是一个闭环自动水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统，由水轮机控制系统和调节系统，由水轮机控制系统和被控制系统组成，它除了具有一被控制系统组成，它除了具有一般闭环控制系统的共性外

17、，还有般闭环控制系统的共性外，还有一些值得注意的特点一些值得注意的特点. 9整理ppt 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务 在水轮机数字式在水轮机数字式( (微机微机) )电液调速器出现以前，水轮机调电液调速器出现以前，水轮机调速器的主要作用是根据偏离机组频率速器的主要作用是根据偏离机组频率( (转速转速) )额定值的偏差，额定值的偏差，调节水轮机导叶和轮叶机构，维持机组水力功率与电力功率调节水轮机导叶和轮叶机构，维持机组水力功率与电力功率平衡，使机组频率平衡，使机组频率( (转速转速) )保持在额定频率保持在额定频率( (转速转速) )附近的允许附近的允许范围之内。这时的水轮机调速器主

18、要是一个范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率机组频率( (转速转速) )调节器调节器。 现代水电厂和电力系统，对水轮机调速器的性能及功能现代水电厂和电力系统，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。提出了新的和更严格的要求。 基本概念10整理ppt 水轮机调节的基本概念 2.水轮机调节的任务 在数字式微机电液调速器发展、完善和广泛应用的同时，在数字式微机电液调速器发展、完善和广泛应用的同时，水电厂自动发电控制水电厂自动发电控制( (AGCAGC) )系统、电网能量管理系统系统、电网能量管理系统( (EMSEMS) )也日也日趋成熟并进入实用化的阶段；现代电力系统中，区域电

19、网容量趋成熟并进入实用化的阶段；现代电力系统中，区域电网容量迅速加大，区域电网间联网并要求进行交换功率控制；大中型迅速加大，区域电网间联网并要求进行交换功率控制；大中型和多数小型水轮发电机组均并入大的区域电网运行。在这种运和多数小型水轮发电机组均并入大的区域电网运行。在这种运行方式下，电网的负荷频率控制行方式下，电网的负荷频率控制( (LFCLFC) )是通过电网是通过电网AGCAGC系统和电系统和电厂厂AGCAGC系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系统实现的。统实现的。 当机组并入大电网运行时，水轮机调速器主要作为电网一次当机组并入

20、大电网运行时，水轮机调速器主要作为电网一次调频调频/ /负荷控制器、电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控负荷控制器、电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用。制器使用。基本概念11整理ppt 水轮机调节的基本概念 2.水轮机调节的任务 因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水水轮轮机调节机调节”来描述了，来描述了，它除了具有调节水轮发电机组频率它除了具有调节水轮发电机组频率( (转速转速) )的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流量控制、的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流量控制、电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功

21、率控制电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制(TBC)(TBC)等附加的控制功能。等附加的控制功能。IECIEC关于水轮机调速器的技术规范导则关于水轮机调速器的技术规范导则(IEC61362(1998)(IEC61362(1998)和试验和试验(IEC60308(2005)(IEC60308(2005)中对水轮机调速中对水轮机调速器都是用器都是用“水轮机控制系统水轮机控制系统”来命名的；我国的水轮机调速来命名的；我国的水轮机调速器器与油压装置的国家标准与油压装置的国家标准( (技术条件和试验技术条件和试验) )已经修订，也将主已经修订，也将主题词题词“水轮机调速器与油压装置水轮机调速器

22、与油压装置”改为改为“水轮机控制系统水轮机控制系统”。基本概念12整理ppt 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务1). 1). 水轮机调速器作为被控制的水轮发电机组或其并入电网的水轮机调速器作为被控制的水轮发电机组或其并入电网的 频率调节器频率调节器： (1). (1). 在被控制的水轮发电机组空载工作状态时作为机组频率调节器在被控制的水轮发电机组空载工作状态时作为机组频率调节器 在被控制的水轮发电机组空载工作状态时，水轮机调速器起作机组的频率调节器在被控制的水轮发电机组空载工作状态时，水轮机调速器起作机组的频率调节器的作用，调节并维持机组频率在额定频率附近，跟踪电网频率，使被控机组能尽

23、快的作用，调节并维持机组频率在额定频率附近，跟踪电网频率，使被控机组能尽快同期、并入电网运行；同期、并入电网运行； (2). (2). 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，作为电网的频率调节器：在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，作为电网的频率调节器： . . 被控制的水轮发电机组并入大电网运行，水轮机调速器根据电网规定完成电网被控制的水轮发电机组并入大电网运行，水轮机调速器根据电网规定完成电网一次调频的任务；一次调频的任务； . . 被控制的水轮发电机组单机带负荷或在小电网中运行，水轮机调速器的任务是被控制的水轮发电机组单机带负荷或在小电网中运行，水轮机调速器的任务是调节被控机组或小电网

24、的频率在额定频率附近，尽量减小负荷突变时的动态频率升调节被控机组或小电网的频率在额定频率附近，尽量减小负荷突变时的动态频率升高或降低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度；高或降低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度； . . 被控制的水轮发电机组甩负荷时，水轮机调速器调节被控制机组到空载状态运被控制的水轮发电机组甩负荷时，水轮机调速器调节被控制机组到空载状态运行；行； 基本概念13整理ppt 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务2). 2). 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，水轮机调速器作为在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，水轮机调速器作为被控机组的被控机组的功率调节器功率调

25、节器： 在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，水轮机调速器接收并完成完成电网调度下达的机组给定功率的指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频的要求；3). 3). 水轮机调速器作为被控制机组的水轮机调速器作为被控制机组的工况控制器工况控制器 在水电站计算机监控系统等的统一控制下，协调完成被控制机组的开机、停机、增加或减小负荷、甩负荷，调相和紧急停机等工作状态及过程的控制任务。 基本概念14整理ppt 1). 1).水流惯性水流惯性：水轮机过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性：水轮机过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性时间常数时间常数T Tww来表述：水流惯性时间常数来表述：水流惯性时间

26、常数 (Water inertia time constant)(Water inertia time constant)是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间。是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间。(1).(1).水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tww的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水管道内的流量作用下，过水管道内的流量QQ由由0 0加加大至额定流量大至额定流量QQr r所需要的时间。所需要的时间。(2).(2).从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯

27、性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统；位系统；(3).(3).在动态过程中，当水轮机导叶关闭时，调节目标是减小水轮机力矩，但是由于引水系统在动态过程中，当水轮机导叶关闭时，调节目标是减小水轮机力矩，但是由于引水系统水流减速、水流动能转变为势能、水轮机工作压力短时上升，而导致水轮机力矩有短时段水流减速、水流动能转变为势能、水轮机工作压力短时上升，而导致水轮机力矩有短时段的增大；反之，当水轮机导叶开启时，调节目标是增大水轮机力矩，但是由于引水系统水的增大；反之，当水轮机导叶开启时，调节目标是增大水轮机力矩，但是由于引水系统水流加速而导致水轮机压力有短时段的降低，导致水轮机力矩有短时段的减小。

28、所以，当水流加速而导致水轮机压力有短时段的降低，导致水轮机力矩有短时段的减小。所以，当水轮机导叶开启或关闭时，都会产生与控制目标相反的逆向调节。随着水轮机导叶开启或关轮机导叶开启或关闭时，都会产生与控制目标相反的逆向调节。随着水轮机导叶开启或关闭速度的增大，动态过程中的逆向调节增强，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不闭速度的增大，动态过程中的逆向调节增强，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。 水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点

29、基本概念15整理ppt 水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tww表达式为：表达式为： 式中：式中：AA每段过水管道的截面积（每段过水管道的截面积（mm2 2）；）；LL相应每段相应每段 过水管道的过水管道的长度（长度（mm）；）；vv相应每段过水管道内的流速（相应每段过水管道内的流速（m/sm/s）；）；gg重力加速度（重力加速度（m/sm/s2 2）；）；T Tww水流惯性时间常数（水流惯性时间常数（s s）。）。 从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最

30、小相位系统，对系统的动态稳定和响应特性会带来十统成为一个非最小相位系统，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。惯性的一种形象的表述。 水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tww的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水作用下，过水管道内的流量管道内的流量QQ由由0 0加大至额定流量加大至额定流量QQr r所需要的时间。所需要的时间。基本概念16整理ppt 2). 2).机械惯性机械惯性：机组惯性时间常数机组惯性时间常数 (Uni

31、t inertia time constant, unit (Unit inertia time constant, unit acceleration constant)acceleration constant)是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。式中：式中： 额定转速时机组的惯性矩（额定转速时机组的惯性矩（kgm2）；）；Mr r机组额定转矩（机组额定转矩（Nm）；）；GD2机组飞轮力机组飞轮力矩（矩（kNm2）；）；nr r机组额定转速（机组额定转速（r/min）；）；Pr r机组额定功率（机组额定功率（kW）；）；Ta a机组惯性时间常机

32、组惯性时间常数（数（s）。）。(1).(1).机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩MMr r作用下，机组转速作用下，机组转速n n由由0 0上升额定转上升额定转速速n nr r所需要的时间；这使得对于一个阶跃输入信号，机组转速的动态过程有明显的惯性特所需要的时间；这使得对于一个阶跃输入信号，机组转速的动态过程有明显的惯性特性，其转速呈指数曲线规律变化；从手动快速开启或关闭水轮机导水机构一个开度性，其转速呈指数曲线规律变化；从手动快速开启或关闭水轮机导水机构一个开度开始，至机组转速到达变化差值开始，至机组转速到达变化差值95%95%的时间为

33、的时间为3 T3 Ta a，至机组转速到达变化差值，至机组转速到达变化差值98%98%的时间的时间为为4 T4 Ta a。例如，。例如，Ta =10sTa =10s，则转速到达变化差值，则转速到达变化差值95%95%的时间的时间t t0.950.9530s30s，到达变化差值，到达变化差值98%98%的时间的时间t t0.980.9840s40s。 (2).(2).水轮发电机组的这种惯性特性，一方面使得动态过程缓慢，另一方面又使得水轮机调水轮发电机组的这种惯性特性，一方面使得动态过程缓慢，另一方面又使得水轮机调节系统系统容易产生振荡和超调。节系统系统容易产生振荡和超调。(3).(3).机组惯性

34、时间常数机组惯性时间常数T Ta a也可以用下式表示：也可以用下式表示： 式中：式中： GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩TmTm2 2；其余参数单位同上。；其余参数单位同上。(4).(4).机组并入电网运行，发电机负载也有惯性特性：负载惯性时间常数机组并入电网运行，发电机负载也有惯性特性：负载惯性时间常数(Load inertia (Load inertia time constant)-time constant)-由电网引起的动量矩与额定转矩之比。由电网引起的动量矩与额定转矩之比。T Tb b，ss。水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点基本概念17整理ppt 水轮机调节的基

35、本概念 3.水轮机调节系统的特点机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a表达式为：表达式为： 式中：式中： 额定转速时机组的惯性矩（额定转速时机组的惯性矩（kgmkgm2 2）；）；MMr r机组额定机组额定转矩（转矩（NmNm）；）；GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩kNmkNm2 2）；）；n nr r机组额机组额定转速（定转速（r/minr/min）；）；P Pr r机组额定功率（机组额定功率（kWkW）；）；T Ta a机组惯性机组惯性时间常数（时间常数（s s）。）。 机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩MMr r作用下

36、，机组转作用下，机组转速速n n由由0 0上升至额定转速上升至额定转速n nr r所需要的时间。所需要的时间。 也可以用下式表示也可以用下式表示: : 式中：式中： GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩TmTm2 2）；其余参数单位同上）；其余参数单位同上. .基本概念18整理ppt水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点 3).3).系统具有复杂的、非线性特性系统具有复杂的、非线性特性：水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统: : (1). (1). 水轮机型式多种多样：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲水轮机型式多种多样：混流式

37、、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵击式、水泵/ /水轮机式等，因而不同被控制系统之间的特性和控制功能要求水轮机式等，因而不同被控制系统之间的特性和控制功能要求是有很大差异的；是有很大差异的； (2). (2). 对于同一个水轮发电机组来说，在不同运行水头和不同的水轮机导叶对于同一个水轮发电机组来说，在不同运行水头和不同的水轮机导叶开度时的静态及动态特性也是不同的，体现出水轮机特性具有非线性的特开度时的静态及动态特性也是不同的，体现出水轮机特性具有非线性的特征；征；(3). (3). 水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同期并网前和从水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、

38、机组停机、同期并网前和从电网解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运电网解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运行、水位和行、水位和/ /或流量控制等，在不同的工况下，对水轮机调速器的要求也是或流量控制等，在不同的工况下，对水轮机调速器的要求也是相差很大的。相差很大的。19整理ppt水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点4).4).要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力： 为了水轮发电机组和电网的安全运行，要求水轮机调速器为了水轮发电机组和电网的安全运行，要求水轮机调速器具有高可靠性，因此

39、水轮机调速器必需在其工作电源消失，具有高可靠性，因此水轮机调速器必需在其工作电源消失，仍然能靠储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构仍然能靠储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构, ,以保证以保证机组安全；此外，水轮机控制设备是通过接力器来操作水轮机组安全；此外，水轮机控制设备是通过接力器来操作水轮机导水机构和轮叶机构的，这种调节需要很大的动力，因机导水机构和轮叶机构的，这种调节需要很大的动力，因此，绝大多数水轮机调速器必需采用机械液压执行机构，并此，绝大多数水轮机调速器必需采用机械液压执行机构，并且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。20整理ppt手动水轮机调节

40、手动水轮机调节 在水轮机调节的初期，水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制在水轮机调节的初期，水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制完成的。经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结，随着机完成的。经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结，随着机械技术、液压技术、电气技术、计算机技术、自动控制技术等的出现及应械技术、液压技术、电气技术、计算机技术、自动控制技术等的出现及应用，才逐步使水轮机调节系统成为当今的水轮机闭环自动调节系统；即使在用，才逐步使水轮机调节系统成为当今的水轮机闭环自动调节系统；即使在现在，手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式。所以了解水现

41、在，手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式。所以了解水电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法，有利于形象地了解水轮电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法，有利于形象地了解水轮机调节系统的基本工作原理的，也有利于形象地了解比例机调节系统的基本工作原理的，也有利于形象地了解比例- -积分积分- -微分微分(PID)(PID)调调节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。 手动控制的基本原则是：进行手动水轮机调节时，最基本的参数是水轮手动控制的基本原则是：进行手动水轮机调节时，最基本的参数是水轮发电机组的频率发电机组的频率( (或转速或转速

42、) )，运行人员必须监视被控制的水轮发电机组的频率，运行人员必须监视被控制的水轮发电机组的频率或电网的频率。当频率大于或小于或电网的频率。当频率大于或小于50Hz50Hz时，则相应地关闭或开启水轮机导时，则相应地关闭或开启水轮机导水机构，使频率回复到水机构，使频率回复到50Hz50Hz左右的一个允许的范围内。左右的一个允许的范围内。 由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯性，因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则：性，因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则：水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统

43、的特点基本概念21整理ppt手动水轮机调节手动水轮机调节比例操作比例操作输出与输入成比例，及时反映偏差，与时间无关输出与输入成比例，及时反映偏差，与时间无关；操作；操作导水机构的幅度和速度应近似比例于机组转速（频率）对额定导水机构的幅度和速度应近似比例于机组转速（频率）对额定转速（转速（50Hz50Hz）的偏差。例如：机组频率若为）的偏差。例如：机组频率若为51Hz51Hz和和54Hz54Hz，虽，虽然它们均大于然它们均大于50Hz50Hz，但针对前者，关闭导水机构的幅度可小一，但针对前者，关闭导水机构的幅度可小一点、速度可慢一点；而对后者，则幅度要大一点、速度要快一点、速度可慢一点；而对后者

44、，则幅度要大一点、速度要快一点。点。超前操作超前操作输出与输入的变化速度成比例，反映偏差的变化率，与输出与输入的变化速度成比例，反映偏差的变化率，与时间有关时间有关；操作中不仅要密切观察机组转速（频率）偏离额定；操作中不仅要密切观察机组转速（频率）偏离额定值的情况，而且要注意机组转速（频率）向额定值回复的速度。值的情况，而且要注意机组转速（频率）向额定值回复的速度。例如：当机组频率由例如：当机组频率由54Hz54Hz以较快的速度下降到以较快的速度下降到51Hz51Hz时，虽然它时，虽然它仍然大于仍然大于50Hz50Hz，但此时不应继续关闭导水机构，而应使导水机，但此时不应继续关闭导水机构，而应

45、使导水机构稍开启一点。只有这样才有可能使机组转速（频率）较快地构稍开启一点。只有这样才有可能使机组转速（频率）较快地回复到额定值附近。这种针对水流惯性和机组惯性而采取的超回复到额定值附近。这种针对水流惯性和机组惯性而采取的超前操作原则被形象地称之为前操作原则被形象地称之为“提前刹车提前刹车”。积分操作积分操作输出等于输入的累加，与时间有关输出等于输入的累加，与时间有关；只有输入为零，输；只有输入为零，输出才保持常数；在手动操作中，当机组转速（频率）已接近额出才保持常数；在手动操作中，当机组转速（频率）已接近额定值的情况时，操作者就应该密切观察机组转速（频率）与额定值的情况时，操作者就应该密切观

46、察机组转速（频率）与额定转速的偏差，缓慢地、微量地开启或关闭，直到机组转速定转速的偏差，缓慢地、微量地开启或关闭，直到机组转速（频率）到达额定转速时为止，这就是微量、精确调节。（频率）到达额定转速时为止，这就是微量、精确调节。 水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点基本概念22整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 调速器调速器 governor:governor:由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。仪表等组成的一个或几个装置的总称。 机械液压调速器机械液压调速器 mechanica

47、l hydraulic governor: mechanical hydraulic governor: 测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，经机械综合后通过液压放测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，经机械综合后通过液压放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。 电电( (气气) )液液( (压压) )调速器调速器 electric-hydraulic governor:electric-hydraulic governor:检测被控参检测被控参量、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电量、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气

48、转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器。气转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器。 微机调速器微机调速器 micro-computer based governor:micro-computer based governor: 以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。调速器调速器23整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 有差调节有差调节 difference regulation, deviation regulation:difference regulation, deviati

49、on regulation:水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数b bp p00的调节方式。的调节方式。 无差调节无差调节 no-difference regulation, no-deviation no-difference regulation, no-deviation regulation:regulation:水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数值系数b bp p=0=0的调节方式。的调节方式。 随动系统随动系统 servo-system:servo-system:自动跟踪控制

50、装置输出，并转自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。换、放大的位置反馈控制系统。基本概念24整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 双调整调速器双调整调速器 double regulating governor:double regulating governor:实现转桨式实现转桨式 冲击式冲击式 水轮机导叶水轮机导叶 喷针喷针 及转轮叶片及转轮叶片 折向器折向器/ /偏流器偏流器 双重双重调整的调速器。调整的调速器。 通流式调速器通流式调速器 governor without pressure tank, through governor wi

51、thout pressure tank, through flow type governor:flow type governor:由油泵直接向水轮机控制系统供油的调由油泵直接向水轮机控制系统供油的调速器。速器。 压力罐式调速器压力罐式调速器 governor with pressure tank:governor with pressure tank:由压力罐由压力罐向水轮机控制系统供油的调速器。向水轮机控制系统供油的调速器。调速器调速器25整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 操作器操作器 position operator, gate operator:

52、position operator, gate operator:不对机组施加不对机组施加自动调节作用，仅能实现机组启动、停机，并网后能使机组自动调节作用，仅能实现机组启动、停机，并网后能使机组带上预定负荷，以及接受事故信号后能使机组自动停机的装带上预定负荷，以及接受事故信号后能使机组自动停机的装置。置。 电子负荷调节器电子负荷调节器 electronic load controller:electronic load controller:利用电子电利用电子电路组成的能耗式调速器。路组成的能耗式调速器。 电动机调速器电动机调速器 governor with motor driven gate

53、 governor with motor driven gate operator:operator:用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速用电动机经减速装置来控制水轮机导水机构的调速器。器。 油压装置油压装置 oil pressure supply unit:oil pressure supply unit:能提供液压能的装置。能提供液压能的装置。调速器调速器26整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 调速器调速器转速调整机构导叶引导阀主配压阀缓冲器永态差值机构导叶接力器测速装置(飞摆)+开度限制机构局部反馈辅助接力器大型单调整机械液压调速器结构图大型单调

54、整机械液压调速器结构图27整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 调速器调速器大型单调整电气液压调速器结构图大型单调整电气液压调速器结构图频率给定引导阀辅助接力器主配压阀永态差值环节接力器频率测量+电液转换器PID和综合放大开度给定+测速信号源人工频率死区人工开度死区+位移转换 +电气调节器电液转换机械液压系统28整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统) 机机械液压械液压/ /电气液压电气液压/ /数字式（微机）电液调速器数字式（微机）电液调速器 缓冲式缓冲式PIDPID结构结构电气液压调速器电气液压调速器(PID)(PID)结构图结构

55、图调速器调速器29整理pptPIDPID结构结构 ： 微机调速器结构图微机调速器结构图 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)调速器调速器30整理ppt水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)步步进电机（速度环）电液转换器进电机（速度环）电液转换器/ /机械液压随动系统型机械液压随动系统型 步进电机电液转换器步进电机电液转换器/ /机械液压随动系统型调速器框图机械液压随动系统型调速器框图调速器调速器31整理ppt 步进电机电液转换器步进电机电液转换器/ /机械液压随动系统型调速器方块图机械液压随动系统型调速器方块图水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机

56、控制系统)调速器调速器32整理ppt交流伺服电机电液转换器交流伺服电机电液转换器/ /电液执行机构型：电液执行机构型： 交流伺服电机电液转换器交流伺服电机电液转换器/ /电液执行机构型调速器框图电液执行机构型调速器框图水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)调速器调速器33整理ppt 交流伺服电机电液转换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电液执行机构型调速器方块图水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)调速器调速器34整理ppt 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)微机调速器自动调节部分框图微机调速器自动调节部分框图调速

57、器调速器35整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图 双比例伺服阀系统原理框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图36整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图 交流伺服电机自复中系统原理框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图37整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图 步进电机伺服缸系统原理框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图38整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图 比例伺服阀自复中系统原理框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图39整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构

58、框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图双比例伺服阀(FC阀)机械手动/自复中系统原理框图40整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图双比例伺服阀机械手动/自复中系统原理框图41整理ppt 水轮机调节的基本概念 5.水轮机微机调速器的结构框图 微机调节器 电/机转换装置 机械液压系统 水轮机微机调速器的总体框图水轮机微机调速器的总体框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图42整理ppt水轮机调节的基本概念 5.水轮机微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图43整理ppt水轮机调节的基本概念 5.水轮机微机调

59、速器的结构框图步进电机（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步进电机电液转换器/ /机械液压随动系统型调速器框图机械液压随动系统型调速器框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图44整理ppt 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图45整理ppt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水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图46整理ppt 交流伺服电机电液转换器/电液执行

60、机构型调速器方块图水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图微机调速器的结构框图47整理ppt水轮机调节的基本概念5.水轮机微机调速器的原理图水轮机单调整大型数字式电液调速器机械液压系统典型框图水轮机单调整大型数字式电液调速器机械液压系统典型框图 结构框图结构框图48整理ppt水轮机调节的基本概念6.水轮机微机调速器机械液压系统图水轮机中、小型数字式电液调速器机械液压系统典型框图水轮机中、小型数字式电液调速器机械液压系统典型框图 结构框图结构框图49整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图交流伺服电机交流伺服电机自复中机械液压自复中机械液压

61、 系统图系统图50整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图比例阀式机械液压系统图结构框图结构框图51整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图 双比例阀式机械液压系统图52整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图 GE公司主配压阀自复中机械液压系统框图53整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图54整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图GE公司主配压阀自复中机械液压系统图系统构成系统构成1.1.切换阀切换阀选择选择比例伺服阀比例伺

62、服阀A A和和B B其中之一的控制油经其中之一的控制油经手手开机阀开机阀、紧急紧急/ /事故停机液动阀事故停机液动阀( (受受手动或手动或/ /和电动紧和电动紧急停机阀急停机阀的输出油路控制的输出油路控制) )接入接入FCFC阀阀的控制油腔的控制油腔( (大面大面积腔积腔););2.2.机械过速保护装置机械过速保护装置控制控制机械过速液控阀机械过速液控阀, ,其输出控其输出控制油经过制油经过手动或手动或/ /和电动紧急停机阀和电动紧急停机阀、手动关机及断手动关机及断电自复中阀电自复中阀控制控制复中机构复中机构( (复中油缸复中油缸) ); ; 手动或手动或/ /和电和电动紧急停机阀动紧急停机阀

63、的输出控制油还同时控制的输出控制油还同时控制紧急紧急/ /事故停事故停机液动阀机液动阀; ;3.3.在在FCFC阀右端外部装设的阀右端外部装设的复中机构复中机构( (复中油缸复中油缸) ), ,其作其作用是使用是使FCFC阀阀活塞向开机方向运动活塞向开机方向运动, ,但是但是, , 向开机方向向开机方向运动的极端位置是使运动的极端位置是使FCFC阀阀活塞位于其中间平衡位置活塞位于其中间平衡位置( (可以微调可以微调);); 复中机构复中机构( (复中油缸复中油缸) )由由手动关机及断电自复中阀手动关机及断电自复中阀控制控制; ;4.4.机械液压系统图中表示的是调速器机械液压系统图中表示的是调速

64、器自动正常运行工自动正常运行工况况; ;55整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图 GE公司主配压阀自复中机械液压系统图自动正常运行工况自动正常运行工况1.1.调速器在自动正常运行工况运行调速器在自动正常运行工况运行: :1). 1). 机械过速保护装置未动作机械过速保护装置未动作, , 机械过速液控阀控制油接机械过速液控阀控制油接通排油通排油, , 机械过速液控阀输出控制油为压力油机械过速液控阀输出控制油为压力油; ;2). 2). 手动或手动或/ /和电动紧急停机阀在正常工作位置和电动紧急停机阀在正常工作位置, ,其输出控其输出控制油为压力油制油为压力油; ;3

65、). 3). 手动关机及断电自复中阀在带电状态手动关机及断电自复中阀在带电状态, , 复中机构复中机构( (复复中油缸中油缸) )接通排油接通排油, , 复中油缸在图中最右端位置复中油缸在图中最右端位置, ,不影响自不影响自动正常调节动正常调节; ;4). 4). 手动开机阀在自动工作状态手动开机阀在自动工作状态, , 紧急紧急/ /事故停机液动阀事故停机液动阀控制油为压力油控制油为压力油, , 手动开机阀和紧急手动开机阀和紧急/ /事故停机液动阀仅提事故停机液动阀仅提供了比例伺服阀供了比例伺服阀A A或或B B至控制油腔至控制油腔( (大面积腔大面积腔) )的一条通路的一条通路; ;5).

66、FC5). FC阀由比例伺服阀阀由比例伺服阀A A或或B B控制控制; ; 2. 2. 调速器在自动正常运行工况调速器在自动正常运行工况, , 机械过速保护装置或手机械过速保护装置或手动或动或/ /和电动紧急停机阀动作和电动紧急停机阀动作: : 均使手动或均使手动或/ /和电动紧急停和电动紧急停机阀输出控制油机阀输出控制油( (即紧急即紧急/ /事故停机液动阀控制油事故停机液动阀控制油) )接通排油接通排油, , FCFC阀不由比例伺服阀阀不由比例伺服阀A A或或B B控制控制, , 紧急紧急/ /事故停机液动阀使事故停机液动阀使FCFC阀控制油腔阀控制油腔( (大面积腔大面积腔) )接通排油

67、接通排油,FC,FC阀向关闭方向运动、阀向关闭方向运动、接力器紧急关闭接力器紧急关闭; ;56整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图 GE公司主配压阀自复中机械液压系统图调速器在自动工况正常运行调速器在自动工况正常运行, ,工作比例伺服阀工作比例伺服阀A A或或B B断电断电复中和复中和机械液压手动运行机械液压手动运行; ; 1. 1.复中工况复中工况: : 比例伺服阀比例伺服阀A A或或B B处于中间位置处于中间位置, ,无输出控制油无输出控制油,FC,FC阀不由比例伺服阀阀不由比例伺服阀A A或或B B控制控制; ;手动关机及断电自复中阀在失电状手动关机及断电自

68、复中阀在失电状态态, , 复中机构复中机构( (复中油缸复中油缸) )接通压力油接通压力油, FC, FC阀活塞在复中油缸作阀活塞在复中油缸作用下复中到中间平衡位置用下复中到中间平衡位置, ,接力器保持原有位置不动接力器保持原有位置不动, ,调速器位调速器位于复中和机械液压手动工作状态于复中和机械液压手动工作状态; ;2. 2. 机械液压手动操作工况机械液压手动操作工况: : 1). 1).接力器开启接力器开启: : 操作手动开机阀操作手动开机阀, ,其输出控制油为压力油其输出控制油为压力油, ,使使FCFC阀控制油腔阀控制油腔( (大面积腔大面积腔) )也为压力油也为压力油, FC, FC阀

69、活塞向开启方向阀活塞向开启方向, , 接力器开启接力器开启; ; 2). 2).接力器关闭接力器关闭: : 操作手动关机及断电自复中阀操作手动关机及断电自复中阀, ,其输出控制油其输出控制油为排油为排油, , 复中机构复中机构( (复中油缸复中油缸) )接通排油接通排油, FC, FC阀活塞向关闭方向阀活塞向关闭方向运动运动, , 接力器关闭接力器关闭; ; 3). 3). 机械液压手动操作工况时机械液压手动操作工况时, ,机械过速保护装置或手动或机械过速保护装置或手动或/ /和和电动紧急停机阀动作电动紧急停机阀动作: : 均使手动或均使手动或/ /和电动紧急停机阀输出控制和电动紧急停机阀输出

70、控制油油( (即紧急即紧急/ /事故停机液动阀控制油事故停机液动阀控制油) )接通排油接通排油, , 复中机构复中机构( (复中复中油缸油缸) )接通排油接通排油, ,复中功能退出复中功能退出; ; 紧急紧急/ /事故停机液动阀使事故停机液动阀使FCFC阀控阀控制油腔制油腔( (大面积腔大面积腔) )接通排油接通排油,FC,FC阀向关闭方向运阀向关闭方向运动、接力器紧急关动、接力器紧急关闭闭. .57整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图交流伺服电交流伺服电机自复中机机自复中机械液压系统械液压系统图图(双调节双调节)结构框图结构框图58整理ppt水轮机调节的基本概念

71、 6.水轮机微机调速器机械液压系统图冲击式机组调速器机械液压系统单元图冲击式机组调速器机械液压系统单元图结构框图结构框图59整理ppt水轮机调节的基本概念 6.水轮机微机调速器机械液压系统图中小型数字阀调速器机械液压系统单元图中小型数字阀调速器机械液压系统单元图结构框图结构框图60整理ppt永态差值环节和人工死区：永态差值环节和人工死区：二种调节模式：二种调节模式： 人工开度人工开度/ /功率死区环节特性功率死区环节特性 调节模式间的转换关系调节模式间的转换关系水轮机调节的基本概念 7.静态特性静态特性静态特性61整理ppt 水轮机微机调速器的基本调节模式水轮机调节的基本概念 7.静态特性静态

72、特性静态特性62整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性o水轮机微机调速器的基本调节模式o频率调节模式：机组空载或在孤立电网中运行；o功率调节摸式：机组并入大电网运行；o开度调节模式：机组并入大电网运行，功率传感器故障或未装功 率传感器；o机组空载：频率调节模式；o机组并入大电网：功率调节摸式或开度调节模式；o机组在小电网（带孤立负荷）：频率调节模式；静态特性静态特性63整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性技术标准技术标准GB/T9652.1 GB/T9652.1 20072007 GB/T9652.2 GB/T9652.2 20072007静态特性静态特性静态特性：静态特性： 水轮机

73、调节系统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水轮机调节系统静态特性静态特性静态特性64整理ppt永态差值系数：永态差值系数： 永态转差系数永态转差系数b bP P应能在自零至最大值范围内整定，最大值不小应能在自零至最大值范围内整定，最大值不小于于8 8。对小型机械液压调速器，零刻度实测值不应为负值，。对小型机械液压调速器，零刻度实测值不应为负值，其值不大于其值不大于0.10.1。 静速死区：静速死区： 水轮机调节的基本概念7.静态特性静态特性静态特性65整理ppt随动系统不准确度 ： 随动系统不准确度随动系统不准确度i ia a水轮机调节的基本概念7.静态特性静态特性静态特性

74、66整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性调速器进入稳态状态的充分与必要条件是积分的输入为零，调速器进入稳态状态的充分与必要条件是积分的输入为零，积分输入表达式为积分输入表达式为: :稳态状态的充分与必要条件稳态状态的充分与必要条件67整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性 频率给定； 电网频率； 机组频率； 开度给定；稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度): 微机调节器的静态特性 静态特性静态特性68整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性o永态差值系数bp/epo bp是指导叶接力器行程永态差值系数，用于“频率调节”和“开度调节”模式；ep是指机组功率的永态差值系

75、数；部分调速器往往只引入bp的概念，即在“功率调节”模式下，也采用永态差值系数bp。 静态特性静态特性69整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）: 功率永态差值系数 机组功率给定 机组功率静态特性静态特性70整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性静态特性主要参数和变量o频率给定fco功率给定Pco开度给定yco频率fgo接力器开度yo机组功率Pgo永态差值系数bpo功率差值系数ep静态特性静态特性71整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性o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 ；当机组频率基本不变时（机组并入大电网

76、），应该调节开度给定来调节机组负荷； o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 ；o当机组在孤立电网工况工作，bp应取为（0.51.0），机组功率由负荷决定，此时调节开度给定没有明显作用。静态特性静态特性72整理ppt 对静态特性的影响对静态特性的影响 调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性 水轮机调节的基本概念7.静态特性静态特性静态特性73整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性静态特性静态特性74整理ppt 的关系：微机调节器的静态特性（微机调节器的静态特性（b bp p=0=0）水轮机调节的基本概念7.静态特性人工

77、死区人工死区( (失灵区失灵区) )75整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )单元单元 artificial dead band moduleartificial dead band module 在自动运行状态下，能人为地在规定的被控参量范围内使调速器不起调节在自动运行状态下，能人为地在规定的被控参量范围内使调速器不起调节作用的单元。作用的单元。人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )76整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性o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： 人工死区人工死区( (失灵区失灵区)

78、 )77整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性o人工频率死区取值人工频率死区取值oEf的一般取值范围相当于频率值为00.5Hz在频率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即 Ef=0250o Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在“频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在“开度调节”和“功率调节”模式下时，设定Ef=0.033Hz。人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )78整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性 人工频率死区取值人工频率死区取值 E Ef f的一般取值范围相当于频率值为的

79、一般取值范围相当于频率值为0 00.5Hz0.5Hz在频在频率转换系数率转换系数K Kf f=25000=25000时所对应的范围，即时所对应的范围，即 E Ef f=0=0250250 E Ef f可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定：机组在地被设定：机组在“空载空载”工况运行时，设定工况运行时，设定E Ef f=0=0；机机组在并入电网方式下运行，且调速器在组在并入电网方式下运行，且调速器在“频率调节频率调节”模模式下时，设定式下时，设定E Ef f=0=0；调速器在；调速器在“开度调节开度调节”和和“功率功率调节调节”模式下时，设定模式

80、下时，设定E Ef f=0.033Hz=0.033Hz。人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )79整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性人工频率失灵区环节的特性，其数学表达式为：人工频率失灵区环节的特性，其数学表达式为： 人工开度人工开度(功率功率)失灵区环节的特性失灵区环节的特性人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )80整理ppt人工频率失灵区：人工频率失灵区： 和人工开度和人工开度/ /功率失灵区功率失灵区 (a) (a) f fg g、E Ef f以赫兹表示的特性以赫兹表示的特性 (b) (b) e ef f以相对值表示的特性以相对值表示的特性 E Ef f起作用时微机调节器的静

81、态特性起作用时微机调节器的静态特性水轮机调节的基本概念7.静态特性人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )81整理ppt人工频率失灵区和人工开度人工频率失灵区和人工开度/ /功率失灵区功率失灵区 E Ey y起作用时微机调节器的静态特性起作用时微机调节器的静态特性水轮机调节的基本概念7.静态特性人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )82整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性人工频率失灵区和人工开度人工频率失灵区和人工开度/ /功率失灵区功率失灵区Ef 0、Ey 0微机调节器静态特性微机调节器静态特性特征点特征点坐标坐标O OB BC CD DE EA AF Ff f（纵）（纵）f fc

82、cf fc c+ + E Ef ff fc c+ + E Ef ff fc c E Ef ff fc c E Ef ff fA Af fF Fy y（横）（横）y yc cy yc cE Ey yy yc c+ +E Ey yy yc c+ +E Ey yy yc cE Ey y0 01.01.0人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )83整理ppt水轮机调节的基本概念7.静态特性人工频率失灵区和人工开度人工频率失灵区和人工开度/ /功率失灵区功率失灵区 E Ef f 0 0、E Ey y 0 0微机调节器静态特性微机调节器静态特性特征点特征点坐标坐标O OB BC CD DE EA AF F

83、f f（纵）（纵）f fc cf fc c+ + E Ef ff fc c+ + E Ef ff fc c E Ef ff fc c E Ef ff fA Af fF Fy y（横）（横）y yc cy yc cE Ey yy yc c+ +E Ey yy yc c+ +E Ey yy yc cE Ey y0 01.01.0人工死区人工死区( (失灵区失灵区) )84整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性： 转桨式水轮机调速系统转桨式水轮机调速系统，桨叶，桨叶随动系统的不准确度随动系统的不准确度ia ia不大于不大于0.8 0.8 。实测。实测协联曲线协联曲线与理论协联关系曲

84、线的偏差不大于桨叶接力器全行与理论协联关系曲线的偏差不大于桨叶接力器全行程的程的1 1 冲击式水轮机调速系统冲击式水轮机调速系统静态品质应达到：静态品质应达到： 测至喷针接力器的转速死区应符合表规定；测至喷针接力器的转速死区应符合表规定； 在稳态工况下，对多喷嘴冲击式水轮机的任何两喷针之间的位置偏在稳态工况下，对多喷嘴冲击式水轮机的任何两喷针之间的位置偏差，在整个范围内均不大于差，在整个范围内均不大于1%1%；每个喷针位置对所有喷针位置平；每个喷针位置对所有喷针位置平均值的偏差不大于均值的偏差不大于0.5%0.5%。对每个导叶单独控制的水轮机，任何两个导。对每个导叶单独控制的水轮机，任何两个导

85、叶接力器的位置偏差不大于叶接力器的位置偏差不大于1 1；每个导叶接力器位置对所有导叶接力；每个导叶接力器位置对所有导叶接力器位置平均值的偏差不大于器位置平均值的偏差不大于0.5 0.5 。协联特性协联特性85整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性：双调整调速器双调整调速器 double regulating governor:double regulating governor:实现转桨式实现转桨式 冲冲击式击式 水轮机导叶水轮机导叶 喷针喷针 及转轮叶片及转轮叶片 折向器折向器/ /偏流器偏流器 双双重调整的调速器。重调整的调速器。协联装置协联装置 combination

86、device:combination device:水轮机控制系统中用来保证水轮机控制系统中用来保证转轮叶片与导叶或折向器与喷针之间协联关系的机构、转轮叶片与导叶或折向器与喷针之间协联关系的机构、电气单元或程序模块电气单元或程序模块。协联特性协联特性86整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性： 双调整水轮机包括轴流转桨式水轮机、贯流式水轮机双调整水轮机包括轴流转桨式水轮机、贯流式水轮机和和冲击式水轮机。它们在调节其水力矩冲击式水轮机。它们在调节其水力矩MMt t时，有两个相互有时，有两个相互有协协联关系的机构受到水轮机调速器的控制。联关系的机构受到水轮机调速器的控制。 轴流转

87、桨式水轮机和贯流式水轮机具有如下机构：轴流转桨式水轮机和贯流式水轮机具有如下机构： 导叶机构；导叶机构； 桨叶机构。桨叶机构。 冲击式水轮机具有如下机构：冲击式水轮机具有如下机构： 喷针机构；喷针机构； 折向器机构。折向器机构。协联特性协联特性87整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性： 对于设有桨叶调整机构的转桨式水轮机，当轮叶角度一对于设有桨叶调整机构的转桨式水轮机，当轮叶角度一定时，水轮机效率曲线的高效率区较窄；转桨式水轮机的桨定时，水轮机效率曲线的高效率区较窄；转桨式水轮机的桨叶角度可调。每种桨叶角度都有与之相配合的、较窄的效率叶角度可调。每种桨叶角度都有与之相配合的

88、、较窄的效率曲线高效率区；而且每种轮叶角度的高效率区，都有对应的曲线高效率区；而且每种轮叶角度的高效率区，都有对应的导叶开度，即导叶开度与桨叶角度之间有一个协调关系；在导叶开度，即导叶开度与桨叶角度之间有一个协调关系；在不同水头下，导叶开度与桨叶角度之间存在着不同的协调关不同水头下，导叶开度与桨叶角度之间存在着不同的协调关系。反映不同水头下导叶开度与桨叶角度之间协调关系的组系。反映不同水头下导叶开度与桨叶角度之间协调关系的组合，称为导叶与桨叶的协联关系。合，称为导叶与桨叶的协联关系。 对双调整调速器来说，在导叶开度调节的基础上，还必对双调整调速器来说，在导叶开度调节的基础上，还必须考虑导叶开度

89、、桨叶角度和水头之间的协联关系，对桨叶须考虑导叶开度、桨叶角度和水头之间的协联关系，对桨叶角度进行协联调节，以使水轮机工作于效率较高的区域。角度进行协联调节，以使水轮机工作于效率较高的区域。协联特性协联特性88整理ppt 随动系统不准确度随动系统不准确度i ia a水轮机调节的基本概念7.静态特性- 协联特性：协联特性协联特性89整理ppt协联特性：协联特性： 微机调节器采用的水轮机协联曲微机调节器采用的水轮机协联曲线线水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性：协联特性协联特性90整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性： 下图为广西大化电厂机组水轮机协联曲线图。横坐标为

90、导叶接力器下图为广西大化电厂机组水轮机协联曲线图。横坐标为导叶接力器行程（或开度），行程（或开度），YgaYga：0 01.01.0（也可以采用整数型，例如（也可以采用整数型，例如YgaYga：0 02500025000）。纵坐标为轮叶接力器行程（或开度），）。纵坐标为轮叶接力器行程（或开度），YruYru：0 01.01.0（也可（也可以采用整数型，例如以采用整数型，例如YruYru：0 02500025000）。图中的参变量为水头（图中，）。图中的参变量为水头（图中，H H：(13.2(13.235.4)m35.4)m）。）。协联特性协联特性91整理ppt 插值节点表插值节点表水轮机调节的

91、基本概念 7.静态特性- 协联特性：协联特性协联特性 ygaH ygaH 0.430.5330.590.640.690.740.800.850.9010H=13.2m000.040.080.140.200.270.360.470.72H=16.0m00.020.080.140.200.280.370.480.631.0H=18.0m00.050.110.180.250.330.440.590.771.0H=20.0m00.070.140.220.30.40.550.70.91.0H=21.5m00.10.170.250.340.460.630.80.971.0H=23.0m00.110.20.

92、290.400.520.720.881.01.0H=26.0m00.160.250.360.490.670.840.991.01.0H=28.0m00.170.280.400.530.720.891.01.01.0H=29.1m00.180.300.440.610.760.951.01.01.0H=35.4m00.220.340.480.710.911.01.01.01.0表中：表中： 横排为导叶接力器横排为导叶接力器“行程行程”Y Ygaga节点，其用于微机内运算的最大值节点，其用于微机内运算的最大值Y YgaM=1.0gaM=1.0（相对值）；（相对值）； 纵排为水头纵排为水头H(H(单位

93、为单位为m)m)节点值；节点值； 表中的值为表中的值为Y Yga-ga-H H的节点值的节点值轮叶接力器轮叶接力器“行程行程”Y Yruru，其微机内运算的最大值，其微机内运算的最大值y yruM=1.0ruM=1.0（相（相对值）。对值）。92整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性：o协联插值算法和公式。协联插值算法和公式。o 根据根据PIDPID调节计算所得的导叶调节计算所得的导叶接力器接力器“行程行程”Y Ygaga，可在表中找出它所，可在表中找出它所属属的区域，使：的区域，使：Y Yga1ga1Y YgagaY Yga2ga2o 根据运行水头值，在表中可根据运行水头值

94、，在表中可找出它所属的区域，使：找出它所属的区域，使： H Hj jH HH Hj+1j+1o 据据Y Yga1ga1、Y Yga2ga2、H Hj j和和H Hj+1j+14 4个个节点可找出对应的节点可找出对应的4 4个桨叶接力器个桨叶接力器“行行程程”值：值：Y Yru(11)ru(11)、Y Yru(12)ru(12)（水头（水头HjHj下，下，Y Yga1ga1和和Y Yga2ga2对应的对应的Y Yruru节点值）和节点值）和Y Yru(21)ru(21)、Y Yru(22)ru(22)（水头（水头H Hj+1j+1下，下，Y Yga1ga1和和Y Yga2ga2对应的对应的Y Y

95、ruru节点值）。节点值）。协联特性协联特性93整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性- 协联特性：o 对微机调节器导叶对微机调节器导叶接力器接力器“行程行程”插值，求出：插值，求出： 对水头插值，求出：对水头插值，求出： 协联特性协联特性94整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能1).1).水轮机微机调速器的工作状态水轮机微机调速器的工作状态 根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调节与控制情况，可将水轮机微机调速器的工节与控制情况，可将水轮机微机调速器的工作分成几个状态作分成几个状态停机等待（停机等待（TJDDTJDD）、）、开机（

96、开机（KJKJ）、空载（）、空载（KZKZ）、负载（）、负载（FZFZ）、）、调相（调相（TXTX）、甩负荷（）、甩负荷（SFHSFH）和停机（）和停机（TJTJ）。）。 工作状态工作状态95整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能1).1).水轮机微机调速器的工作状态水轮机微机调速器的工作状态 工作状态转换：工作状态转换：微机调速器工作状态转换图微机调速器工作状态转换图工作状态工作状态96整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能 2).2).运行方式：运行方式： 自动自动/ /手动手动 (1). (1). 微机调速器的自动运行方式微机调速器的自动运行方式 在自动运

97、行方式下，水轮机微机调速器的闭环自动调节、被控机在自动运行方式下，水轮机微机调速器的闭环自动调节、被控机组负荷的增加组负荷的增加/ /减少、调节模式的选择及切换、运行人员对调速器的监减少、调节模式的选择及切换、运行人员对调速器的监视和操作等，都是由微机调节器自动实现或完成的。视和操作等，都是由微机调节器自动实现或完成的。 在调速器总体结构中，其机械液压系统，不论是前面讨论的在调速器总体结构中，其机械液压系统，不论是前面讨论的“电液电液随动系统随动系统”，还是，还是“电液执行机构电液执行机构”，都是根据微机调节器程序运算，都是根据微机调节器程序运算结结果，通过电果，通过电/ /机转换装置，最终实

98、现主接力器行程机转换装置，最终实现主接力器行程YgaYga对微机调节器中对微机调节器中Y YPIDPID的成比例跟随的。在一般情况下，机械液压开度限制机构（如果的成比例跟随的。在一般情况下，机械液压开度限制机构（如果它有这个机构的话）应置于全开或允许的最大开度位置。由机械液压它有这个机构的话）应置于全开或允许的最大开度位置。由机械液压开度限制机构所构成的机械液压手动运行机构此时应处于开度限制机构所构成的机械液压手动运行机构此时应处于“浮空浮空”和和不不起作用的状态。起作用的状态。运行方式运行方式97整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能 2).2).运行方式：运行方式： 自动自

99、动/ /手动手动 (2). (2). 微机调速器的机械液压手动运行方式微机调速器的机械液压手动运行方式 在这种手动运行方式下，微机调节器已不再对机械液压系统起闭在这种手动运行方式下，微机调节器已不再对机械液压系统起闭环调节和控制作用了。调速器完全依靠机械液压手动机构（一般是通环调节和控制作用了。调速器完全依靠机械液压手动机构（一般是通过机械液压开度限制机构）来实现对机组的控制。过机械液压开度限制机构）来实现对机组的控制。 现在生产的现在生产的PLCPLC水轮机微机调速器大多具备微机调节器对调速器的水轮机微机调速器大多具备微机调节器对调速器的手动状态进行跟踪的能力。这个跟踪功能的特点如下：手动状

100、态进行跟踪的能力。这个跟踪功能的特点如下： 实时读入导叶接力器实际行程所对应的实时读入导叶接力器实际行程所对应的yfyf值，并使值，并使PIDPID运算中运算中的开度给定的开度给定y yc c= y= yf f，从而使结构框图的积分输入项为零值。，从而使结构框图的积分输入项为零值。 根据根据y yc c= y= yf f，对，对PIDPID调节程序中的有关量赋以合适的值，此时调节程序中的有关量赋以合适的值，此时Y YPIDPID值与实际的值与实际的yfyf值相当。值相当。 运行方式运行方式98整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能 2).2).运行方式：运行方式： 自动自动/

101、/手动手动 (2). (2). 微机调速器的机械液压手动运行方式微机调速器的机械液压手动运行方式 根据这个特点，当微机调速器由手动运行方式切换至自根据这个特点，当微机调速器由手动运行方式切换至自动运行方式时，微机调速器就可以可靠地实现无扰动、平滑动运行方式时，微机调速器就可以可靠地实现无扰动、平滑切换。当然，在切至自动运行方式后，应将机械液压开度限切换。当然，在切至自动运行方式后，应将机械液压开度限制机构开启至最大开度。制机构开启至最大开度。 有的微机调节器具备的上电跟踪功能，也是基于上述原有的微机调节器具备的上电跟踪功能，也是基于上述原理设计的：当重新接通微机调节器电源时，微机调节器在一理设

102、计的：当重新接通微机调节器电源时，微机调节器在一段时间内（例如，段时间内（例如，1s 1s）不对电液随动系统进行控制；在这段）不对电液随动系统进行控制；在这段时间内，它读入接力器实际行程值，并做上述手动跟踪时类时间内，它读入接力器实际行程值，并做上述手动跟踪时类似的处理；到达所设置的时间后，微机调节器投入工作。似的处理；到达所设置的时间后，微机调节器投入工作。 运行方式运行方式99整理ppt水轮机调节的基本概念 7.静态特性-控制功能 3).3).故障诊断：故障诊断： 从从2020世纪世纪9090年代初开始，年代初开始，PLCPLC水轮机微机调速器就具备水轮机微机调速器就具备下列故障诊断功能下

103、列故障诊断功能: : 机组频率、电网频率的故障诊断和抗干扰措施；机组频率、电网频率的故障诊断和抗干扰措施； 导叶和桨叶主接力器反馈装置故障（例如，反馈电位导叶和桨叶主接力器反馈装置故障（例如，反馈电位器断线等）的检测与处理；器断线等）的检测与处理； 机组功率变送器、电站水头变送器故障诊断及处理。机组功率变送器、电站水头变送器故障诊断及处理。运行方式运行方式100整理ppt水轮机调节的基本概念 7.动态特性PID传递函数表达式PID特性特性101整理ppt水轮机调节的基本概念 8.动态特性PID传递函数表达式K KP P=f(b=f(bt t) )换算关系曲线换算关系曲线调速器动态特性调速器动态

104、特性102整理ppt水轮机调节的基本概念 8.动态特性PID传递函数表达式K KI I=f(b=f(bt t，T Td d) )换算关系曲线换算关系曲线 调速器动态特性调速器动态特性103整理ppt水轮机调节的基本概念 8.动态特性PID传递函数表达式K KD D=f(b=f(bt t，T Tn n) )换算关系曲线换算关系曲线 调速器动态特性调速器动态特性104整理pptPIPI响应特性：响应特性： PIPI调节器的阶跃输入响应特性调节器的阶跃输入响应特性水轮机调节的基本概念 8.动态特性PID特性特性105整理ppt PIDPID响应特性响应特性 PIDPID调节器的阶跃输入响应特性调节器

105、的阶跃输入响应特性 PID PID调节器的阶跃输入响应调节器的阶跃输入响应水轮机调节的基本概念8.动态特性PID特性特性106整理ppt动态特性调速器PID特性： 阶跃输入响应特性： PIDPID调节器的阶跃输入响应特性调节器的阶跃输入响应特性水轮机调节的基本概念8. 动态特性PID特性特性107整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性(1) (1) 速动时间常数速动时间常数T Tx 速动时间常数速动时间常数 (Promptitude time constant) T(Promptitude time constant) Tx x (s) (s)对于一个永态差值系数为零的对于一个永态差值系

106、数为零的水轮机控制系统水轮机控制系统(b(bp p=0)=0)，主接力器速度，主接力器速度dy/dtdy/dt与给定的被控参量相对偏差与给定的被控参量相对偏差x x关系曲线关系曲线斜率的负倒数。斜率的负倒数。 ( (对于缓冲型水轮机控制系统，速动时间常数对于缓冲型水轮机控制系统，速动时间常数T Tx x在数值上近似于暂态在数值上近似于暂态差值系数差值系数b bt t与缓冲时间常数与缓冲时间常数T Td d的乘积。的乘积。) ) 实际上，实际上，T Tx x是调速器积分特性的描述。如图所示，图中是调速器积分特性的描述。如图所示，图中EBEB段直线是积分作用的结段直线是积分作用的结果。记积分分量为

107、果。记积分分量为Y YI I( (t t) )，则有：，则有： 当接力器在阶跃频率相对变化当接力器在阶跃频率相对变化x x作用下，由作用下，由Y YI I(0) =0(0) =0到到Y Y(t1.0)(t1.0) =1.0 =1.0，即由全关至，即由全关至全开的时间为全开的时间为t t1.01.0时，则有：时，则有： 由上式得：由上式得：有：有： 若取若取x x=1.0=1.0（即相当于阶跃频率变化值为（即相当于阶跃频率变化值为50Hz50Hz），则由上式得：），则由上式得：上式表明，速动时间常数上式表明，速动时间常数T Tx x的物理含义是：在的物理含义是：在b bp p=0=0的条件下，若

108、取频率变化相对值的条件下，若取频率变化相对值为为x x=1.0=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数T Tx x，它在数值上等于积分增，它在数值上等于积分增益益K KI I的倒数，也等于暂态差值系数的倒数，也等于暂态差值系数b bt t与缓冲装置时间常数与缓冲装置时间常数T Td d的乘积。当然，在实际运的乘积。当然，在实际运行中是不可能有行中是不可能有x x=1.0=1.0的运行条件的。的运行条件的。调速器动态特性调速器动态特性108整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性(1) (1) 速动时间常数速动时间常数T Tx x给出了几个给出

109、了几个x x取值下的接力器走全行程的时间。取值下的接力器走全行程的时间。 调速器动态特性调速器动态特性109整理ppt(2) T2) Tx x (b (bt t、T Td d、K KP P、K KI I) )的试验校核的试验校核水轮机调节的基本概念8. 动态特性YP=x/btTd=KPx(=0.025)x=0.01(0.5Hz)0.050.200.7t0.5(x) =50btTd=50/KIt0.5(x=0.01) =(500.410)=(50/0.25)=200sx=0.01(0.5Hz)bt=0.4,Td=10s,Tn=0s,bp=0KP=2.5, KI=0.25(1/s), KD=0sY

110、I=0.5tx(t)tt0.5(x)YPI(t)110整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性 (2) Tx x (bt t、Td d、KP P、KI I)的试验校核的试验校核 公式中公式中: : 对应于相对频差对应于相对频差x=0.01x=0.01和和x=0.02x=0.02的以的以HzHz表示的频差分别为表示的频差分别为x= x= 0.50.5HzHz和和x =1.0x =1.0HzHz，其表达式常用来通过试验并计算，其表达式常用来通过试验并计算b bt t、T Td d(K(KP P、KIKI) )的实测值的实测值, ,检验检验设定值的正确与否设定值的正确与否, ,从而保证从而保证P

111、IDPID特性的准确性。特性的准确性。 试验方法试验方法a. a. f fc c=50H z=50H z ( (频率给定频率给定) ), f, fg g=50H z=50H z ( (频率频率) ), b, bp p=0.04(=0.04(永态转差系数永态转差系数), ), b bt t、T Td d(K(KP P、K KI I) )例例如如: : b bt t=0.4,T=0.4,Td d=10s, T=10s, Tn n=0s;=0s;即即K KP P=2.5,=2.5, K KI I=0.25 =0.25 。b. b. 调整调整y yc c( (开度给定开度给定) )至至y yc c=0

112、.05,=0.05,则微机调节器计算接力器行程会缓慢稳定到则微机调节器计算接力器行程会缓慢稳定到y yPIDPID=0.05=0.05。c. c. 取取b bp p=0.0=0.0，使，使f fc c( (频率给定频率给定) )阶跃变化至阶跃变化至f fc c=50.5Hz=50.5Hz( (即频差相对值变化即频差相对值变化x=0.01x=0.01) )，记录记录y yPIDPID瞬间跳变值瞬间跳变值, ,其理论变化值为其理论变化值为y yPIDPID=(1/=(1/ b bt t) x =() x =(K KP P) x = ) x = (1/0.4)0.01=0.025,(1/0.4)0.

113、01=0.025,即即y yPIDPID瞬间值为瞬间值为0.05+0.025=0.0750.05+0.025=0.075。如果实测。如果实测y yPIDPID( (瞬间值瞬间值)=0.075,)=0.075,则验证了则验证了b bt t( (或或K KP P) )设定值的正确性。设定值的正确性。d. d. 记录记录y yPIDPID从从0.20.2到到0.70.7的时间的时间, ,其理论值为其理论值为t t0.50.5 ( (理论值理论值) =) =50b50bt tT Td d=50/K50/KI I=200s=200s。如果。如果实测实测t t0.50.5 =200s, =200s,则验证

114、了则验证了b bt t、T Td d( (或或K KP P、K KI I) )的正确性。也可以记录的正确性。也可以记录y yPIDPID从从0.20.2到到0.450.45的的时间时间, ,其理论值为其理论值为t t0.250.25( (理论值理论值) =) =25b25bt tT Td d=25/K25/KI I=100s=100s。如果实测。如果实测t t0.25 0.25 =100s,=100s,则验证了则验证了b bt t、T Td d( (或或K KP P、K KI I) )的正确性。的正确性。 调速器动态特性调速器动态特性111整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节

115、器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o采样周期采样周期 若要将若要将PIDPID调节规律用软件实现，则必须进行离散计算。调节规律用软件实现，则必须进行离散计算。采样周期采样周期 是离散计算过程中极为重要的一个量。由是离散计算过程中极为重要的一个量。由PLCPLC（可编程控制器）或其他工业控制计算机作为硬、软件主（可编程控制器）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，都是一种借助程序实现调节体构成的水轮机微机调速器，都是一种借助程序实现调节和控制功能的数字电子装置。可编程控制器是以巡回扫描和控制功能的数字电子装置。可编程控制器是以巡回扫描的原理或定时处理的原理

116、工作的。可编程控制器完整地执的原理或定时处理的原理工作的。可编程控制器完整地执行一次可编程控制器系统、用户程序所占用的时间，称之行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，对于准确地应用离散的数值，对于准确地应用离散PIDPID算法来实现算法来实现PIDPID调节规律是十分重要的。调节规律是十分重要的。 PID特性特性112整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o比例作用比例作用输出比例于输入输出比例于输入，输出对输入的响应没有时间差；输出对输入的响

117、应没有时间差；离散离散化时与采样周期化时与采样周期 无关。无关。杠杆输出位移杠杆输出位移y(t)y(t)比例于（杠杆比比例于（杠杆比k k）其输入位移）其输入位移x(t):x(t):运算放大器输出运算放大器输出U Uoutout(t)(t)比例于（放大系数比例于（放大系数k k）其输入）其输入U Uinin(t):(t):PID特性特性113整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o比例作用分量比例作用分量Y YP P PID特性特性114整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算

118、法调节的离散算法o积分作用积分作用输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期速变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期 有关。有关。积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t, t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。汽车行驶路程汽车行驶路程s(t)s(t)是其速度是其速度v(t)v(t)的积分：的积分：接力器位移接力器位移y(t)y(t)是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移x(t)x(t)的积分：的积分：PID特性特性115整理ppt水轮机调节的

119、基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o积分作用积分作用积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t, t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。PID特性特性116整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o积分分量积分分量 是采样周期；是采样周期； 在时刻在时刻t, t,曲线与横轴之间的面积；曲线与横轴之间的面积； K K个矩形面积之和（个矩形面积之和（ ）；）； K-1K-1个矩形面积之和个矩形面积之和( )( )； K K时刻一个矩形面积；时刻一个矩形面积； P

120、ID特性特性117整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o微分作用微分作用输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离散化时与采样周期离散化时与采样周期 有关。有关。 ；SX(S)的原函数就是PID特性特性118整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o微分作用分量微分作用分量Y YD D式中式中 是采样周期，经整理得到：是采样周期，经整理得到：PID特性特性119整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性

121、-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法o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）：PID特性特性120整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法-调节参数的整数化调节参数的整数化 b bp p、b bt t、T Td d、T Tn n、K KP P、K KI I和和K KD D等等PIDPID调节参数，均可能取小于整数调节参数，均可能取小于整数1 1的的小数。如果在小数。如果在PLCPLC编程中采用整数计算，则必须对它们进行整数化编程中采用整数计算

122、，则必须对它们进行整数化处理。以处理。以b bp p、b bt t、T Td d、T Tn n为例，根据它们各自的取值情况，可以引为例，根据它们各自的取值情况，可以引入入b b p p、b b t t、T T d d、T T n n等整数化的调节参数进行计算。等整数化的调节参数进行计算。b bp p与与b b p p等两种调节参数的对应关系：等两种调节参数的对应关系： 121整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法-调节参数的整数化调节参数的整数化PIDPID调节离散表达式中的积分分量调节离散表达式中的积分分量 Y YI I(k

123、)(k)和微分分量和微分分量Y YD D(k)(k)均与均与PLCPLC程序程序的扫描周期的扫描周期 有关。仿上述方法对有关。仿上述方法对 和和T T1v1v整数化得到整数表达的整数化得到整数表达的 ： 122整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法-调节参数的整数化调节参数的整数化将将K KP P、K KI I、K KD D表达式表达式代入，就得到了编程时采用的表达式代入，就得到了编程时采用的表达式123整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法-调节参数的整数化

124、调节参数的整数化上述有关公式中的积分输入项上述有关公式中的积分输入项 I I：在实际编程中若采用在实际编程中若采用则积分增量就成为：则积分增量就成为：124整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法- -PIDPID编程公式编程公式值得强调指出的是：值得强调指出的是： 为了在整数运算中得到较高精度的运算结果，各分为了在整数运算中得到较高精度的运算结果，各分量中应先进行加法、减法和乘法运算，最后进行除法运算。量中应先进行加法、减法和乘法运算，最后进行除法运算。 在进行积分增量在进行积分增量 Y YI I(k)(k)的运算时，应对最后

125、除法运的运算时，应对最后除法运算的余数保留，与上一次余数求代数和后，再与除数比较算的余数保留，与上一次余数求代数和后，再与除数比较以决定所得的商是否加以决定所得的商是否加1 1或减或减1 1，并得到本次运算的最后余，并得到本次运算的最后余数。这样处理才能保证微机调速器的静态运算精度。数。这样处理才能保证微机调速器的静态运算精度。125整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性-微机调节器微机调节器PIDPID调节的离散算法调节的离散算法- -PIDPID编程公式编程公式举例：采样周期举例：采样周期 =0.02s(=0.02s( =2s)=2s)，取，取T T1v1v=0.14s=0.14s（

126、T T 1v1v=14s=14s），则有：），则有：在功率调节模式下，也可写成：在功率调节模式下，也可写成：式中：式中： （频率和开度调节模式）（频率和开度调节模式） （功率调节模式（功率调节模式） 126整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性（PID参数选择 ）o 1.5T1.5Tww/T/Ta abbt t3T3Tww/T/Ta a 3T 3TwwTTd d6T6Tww T Tn n=(0.40.6)T=(0.40.6)Tww 式中：被控机组为混流式可取较小的式中：被控机组为混流式可取较小的b bt t、T Td d、T Tn n初始值，为轴流式时可取初始值，为轴流式时可取b bt

127、t、T Td d、T Tn n范围范围内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取较大的较大的b bt t、T Td d、T Tn n初始值；对于同一机组，初始值；对于同一机组，水头高时要取较大的水头高时要取较大的b bt t、T Td d、T Tn n值。值。PID参数选择参数选择127整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性（PID参数选择 ）0.33T0.33Ta a/T/TwwKKP P0.67T0.67Ta a/T/Tww0.167K0.167KP P/T/TwwKKI I0.33K0.33KP P/T/Tww0.4T0.4Tww K KP PKK

128、D D0.6 T0.6 Tww K KP P表明表明: :应先确定比例系数应先确定比例系数K KP P再据上式确定积分系再据上式确定积分系数数K KI I和微分系数和微分系数K KD D。K KP P、K KI I和和T Tww呈近似反比呈近似反比的关系。的关系。 K KD D与与T Tww呈近似正比的关系。呈近似正比的关系。PID参数选择参数选择128整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性（PID参数选择 ）例如，当例如，当T Ta a10s10s，T Tww1.5s1.5s时，计算可得：时，计算可得： 0.225 b0.225 bt t 0.45 0.45 ， 4.5s T 4.5s

129、 Td d 9.0s 9.0s ，0.6s0.6s T Tn n 0.9s0.9s， 2.2K 2.2KP P 4.47 4.47 ， 0.11K0.11KP PKKI I0.22K0.22KP P， 0.6K 0.6KP PKKD D0.9K0.9KP P ，PID参数选择参数选择129整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性接力器响应时间常数Ty 接力器响应时间常数接力器响应时间常数T Ty y接力器响应时间常数接力器响应时间常数Ty130整理ppt调速器前向通道放大倍数的整定调速器前向通道放大倍数的整定 随动系统对单位阶跃输入的响应特性随动系统对单位阶跃输入的响应特性水轮机调节的基本

130、概念8. 动态特性接力器响应时间常数接力器响应时间常数Ty131整理ppt水轮机调节的基本概念8. 动态特性o曲线曲线1 1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3 3的相对阻尼的相对阻尼系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2 2的相对阻尼系数，的相对阻尼系数，有较理想的响应特性，其超调量约为有较理想的响应特性，其超调量约为3%3%。所以，应选择、调整开。所以，应选择、调整开环放大系数环放大系数K Kopop（也就调整了（也就调整了T Ty y），使随动系统对阶跃输入的响应），使随动系统对阶跃输入的响应特性具

131、有特性具有3%3%5%5%的超调量。的超调量。oIEC 61362IEC 61362标准推荐：导叶接力器标准推荐：导叶接力器T Ty y=0.1=0.10.25s0.25s；桨叶接力器；桨叶接力器T Ty y=0.2=0.20.8s0.8s；冲击式折向器；冲击式折向器T Ty y=0.1=0.10.15s0.15s。在我国一般推荐：。在我国一般推荐：导叶接力器导叶接力器T Ty y=0.1=0.10.2s0.2s；桨叶接力器的；桨叶接力器的T Ty y取为导叶接力器取为导叶接力器T Ty y的的2 23 3倍。倍。 接力器响应时间常数接力器响应时间常数Ty132整理ppt水轮机调节的基本概念

132、8. 动态特性4.44.4水轮机调节系统动态特性水轮机调节系统动态特性应符合下列规定应符合下列规定4.4.1 4.4.1 调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。在调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。在空空载工况载工况自动运行时，施加一阶跃型转速指令信号，观察过渡过程，自动运行时，施加一阶跃型转速指令信号，观察过渡过程，以便选择调速器的运行参数。待稳定后记录转速摆动相对值，对大以便选择调速器的运行参数。待稳定后记录转速摆动相对值，对大型电调不超过型电调不超过0.150.15，对中、小型调速器不超过，对中、小型调速器不超过0.250.25，特小，特小调速器不超过调速器不超过0

133、.30.3。如果机组手动空载转速摆动相对值大于规。如果机组手动空载转速摆动相对值大于规值，其值，其自动空载转速摆动自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相相对值不得大于相应手动空载转速摆动相值。值。4.4.24.4.2机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带（机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带（1 10.5%0.5%）的时间）的时间 t tSRSR 不得大于从机组起动开始至机组转速达到不得大于从机组起动开始至机组转速达到80%80%额额定转速的时间定转速的时间 t t0.8 0.8 的的5 5倍。倍。 空载工况空载工况133整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 空载

134、扰动试验空载扰动试验 no-load disturbing testno-load disturbing test机组处于空载机组处于空载运行，依次改变各种调节参数，对水轮机控制系统施加阶运行，依次改变各种调节参数，对水轮机控制系统施加阶跃扰动，根据水轮机调节系统动态品质选择水轮机控制系跃扰动，根据水轮机调节系统动态品质选择水轮机控制系统空载运行调节参数的试验。统空载运行调节参数的试验。空载工况空载工况134整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性4.4.3 4.4.3 机组机组甩负荷甩负荷后动态品质应达到后动态品质应达到4.4.3.1 4.4.3.1 甩甩100100额定负荷后，在转速

135、变化过程中，超过稳态转速额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速额定转速值以上的波峰不超过两次；额定转速值以上的波峰不超过两次；4.4.3.2 4.4.3.2 从机组甩负荷时起，到机组转速相对偏差小于从机组甩负荷时起，到机组转速相对偏差小于11为止的为止的调节时间调节时间 t tE E 与与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间 t tMM 的比值，对中、低水头反击式水轮机不大于的比值，对中、低水头反击式水轮机不大于8 8，桨叶关闭时，桨叶关闭时间较长的轴流转桨式水轮机不大于间较长的轴流转桨式水轮机不大于1212；对高水头反击式水轮机；对高水头反

136、击式水轮机和冲击式水轮机应不大于和冲击式水轮机应不大于15 15 ；对从电网解列后给电厂供电的机；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.90.9。（对投入浪涌控。（对投入浪涌控制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外）制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外）4.4.3.3 4.4.3.3 转速或指令信号按规定形式变化，转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间接力器不动时间：对电：对电调不大于调不大于0.2 s0.2 s，机调不大于，机调不大于0.3 s0.3 s。 甩负荷甩负荷135整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性

137、GB/T 9652.12007GB/T 9652.12007关于甩关于甩100%100%额定负荷规定：额定负荷规定： 在转速变化过程中，超过在转速变化过程中，超过3%3%额定转速以上的波峰不超过两个；额定转速以上的波峰不超过两个； 从机组甩负荷时起，到机组转速相对偏差小于从机组甩负荷时起，到机组转速相对偏差小于11为止的调节时间为止的调节时间 t tE E 与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间 t tMM 的比值，对中、的比值，对中、低水头反击式水轮机不大于低水头反击式水轮机不大于8 8，桨叶关闭时间较长的轴流转桨式水轮机不，桨叶关闭时间较长

138、的轴流转桨式水轮机不大于大于1212；对高水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于；对高水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15 15 ；对从电网；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.90.9。（对投入浪涌控制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外）（对投入浪涌控制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外）. . GB/T 9652.11997GB/T 9652.11997关于甩关于甩100%100%额定负荷规定：额定负荷规定： 甩甩100%100%额定负荷额定负荷后：后： 在转速变化过程中，超过在转速变化过程中，超

139、过3%3%额定转速以上的波峰不超过两个；额定转速以上的波峰不超过两个； 从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过 0.5%0.5%为止所为止所经历的时间应不大于经历的时间应不大于40s40s。甩负荷甩负荷136整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性图示为公伯峡电站机组甩图示为公伯峡电站机组甩100%100%负荷的录波曲线负荷的录波曲线( (原图原图) )甩负荷甩负荷137整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性图示为公伯峡电站机组甩图示为公伯峡电站机组甩100%100%负荷的录波曲线负荷的录波曲线图中图中: :0 01

140、1点为甩负荷起点为甩负荷起始点始点, ,A A点为机组转速点为机组转速相对偏差小于相对偏差小于11的的点点; ;OO2 2点为接力器第一次点为接力器第一次向开启方向移动的点向开启方向移动的点, ,B B点为机组转速相对点为机组转速相对偏差小于偏差小于0.50.5的点的点. .甩负荷甩负荷138整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 据公伯峡电站机组甩据公伯峡电站机组甩100%100%负荷的录负荷的录波曲线分析波曲线分析: : 按按GB/T 9652.12007:GB/T 9652.12007: t tE E=42.7s,t=42.7s,tMM=8.0s, t=8.0s, tE E/t

141、/tMM=5.33;=5.33; OO1 1点为甩负荷起始点点为甩负荷起始点,A,A点为机组转速相对点为机组转速相对偏差小于偏差小于1.01.0的点的点. . 按按GB/T 9652.11997:GB/T 9652.11997:( (甩甩100%100%额定负荷后：在转速变化过程中，额定负荷后：在转速变化过程中，超过超过3%3%额定转速以上的波峰不超过两额定转速以上的波峰不超过两个；从接力器第一次向开启方向移动个；从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过到机组转速摆动值不超过 0.5%0.5%为止为止所经历的时间应不大于所经历的时间应不大于40s40s。) ) OO2 2点为接力器第

142、一次向开启方向移动的点点为接力器第一次向开启方向移动的点, ,B B点为机组转速相对偏差小于点为机组转速相对偏差小于0.50.5的点的点. . 甩负荷甩负荷139整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.20 6.20接力器不动时间接力器不动时间T Tq q 测定试验测定试验 6.20.16.20.1在制造厂内，大型调速器试验用接力器直径应不小于在制造厂内，大型调速器试验用接力器直径应不小于350 mm350 mm，调速器处于频率控制模式自动方式平衡状态，调节参，调速器处于频率控制模式自动方式平衡状态，调节参位于中间值，开环增益为整定值。打开开度限制机构到全开位置。位于中间值，开环增

143、益为整定值。打开开度限制机构到全开位置。入额定频率信号，用开度给定将接力器开到约入额定频率信号，用开度给定将接力器开到约5050的位置。在额定的位置。在额定率的基础上，施加率的基础上，施加4 4倍于转速死区规定值的阶跃频率信号，用自动倍于转速死区规定值的阶跃频率信号，用自动录仪记录输入频率信号和接力器位移，确定以频率信号增减瞬间为录仪记录输入频率信号和接力器位移，确定以频率信号增减瞬间为起点的接力器不动时间起点的接力器不动时间T Tq q 。试验。试验3 3次，取其平均值。次，取其平均值。接力器不动时间接力器不动时间140整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.20.26.20.2

144、用匀速变化频率信号测定接力器不动时间用匀速变化频率信号测定接力器不动时间TqTq试验条件同试验条件同6.20.1 6.20.1 条。输入额定频率信号，用开度给定将接力器开到约条。输入额定频率信号，用开度给定将接力器开到约5050的的位置。在额定频率的基础上，施加规定的匀速变化的频率信号（对大型调位置。在额定频率的基础上，施加规定的匀速变化的频率信号（对大型调速器为速器为1Hz1Hzs s；对中、小型调速器为；对中、小型调速器为1.5Hz1.5Hzs s）, ,用自动记录仪记录输入用自动记录仪记录输入频率信号和接力器位移，确定以频率信号增或减（上升或下降频率信号和接力器位移，确定以频率信号增或减

145、（上升或下降0.020.02）为）为起点的接力器不动时间。详见图。试验起点的接力器不动时间。详见图。试验3 3次，取其平均值。次，取其平均值。接力器不动时间接力器不动时间141整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 接力器不动时间接力器不动时间 (Servomotor dead time) T(Servomotor dead time) Tq q (s) (s)给定信号按规定形给定信号按规定形式变化起至由此引起主接力器开始移动的时间。式变化起至由此引起主接力器开始移动的时间。 接力器不动时间接力器不动时间T Tq q是用来检测水轮机调速器依据频率偏差和是用来检测水轮机调速器依据频率偏差

146、和PIDPID运运算的动态速动性能，影响接力器不动时间算的动态速动性能，影响接力器不动时间T Tq q的主要因素为：的主要因素为：. .微机控制器计算周期；微机控制器计算周期；. .机组频率测量周期；机组频率测量周期；. .机械液压系统死区；机械液压系统死区；. .接力器反应时间常数接力器反应时间常数T Ty y( (机械液压系统前向通道放大倍数及机械液压机械液压系统前向通道放大倍数及机械液压系统小闭环前向放大倍数系统小闭环前向放大倍数) ) ；.PID.PID参数；参数； 当然，被控制系统参数当然，被控制系统参数( (例如机组惯性时间常数例如机组惯性时间常数TaTa等等), ),也会影响接力

147、也会影响接力器不动时间器不动时间T Tq q的数值。的数值。142整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性o在制造厂内接力器不动时间在制造厂内接力器不动时间T Tq q 的测定试验的测定试验( (匀速变化的匀速变化的频率信号频率信号) ) 1. 1.试验条件试验条件:试验用接力器直径应不小于试验用接力器直径应不小于350 mm;350 mm;调速器处于频率控制模调速器处于频率控制模式自动方式平衡状态，调节参数位于中间值，开环增益为整定值式自动方式平衡状态，调节参数位于中间值，开环增益为整定值, ,开度限制机构开度限制机构到全开位置到全开位置, ,接力器开到约接力器开到约5050的位置的位

148、置. .2.2.试验方法试验方法: :在额定频率的基础上，施加规定的匀速变化的频率信号（对大型调在额定频率的基础上，施加规定的匀速变化的频率信号（对大型调速器为速器为1Hz1Hzs s；对中、小型调速器为；对中、小型调速器为1.5Hz1.5Hzs s）, ,用自动记录仪记录输入频率信用自动记录仪记录输入频率信号和接力器位移，确定以频率信号增减瞬间为起点的接力器不动时间号和接力器位移，确定以频率信号增减瞬间为起点的接力器不动时间T Tq q . .试验试验3 3次，取其平均值。次，取其平均值。3.3.频率匀速变化的频率信号增或减（上升或下降频率匀速变化的频率信号增或减（上升或下降0.020.02

149、）为起始时间）为起始时间t t0 0接力器开始运动时间时间接力器开始运动时间时间t t1 1 ; ;接力器不动时间接力器不动时间T Tq q= t= t1 1-t -t0 0. .4.4.如何判断接力器开始运动如何判断接力器开始运动: :起始时间起始时间t t0 0的接力器值动作了多少的接力器值动作了多少(0.05%?,0.1%?,0.2%?.)(0.05%?,0.1%?,0.2%?.)才视为时刻才视为时刻t t1 1; ;接力器不动时间接力器不动时间143整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.20.36.20.3在电站通过机组甩负荷试验，获得机组甩在电站通过机组甩负荷试验，获得

150、机组甩2525负荷示波图，从图上直接求出自发电机定子电流消负荷示波图，从图上直接求出自发电机定子电流消失为起始点，或甩失为起始点，或甩10101515负荷，机组转速上升到负荷，机组转速上升到0.020.02为起始点，到接力器开始运动为止的接力器不动为起始点，到接力器开始运动为止的接力器不动时间时间Tq Tq ，测试时应断开调速器用发电机出口开关辅助，测试时应断开调速器用发电机出口开关辅助接点信号、电流和功率信号。用自动记录仪记录机组转接点信号、电流和功率信号。用自动记录仪记录机组转速、接力器行程和发电机定子电流时间分辨率不大于速、接力器行程和发电机定子电流时间分辨率不大于0.02 s0.02

151、smmmm，接力器行程分辨率不大于，接力器行程分辨率不大于0.20.2mmmm。在。在机组断路器断开前启动记录仪，以证实稳定状态存在，机组断路器断开前启动记录仪，以证实稳定状态存在，再进入不动时间的测定。再进入不动时间的测定。接力器不动时间接力器不动时间144整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性o在电站通过机组甩负荷试验测定接力器不动时间在电站通过机组甩负荷试验测定接力器不动时间T Tq q 1. 1.录制机组甩录制机组甩2525负荷示波图，从图上直接求出自发电机定子电流消失为起始负荷示波图，从图上直接求出自发电机定子电流消失为起始点，或甩点，或甩10101515负荷，机组转速上升到

152、负荷，机组转速上升到0.020.02为起始点，到接力器开始运为起始点，到接力器开始运动为止的接力器不动时间动为止的接力器不动时间T Tq q ，测试时应断开调速器用发电机出口开关辅助接，测试时应断开调速器用发电机出口开关辅助接点信号、电流和功率信号。点信号、电流和功率信号。2.2.对自动记录仪的要求对自动记录仪的要求: :机组转速、接力器行程和发电机定子电流时间分辨率机组转速、接力器行程和发电机定子电流时间分辨率不大于不大于0.02 s0.02 smmmm，接力器行程分辨率不大于，接力器行程分辨率不大于0.20.2mmmm。在机组断路器断开。在机组断路器断开前启动记录仪，以证实稳定状态存在，再

153、进入不动时间的测定。前启动记录仪，以证实稳定状态存在，再进入不动时间的测定。3.3.以发电机定子电流消失为起始时间以发电机定子电流消失为起始时间t t0 0; ;或以机组转速上升到或以机组转速上升到0.020.02为起始为起始时间时间t t0 0. . 接力器开始运动时间时间接力器开始运动时间时间t t1 1 ; ; 接力器不动时间接力器不动时间T Tq q= t= t1 1-t -t0 0. .4.4.如何判断接力器开始运动如何判断接力器开始运动: :起始时间起始时间t t0 0的接力器值关闭了多少的接力器值关闭了多少(0.05%?,0.1%?,0.2%?.)(0.05%?,0.1%?,0.

154、2%?.)才视为时刻才视为时刻t t1 1; ;接力器不动时间接力器不动时间145整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 在水电站现场接力器不动时间在水电站现场接力器不动时间T Tq q 测定试验时测定试验时, ,值得着值得着重重指出的是指出的是: : (1).(1).水轮机微机调速器应该工作在水轮机微机调速器应该工作在”频率调节频率调节”模模式式, ,频率人工死区为零频率人工死区为零( (E Ef f=0Hz)=0Hz)。 如果工作于如果工作于”开度调节开度调节”或或”功率调节功率调节”模式模式, , 频频率人工死区一般不为零率人工死区一般不为零(E(Ef f 0Hz),0Hz),在

155、进行接力器不在进行接力器不动时间动时间T Tq q 测定试验的动态过程中测定试验的动态过程中, ,只有机组频率偏差超过只有机组频率偏差超过频率人工死区时调速器才能起作用频率人工死区时调速器才能起作用, ,因此不能真实反应水轮因此不能真实反应水轮机微机调速器的频率调节性能决定的接力器不动时间机微机调速器的频率调节性能决定的接力器不动时间T Tq q。接力器不动时间接力器不动时间146整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性(2).(2).判断接力器不动时间动态过程的时间起点判断接力器不动时间动态过程的时间起点, ,不不能够采用引至调速器的机组出口断路器能够采用引至调速器的机组出口断路器(

156、(油开油开关关) )开关量信号的变位时刻。因为送至微机调开关量信号的变位时刻。因为送至微机调速器的上述开关量信号速器的上述开关量信号, ,是机组出口断路器是机组出口断路器( (油油开关开关) )辅助接点驱动的中间继电器的接点信号辅助接点驱动的中间继电器的接点信号, ,它的动作时刻一般滞后于机组出口断路器它的动作时刻一般滞后于机组出口断路器( (油油开关开关) )动作时刻约动作时刻约(0.04(0.040.08)s,0.08)s,而且几乎每个而且几乎每个电站、机组的上述电站、机组的上述”滞后滞后”都是不同的。都是不同的。 接力器不动时间动态过程的时间起点应该按照接力器不动时间动态过程的时间起点应

157、该按照相关国家标准的规定执行。相关国家标准的规定执行。 147整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性(3).(3).在进行接力器不动时间在进行接力器不动时间T Tq q 测定试验时测定试验时, ,不允许微机调速不允许微机调速器在根据机组频率率偏差的器在根据机组频率率偏差的PIDPID调节规律之外调节规律之外, ,人为通过人为通过软件添加任何促使接力器快速关闭的程序软件添加任何促使接力器快速关闭的程序( (例如例如:.:.根据根据引至调速器的机组出口断路器引至调速器的机组出口断路器( (油开关油开关) )开关量变位信号开关量变位信号, ,使电气开度限制值立即等于当时的接力器实际值使电气开

158、度限制值立即等于当时的接力器实际值, ,并开并开始减小电气开度限制的数值；始减小电气开度限制的数值；. . 根据引至调速器的机根据引至调速器的机组出口断路器组出口断路器( (油开关油开关) )开关量变位信号开关量变位信号, , 使电气开度限使电气开度限制值立即等于机组接力器空载开度值制值立即等于机组接力器空载开度值, ,从而不是根据机从而不是根据机组频率偏差信号快速关闭调速器接力器；组频率偏差信号快速关闭调速器接力器；)。 在对微机调速器在水电站现场接力器不动时间在对微机调速器在水电站现场接力器不动时间T Tq q 进进行鉴定性试验测定时行鉴定性试验测定时, ,最好临时撤除引至调速器的机组最好

159、临时撤除引至调速器的机组出口断路器出口断路器( (油开关油开关) )开关量接点信号开关量接点信号, ,以保证所得到的接以保证所得到的接力器不动时间力器不动时间T Tq q试验结果的科学性和真实性。试验结果的科学性和真实性。148整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性(4).(4).鉴于接力器不动时间动态过程的复杂性鉴于接力器不动时间动态过程的复杂性, ,特别应特别应该注意甩负荷前机组及电网的不同状态该注意甩负荷前机组及电网的不同状态:.:.接力接力器正在开启状态、接力器正好在平稳状态或接器正在开启状态、接力器正好在平稳状态或接力器正好在关闭状态；力器正好在关闭状态；. . 电网频率正在

160、上升状电网频率正在上升状态、电网频率正好在平稳状态或电网频率正好态、电网频率正好在平稳状态或电网频率正好在下降状态。显然在下降状态。显然, ,在不同的机组及电网状态下在不同的机组及电网状态下测试所得的接力器不动时间测试所得的接力器不动时间T Tq q也是不同的。因也是不同的。因此，测试时应选择电网频率和接力器尽可能处此，测试时应选择电网频率和接力器尽可能处在平稳状态的时刻，只有这样测得的数据才是在平稳状态的时刻，只有这样测得的数据才是真实的。真实的。149整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性(5).(5).目前生产水轮机调节系统仿真测试仪厂家甚多目前生产水轮机调节系统仿真测试仪厂家甚

161、多, ,而在进而在进行接力器不动时间行接力器不动时间T Tq q 测定试验时的判据各不相同测定试验时的判据各不相同( (接力接力器关闭多少开度作为器关闭多少开度作为”接力器开始运动接力器开始运动”的时刻的时刻?), ?), 同时使用几个不同厂家生产的测试仪测试所得按试验读同时使用几个不同厂家生产的测试仪测试所得按试验读数自动生成并打印出的接力器不动时间数自动生成并打印出的接力器不动时间T Tq q有较大的出入，有较大的出入，建议试验人员利用示波曲线判断接力器不动时间建议试验人员利用示波曲线判断接力器不动时间T Tq q值。值。为保证试验结果的科学性和真实性为保证试验结果的科学性和真实性, ,最

162、好能提供分辨率最好能提供分辨率为为1%1%的机组频率信号波形和分辨率为的机组频率信号波形和分辨率为0.1%0.1%的接力器的接力器行程信号波形行程信号波形, ,以方便根据国家标准关于以方便根据国家标准关于”机组转速上机组转速上升到升到0.020.02为起始点，到接力器开始运动为止的接力器为起始点，到接力器开始运动为止的接力器不动时间不动时间T Tq q “ “来确定接力器的不动时间来确定接力器的不动时间T Tq q。目前有的。目前有的水轮机调节系统仿真测试仪的光标分辨率仅水轮机调节系统仿真测试仪的光标分辨率仅0.05s.0.05s.不能不能在显示器上直接判断接力器不动时间在显示器上直接判断接力

163、器不动时间T Tq q值，应修改为值，应修改为0.01s0.01s。 150整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.216.21空载试验空载试验 6.21.16.21.1手动方式空载工况下，用自动记录仪记录机组手动方式空载工况下，用自动记录仪记录机组 3 min3 min（为观察到（为观察到有大致固定周期的摆动，可延长至有大致固定周期的摆动，可延长至5min5min）的转速摆动情况，量取有大致固）的转速摆动情况，量取有大致固定周期的转速摆动幅值；重复二次，取其平均值。定周期的转速摆动幅值；重复二次，取其平均值。 6.21.26.21.2自动方式空载工况下，对调速系统施加频率阶跃扰动

164、，记录机自动方式空载工况下，对调速系统施加频率阶跃扰动，记录机组转速、接力器行程等的过渡过程，选取转速摆动值和超调量较小、波动组转速、接力器行程等的过渡过程，选取转速摆动值和超调量较小、波动次数少、稳定快的一组调节参数，提供空载运行使用。在该组调节参数次数少、稳定快的一组调节参数，提供空载运行使用。在该组调节参数下，用自动记录仪记录机组下，用自动记录仪记录机组 3 min3 min（为观察到有大致固定周期的摆动，可（为观察到有大致固定周期的摆动，可延长至延长至5min5min）的转速摆动况，量取有大致固定周期的转速摆动幅值；重复）的转速摆动况，量取有大致固定周期的转速摆动幅值；重复二次，取其平

165、均值。二次，取其平均值。空载试验空载试验151整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 带负荷试验带负荷试验 load test load test 检验调节系统在各种负荷下运检验调节系统在各种负荷下运行及突变负荷时的调节性能，从而选定水轮机控制系统带负行及突变负荷时的调节性能，从而选定水轮机控制系统带负荷运行调节参数的试验。荷运行调节参数的试验。 甩负荷试验甩负荷试验 load rejection test load rejection test 机组突然甩去所带机组突然甩去所带负荷，检验调节系统动态品质、水压变化和转速变化的试验。负荷，检验调节系统动态品质、水压变化和转速变化的试验。

166、 负荷试验负荷试验152整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.226.22孤立负荷试验孤立负荷试验 水头在额定值的水头在额定值的1010范围内，机组带孤立的、约为范围内，机组带孤立的、约为9090额额定功率的电阻负荷的条件下，突然改变不大于定功率的电阻负荷的条件下，突然改变不大于5 5额定功率的负额定功率的负载，用自动记录仪记录频率变化过程。频率变化的衰减度（与起载，用自动记录仪记录频率变化过程。频率变化的衰减度（与起始偏差符号相同的第二个转速偏差峰值与起始偏差峰值之比）应始偏差符号相同的第二个转速偏差峰值与起始偏差峰值之比）应不大于不大于2525。 当不具备真实孤立负荷试验条件

167、时，如用户要求，可采用孤当不具备真实孤立负荷试验条件时，如用户要求，可采用孤立电网仿真试验，此时发电机组并入真实电网运行，将机组数字立电网仿真试验，此时发电机组并入真实电网运行，将机组数字模型（机组模型应计入机组惯性、负荷惯性和被调节系统的自调模型（机组模型应计入机组惯性、负荷惯性和被调节系统的自调节系数）的频率输出信号引至电调频率输入口，代替被测机组频节系数）的频率输出信号引至电调频率输入口，代替被测机组频率信号。这种在线仿真已包括真实的水力系统动态响应，仅忽略率信号。这种在线仿真已包括真实的水力系统动态响应，仅忽略了被测机组转速变化对水轮机流量的影响。了被测机组转速变化对水轮机流量的影响。

168、孤立负荷试验孤立负荷试验153整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性 6.236.23甩负荷试验甩负荷试验 置空载和负荷调节参数于选定值，调速器处于自动方式置空载和负荷调节参数于选定值，调速器处于自动方式平衡状态。依次分别甩掉平衡状态。依次分别甩掉2525、5050、7575和和100100的额的额定负荷，自动记录机组转速、导叶、桨叶（或喷针、折向定负荷，自动记录机组转速、导叶、桨叶（或喷针、折向器）的接力器行程、蜗壳水压及发电机定子电流等参数的器）的接力器行程、蜗壳水压及发电机定子电流等参数的过渡过程。过渡过程。甩负荷试验甩负荷试验154整理ppt水轮机调节的基本概念 8. 动态特性

169、 6.246.24带负荷连续带负荷连续72h 72h 运行试验运行试验 调节系统和装置的全部调整试验及机组所有其他试验完调节系统和装置的全部调整试验及机组所有其他试验完成后，应拆除全部试验接线，使机组所有设备恢复到正常成后，应拆除全部试验接线，使机组所有设备恢复到正常运行状态，全面清理现场，然后进行带负荷运行状态，全面清理现场，然后进行带负荷72h 72h 连续运行连续运行试验。试验中应对各有关部位进行巡回监视并做好运行情试验。试验中应对各有关部位进行巡回监视并做好运行情况的详细记录。况的详细记录。带负荷连续带负荷连续72h 72h 运行试验运行试验155整理ppt 思考题o1. 1.试说明水

170、轮机调节系统的特点试说明水轮机调节系统的特点. .o2.2.写出调速器的积分表达式，分析频率给定写出调速器的积分表达式，分析频率给定FcFc、开度给定、开度给定YcYc、永态差、永态差值系数值系数bpbp和机组频率和机组频率FgFg之间的关系及频率给定之间的关系及频率给定FcFc、开度给定、开度给定YcYc的作用。的作用。o3.3.试说明水轮机调速器试说明水轮机调速器PIDPID调节规律的作用原理，写出其传递函数表达调节规律的作用原理，写出其传递函数表达式。式。o4.4.分析双微机调节器的工作原理，说明双微机交叉冗余的构成及其优分析双微机调节器的工作原理，说明双微机交叉冗余的构成及其优点。点。o5.5.分析微机调速器频率测量的基本原理。分析微机调速器频率测量的基本原理。o6.6.分析比例伺服阀的工作原理及其优点。分析比例伺服阀的工作原理及其优点。o7.7.分析行程控制主配压阀和液压控制主配压阀的工作原理。分析行程控制主配压阀和液压控制主配压阀的工作原理。o8.8.说明适应式变参数调节的主要内容及优点。说明适应式变参数调节的主要内容及优点。156整理ppt谢谢大家！157整理ppt