1、水輪機微機調速器水輪機微機調速器培訓課件培訓課件一.水輪機調節的基本概念1.水輪機調節系統水輪機調節系統的結構如圖所示。其工作過程為：測量元件把機組水輪機調節系統的結構如圖所示。其工作過程為：測量元件把機組轉速轉速n n（頻率（頻率f f）、功率）、功率PgPg、水頭、水頭H H、流量、流量Q Q等參量測量出來，與給定信號等參量測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經放大校正元件控制執行機構，執行機構操縱水輪和反饋信號綜合后，經放大校正元件控制執行機構，執行機構操縱水輪機導水機構和槳葉機構，同時經反饋元件送回反饋信號至信號綜合點。機導水機構和槳葉機構，同時經反饋元件送回反饋信號至信號綜合點。

2、引水和泄水 系 統 水輪機、 發電機 電網、負荷 執行機構 放大校正元件 給定元件 反饋元件 被控制系統 水輪機控制系統 （水輪機調速器） 測量元件 + 一.水輪機調節的基本概念圖圖1：水輪機調節系統水輪機調節系統結構圖結構圖水輪機控制系統水輪機控制系統 hydraulic turbine control systems: hydraulic turbine control systems:用用來檢測被控參量（轉速、功率、水位、流量等）與給定參來檢測被控參量（轉速、功率、水位、流量等）與給定參量的偏差，并將它們按一定特性轉換成主接力器行程偏差量的偏差，并將它們按一定特性轉換成主接力器行程偏差的

3、一些設備所組成的系統。的一些設備所組成的系統。被控制系統被控制系統 controlled system: controlled system:由水輪機控制系統控制的由水輪機控制系統控制的系統，它包括水輪機、引水和泄水系統、裝有電壓調節器系統，它包括水輪機、引水和泄水系統、裝有電壓調節器的發電機及其所并入的電網。的發電機及其所并入的電網。水輪機調節系統水輪機調節系統 hydraulic turbine regulating system: hydraulic turbine regulating system:由由水輪機控制系統水輪機控制系統和和被控制系統被控制系統組成的閉環系統組成的閉環系統。

4、隨動系統隨動系統 servo-system: servo-system:自動跟蹤控制裝置輸出，并轉換、自動跟蹤控制裝置輸出，并轉換、放大的位置反饋控制系統。放大的位置反饋控制系統。 一.水輪機調節的基本概念水輪發電機組轉動部分的運動方程為：水輪發電機組轉動部分的運動方程為： 式中：式中：JJ機組轉動部分的慣性矩（機組轉動部分的慣性矩（kgm2kgm2）；）； 機組轉動角機組轉動角速度（速度（rad/srad/s）；）；nn機組轉動速度機組轉動速度r/minr/min）；）；M Mt t水輪機轉矩（水輪機轉矩（NmNm）；）； M Mg g發電機負荷阻力矩（負載轉矩）（發電機負荷阻力矩（負載轉矩

5、）（NmNm）。）。 上式清楚地表明，水輪發電機組是轉速對力矩的積分環節，機上式清楚地表明，水輪發電機組是轉速對力矩的積分環節，機組轉速組轉速( (頻率頻率) )保持恒值的條件是保持恒值的條件是 ，即要求，即要求 ，否，否則就會導致機組轉速則就會導致機組轉速( (頻率頻率) )相對于額定值持續升高或降低，從而出現轉速相對于額定值持續升高或降低，從而出現轉速( (頻頻率率) )偏差；在以后的分析中可以看到，由于水輪發電機組具有水輪機轉矩對偏差；在以后的分析中可以看到，由于水輪發電機組具有水輪機轉矩對轉速的傳遞系數轉速的傳遞系數( ( )( ( )和發電機負載轉矩對轉速的傳遞系數的和發電機負載轉矩

6、對轉速的傳遞系數的特性，使得水輪發電機組轉速對力矩是一個一階慣性環節。特性，使得水輪發電機組轉速對力矩是一個一階慣性環節。 gtddMMtJ30n0ddtgtMM texe一.水輪機調節的基本概念水輪機轉矩水輪機轉矩 式中：式中：QQ通過水輪機的流量（通過水輪機的流量（m m3 3/s/s）；）；HH水輪機凈水頭（水輪機凈水頭（m m）；）； 水輪機水輪機效率；效率； 水的密度水的密度g/mg/m3 3）。）。所以，在一定的機組工況下，只有調節流量所以，在一定的機組工況下，只有調節流量Q Q和效率和效率 ，才能調節水輪機轉，才能調節水輪機轉矩，達到的目的。從最終效果來看，水輪機調節的任務是維持

7、水輪發電機組轉矩，達到的目的。從最終效果來看，水輪機調節的任務是維持水輪發電機組轉速（頻率）在額定值附近的允許范圍內。然而，從實質上講，只有當水輪機調速（頻率）在額定值附近的允許范圍內。然而，從實質上講，只有當水輪機調節器相應地調節水輪機導水機構開度（從而調節水輪機流量節器相應地調節水輪機導水機構開度（從而調節水輪機流量Q Q）和水輪機輪葉）和水輪機輪葉的角度（從而調節水輪機效率），使，才能使機組在一個允許的穩定轉速（頻的角度（從而調節水輪機效率），使，才能使機組在一個允許的穩定轉速（頻率）下運行。從這個意義上講，水輪機調節的實質就是：根據偏離額定值的轉率）下運行。從這個意義上講，水輪機調節的

8、實質就是：根據偏離額定值的轉速（頻率）差信號，調節水輪機的導水機構和輪葉機構，維持水輪發電機組功速（頻率）差信號，調節水輪機的導水機構和輪葉機構，維持水輪發電機組功率與負荷功率的平衡。率與負荷功率的平衡。 一.水輪機調節的基本概念ttQHM l 水輪機調節系統是一個閉環自動調節系統水輪機調節系統是一個閉環自動調節系統開環系統開環系統: :眾所周知，如果系統的輸出量對系統的輸入眾所周知，如果系統的輸出量對系統的輸入 ( (控制控制) )作用沒有影響，則這作用沒有影響，則這個個系統是開環系統系統是開環系統(Open loop system)(Open loop system)。因此，對應于一個輸入

9、。因此，對應于一個輸入( (控制控制) )量，便有一個相應固量，便有一個相應固定的輸出量與之對應，系統的控制精度取決于系統參數的校準；但是，當系統出現擾定的輸出量與之對應，系統的控制精度取決于系統參數的校準；但是，當系統出現擾動或參數變化時，原來相應固定的輸出量就會變化了；所以，采用開環控制系統是不動或參數變化時，原來相應固定的輸出量就會變化了；所以，采用開環控制系統是不可能構成精的。可能構成精的。閉環系統閉環系統: :從圖從圖1 1可以看出，水輪機調節系統的輸出可以看出，水輪機調節系統的輸出( (機組機組( (電網電網) )頻率、機組功率等頻率、機組功率等) )對對系統的控制作用系統的控制作

10、用( (轉速轉速( (頻率頻率) )給定、機組功率給定、接力器開度給定等給定、機組功率給定、接力器開度給定等) )有著直接的影響，有著直接的影響，一般稱其為系統一般稱其為系統( (調速在控制器的輸入可以減少系統的誤差，并使系統的輸出量趨于給調速在控制器的輸入可以減少系統的誤差，并使系統的輸出量趨于給定值。所以，閉環系統就是利用反饋來減小系統的誤差。當然，對于一個閉環控制定值。所以，閉環系統就是利用反饋來減小系統的誤差。當然，對于一個閉環控制( (調調節節) )系統來說，系統的穩定性系統來說，系統的穩定性(Stability)(Stability)始終是一個重要問題。除去穩定問題之外，始終是一個

11、重要問題。除去穩定問題之外，閉環控制閉環控制( (調節調節) )系統的動態過程及動態品質系統的動態過程及動態品質( (性能性能) )也是比開環系統復雜的多；因為，也是比開環系統復雜的多；因為，閉環控制閉環控制( (調節調節) )系統動態穩定時，還可能出現動態過程中超調或衰減振蕩系統動態穩定時，還可能出現動態過程中超調或衰減振蕩(Damply (Damply oscillation)oscillation)現象。現象。 一.水輪機調節的基本概念l水輪機調節系統和水輪機控制系統在工作過程中，有兩種工作狀態：靜態（穩定狀態）和動態水輪機調節系統和水輪機控制系統在工作過程中，有兩種工作狀態：靜態（穩定

12、狀態）和動態（瞬變狀態）。（瞬變狀態）。 調節系統的靜態又稱為穩定狀態調節系統的靜態又稱為穩定狀態: :穩定狀態穩定狀態 (steady state) (steady state)是指機組在恒定的負荷、給定信號是指機組在恒定的負荷、給定信號和水頭下運行，水輪機控制系統和水輪機調節系統的所有變量都處于平衡狀態的運行狀態。和水頭下運行，水輪機控制系統和水輪機調節系統的所有變量都處于平衡狀態的運行狀態。 調節系統的動態又稱為瞬態調節系統的動態又稱為瞬態: :當系統受到負荷、水頭等擾動作用，或給定信號變化時，系統將當系統受到負荷、水頭等擾動作用，或給定信號變化時，系統將出現相應的運動，經過一段時間后，

13、在新的條件下進入了新的穩定狀態。從原穩定狀態到新穩定出現相應的運動，經過一段時間后，在新的條件下進入了新的穩定狀態。從原穩定狀態到新穩定狀態的運動過程狀態的運動過程, ,就稱為水輪機調節系統和水輪機控制系統的動態。系統動態不穩定時，則出現等就稱為水輪機調節系統和水輪機控制系統的動態。系統動態不穩定時，則出現等幅振蕩或發散振蕩，系統不能正常工作、沒有穩定狀態；幅振蕩或發散振蕩，系統不能正常工作、沒有穩定狀態；所以，一個動態系統是穩定的，是對閉環動態系統的最基本要求。所以，一個動態系統是穩定的，是對閉環動態系統的最基本要求。l閉環系統的穩定性閉環系統的穩定性 在擾動作用下會偏離原來的平衡狀態在擾動

14、作用下會偏離原來的平衡狀態( (靜態靜態) )而產生偏差，進入動態，所謂動態系統的穩定性，而產生偏差，進入動態，所謂動態系統的穩定性，是指當上述擾動消失后或者擾動保持為常量時，動態系統由動態恢復到新的平衡狀態是指當上述擾動消失后或者擾動保持為常量時，動態系統由動態恢復到新的平衡狀態( (靜態靜態) )的性的性能。如果系統能夠恢復到平衡狀態，則系統是穩定的；若系統偏差不能消除且愈來愈大、不能恢能。如果系統能夠恢復到平衡狀態，則系統是穩定的；若系統偏差不能消除且愈來愈大、不能恢復到到平衡狀態，則稱系統是不穩定的。顯然，穩定性是一個閉環動態系統能夠正常工作的最基復到到平衡狀態，則稱系統是不穩定的。顯

15、然，穩定性是一個閉環動態系統能夠正常工作的最基本要求。本要求。l水輪機調節系統是一個閉環自動調節系統，由水輪機控制系統和被控制系統組成，它除了具有水輪機調節系統是一個閉環自動調節系統，由水輪機控制系統和被控制系統組成，它除了具有一般閉環控制系統的共性外，還有一些值得注意的特點一般閉環控制系統的共性外，還有一些值得注意的特點. . 一.水輪機調節的基本概念2.2.水輪機調節的任務水輪機調節的任務 在水輪機數字式在水輪機數字式( (微機微機) )電液調速器出現以前，水輪機調電液調速器出現以前，水輪機調速器的主要作用是根據偏離機組頻率速器的主要作用是根據偏離機組頻率( (轉速轉速) )額定值的偏差，

16、額定值的偏差，調節水輪機導葉和輪葉機構，維持機組水力功率與電力功率調節水輪機導葉和輪葉機構，維持機組水力功率與電力功率平衡，使機組頻率平衡，使機組頻率( (轉速轉速) )保持在額定頻率保持在額定頻率( (轉速轉速) )附近的允許附近的允許范圍之內。這時的水輪機調速器主要是一個機組頻率范圍之內。這時的水輪機調速器主要是一個機組頻率( (轉速轉速) )調節器。調節器。 現代水電廠和電力系統，對水輪機調速器的性能及功能現代水電廠和電力系統，對水輪機調速器的性能及功能提出了新的和更嚴格的要求。提出了新的和更嚴格的要求。 在數字式微機電液調速器發展、完善和廣泛應用的同時，水電廠自動發電控制在數字式微機電

17、液調速器發展、完善和廣泛應用的同時，水電廠自動發電控制(AGC)(AGC)系統、電網能量管理系統系統、電網能量管理系統(EMS)(EMS)也日趨成熟并進入實用化的階段；現代電力系統中，區也日趨成熟并進入實用化的階段；現代電力系統中，區域電網容量迅速加大，區域電網間聯網并要求進行交換功率控制；大中型和多數小型水域電網容量迅速加大，區域電網間聯網并要求進行交換功率控制；大中型和多數小型水輪發電機組均并入大的區域電網運行。在這種運行方式下，電網的負荷頻率控制輪發電機組均并入大的區域電網運行。在這種運行方式下，電網的負荷頻率控制(LFC)(LFC)是通過電網是通過電網AGCAGC系統和電廠系統和電廠A

18、GCAGC系統來控制水電機組的水輪機調速器及火電組的調速系統系統來控制水電機組的水輪機調速器及火電組的調速系統實現的。實現的。 當機組并入大電網運行時，水輪機調速器主要作為電網一次調頻當機組并入大電網運行時，水輪機調速器主要作為電網一次調頻/ /負荷控制器、電網負荷控制器、電網二次調頻和電網負荷頻率控制的功率控制器使用。二次調頻和電網負荷頻率控制的功率控制器使用。 因因而，現代水輪機調速器承擔的任務已不能僅僅用而，現代水輪機調速器承擔的任務已不能僅僅用“水輪機調節水輪機調節”來描述了，它除來描述了，它除了具有調節水輪發電機組頻率了具有調節水輪發電機組頻率( (轉速轉速) )的功能之外，還可以具

19、有功率控制、水位控制、流的功能之外，還可以具有功率控制、水位控制、流量控制、電網一次調頻、二次調頻和區域電網間交換功率控制量控制、電網一次調頻、二次調頻和區域電網間交換功率控制(TBC)(TBC)等附加的控制功能。等附加的控制功能。IECIEC關于水輪機調速器的技術規范導則關于水輪機調速器的技術規范導則(IEC61362(1998)(IEC61362(1998)和試驗和試驗(IEC60308(2005)(IEC60308(2005)中對中對水輪機調速器都是用水輪機調速器都是用“水輪機控制系統水輪機控制系統”來命名的；我國的水輪機調速器與油壓裝置的來命名的；我國的水輪機調速器與油壓裝置的國家標準

20、國家標準( (技術條件和試驗技術條件和試驗) )已經修訂，也將主題詞已經修訂，也將主題詞“水輪機調速器與油壓裝置水輪機調速器與油壓裝置”改為改為“水輪機控制系統水輪機控制系統”。一.水輪機調節的基本概念1). 1). 水輪機調速器作為被控制的水輪發電機組或其并入電網的頻率調節器：水輪機調速器作為被控制的水輪發電機組或其并入電網的頻率調節器： (1). (1). 在被控制的水輪發電機組空載工作狀態時作為機組頻率調節器在被控制的水輪發電機組空載工作狀態時作為機組頻率調節器 在被控制的水輪發電機組空載工作狀態時，水輪機調速器起作機組的頻率在被控制的水輪發電機組空載工作狀態時，水輪機調速器起作機組的頻

21、率調節器的作用，調節并維持機組頻率在額定頻率附近，跟蹤電網頻率，使被控調節器的作用，調節并維持機組頻率在額定頻率附近，跟蹤電網頻率，使被控機組能盡快同期、并入電網運行；機組能盡快同期、并入電網運行； (2). (2). 在被控制的水輪發電機組并入電網運行時，作為電網的頻率調節器：在被控制的水輪發電機組并入電網運行時，作為電網的頻率調節器： . . 被控制的水輪發電機組并入大電網運行，水輪機調速器根據電網規定完成被控制的水輪發電機組并入大電網運行，水輪機調速器根據電網規定完成電網一次調頻的任務；電網一次調頻的任務； . . 被控制的水輪發電機組單機帶負荷或在小電網中運行，水輪機調速器被控制的水輪

22、發電機組單機帶負荷或在小電網中運行，水輪機調速器的任務是調節控機組或小電網的頻率在額定頻率附近，盡量減小負荷突變時的的任務是調節控機組或小電網的頻率在額定頻率附近，盡量減小負荷突變時的動態頻率升高或降低，并加快不正常頻率向額定頻率恢復的速度；動態頻率升高或降低，并加快不正常頻率向額定頻率恢復的速度； . . 被控制的水輪發電機組甩負荷時，水輪機調速器調節被控制機組到空被控制的水輪發電機組甩負荷時，水輪機調速器調節被控制機組到空載狀態運行；載狀態運行； 一.水輪機調節的基本概念2). 2). 在被控制的水輪發電機組并入電網運行時，水輪機調速器作為在被控制的水輪發電機組并入電網運行時，水輪機調速器

23、作為被控機組的功率調節器：被控機組的功率調節器： 在被控制的水輪發電機組并入電網運行時，水輪機調速器接收并完成完成電網調度下達的機組給定功率的指令，調節水輪機組有功功率，滿足電網二次調頻的要求；3). 3). 水輪機調速器作為被控制機組的工況控制器水輪機調速器作為被控制機組的工況控制器 在水電站計算機監控系統等的統一控制下，協調完成被控制機組的開機、停機、增加或減小負荷、甩負荷，調相和緊急停機等工作狀態及過程的控制任務。一.水輪機調節的基本概念一.水輪機調節的基本概念3.水輪機調節系統的特點1).1).水流慣性水流慣性：水輪機過水管道存在著水流慣性，通常用水流慣性時間常數水輪機過水管道存在著水

24、流慣性，通常用水流慣性時間常數T Tw w來表述：來表述：水流慣性時間常數水流慣性時間常數 (Water inertia time constant) (Water inertia time constant)是在額定工況下的表征過水管道中是在額定工況下的表征過水管道中水流慣性的特征時間。水流慣性的特征時間。(1).(1).水流慣性時間常數水流慣性時間常數T Tw w的物理概念是：在額定水頭的物理概念是：在額定水頭H Hr r作用下，過水管道內的流量作用下，過水管道內的流量Q Q由由0 0加加大至額定流量大至額定流量Q Qr r所需要的時間。所需要的時間。(2).(2).從自動控制理論的觀點來

25、看，過水管道水流慣性使得水輪機調節系統成為一個非最小相位系統；從自動控制理論的觀點來看，過水管道水流慣性使得水輪機調節系統成為一個非最小相位系統；(3).(3).在動態過程中，當水輪機導葉關閉時，調節目標是減小水輪機力矩，但是由于引水系統水流減在動態過程中，當水輪機導葉關閉時，調節目標是減小水輪機力矩，但是由于引水系統水流減速、水流動能轉變為勢能、水輪機工作壓力短時上升，而導致水輪機力矩有短時段的增大；反之，速、水流動能轉變為勢能、水輪機工作壓力短時上升，而導致水輪機力矩有短時段的增大；反之，當水輪機導葉開啟時，調節目標是增大水輪機力矩，但是由于引水系統水流加速而導致水輪機壓當水輪機導葉開啟時

26、，調節目標是增大水輪機力矩，但是由于引水系統水流加速而導致水輪機壓力有短時段的降低，導致水輪機力矩有短時段的減小。所以，當水輪機導葉開啟或關閉時，都會力有短時段的降低，導致水輪機力矩有短時段的減小。所以，當水輪機導葉開啟或關閉時，都會產生與控制目標相反的逆向調節。隨著水輪機導葉開啟或關閉速度的增大，動態過程中的逆向調產生與控制目標相反的逆向調節。隨著水輪機導葉開啟或關閉速度的增大，動態過程中的逆向調節增強，對系統的動態穩定和響應特性會帶來十分不的影響。通常所說的水錘效應（或水擊效應）節增強，對系統的動態穩定和響應特性會帶來十分不的影響。通常所說的水錘效應（或水擊效應）就是對這種水流慣性的一種形

27、象的表述。就是對這種水流慣性的一種形象的表述。 l vT wgh= 一.水輪機調節的基本概念水流慣性時間常數水流慣性時間常數T Tw w表達式為：表達式為： 式中：式中：AA每段過水管道的截面積（每段過水管道的截面積（m m2 2）；）；LL相應每段相應每段 過水管道的過水管道的長度（長度（m m）；）；vv相應每段過水管道內的流速（相應每段過水管道內的流速（m/sm/s）；）；gg重力加速度（重力加速度（m/sm/s2 2）；）；T Tw w水流慣性時間常數（水流慣性時間常數（s s）。）。 從自動控制理論的觀點來看，過水管道水流慣性使得水輪機調節從自動控制理論的觀點來看，過水管道水流慣性使

28、得水輪機調節系統成為一個非最小相位系統，對系統的動態穩定和響應特性會帶來系統成為一個非最小相位系統，對系統的動態穩定和響應特性會帶來十分不利的影響。通常所說的水錘效應（或水擊效應）就是對這種水十分不利的影響。通常所說的水錘效應（或水擊效應）就是對這種水流慣性的一種形象的表述。流慣性的一種形象的表述。 水流慣性時間常數水流慣性時間常數T Tw w的物理概念是：在額定水頭的物理概念是：在額定水頭H Hr r作用下，過水作用下，過水管道內的流量管道內的流量Q Q由由0 0加大至額定流量加大至額定流量Q Qr r所需要的時間。所需要的時間。gHLvALgHQTrrw一.水輪機調節的基本概念2).2).

29、機械慣性：機械慣性： 機組慣性時間常數機組慣性時間常數 (Unit inertia time constant, unit (Unit inertia time constant, unit acceleration constant)acceleration constant)是機組在額定轉速時的動量矩與額定轉矩之比。是機組在額定轉速時的動量矩與額定轉矩之比。式中：式中： 額定轉速時機組的慣性矩（額定轉速時機組的慣性矩（kgmkgm2 2）；）；M Mr r機組額定轉矩（機組額定轉矩（NmNm）；）；GDGD2 2機組飛輪力矩（機組飛輪力矩（kNmkNm2 2）；）；n nr r機組額定轉速

30、（機組額定轉速（r/minr/min）；）；P Pr r機組額定功率（機組額定功率（kWkW）；）；T Ta a機組慣性時間常數（機組慣性時間常數（s s）。）。(1).(1).機組慣性時間常數機組慣性時間常數T Ta a的物理概念是：在額定力矩的物理概念是：在額定力矩M Mr r作用下，機組轉速作用下，機組轉速n n由由0 0上升額定轉速上升額定轉速n nr r所需所需要的時間；這使得對于一個階躍輸入信號，機組轉速的動態過程有明顯的慣性特性，其轉速呈要的時間；這使得對于一個階躍輸入信號，機組轉速的動態過程有明顯的慣性特性，其轉速呈指數曲線規律變化；從手動快速開啟或關閉水輪機導水機構一個開度開

31、始，至機組轉速到達變指數曲線規律變化；從手動快速開啟或關閉水輪機導水機構一個開度開始，至機組轉速到達變化差值化差值95%95%的時間為的時間為3 T3 Ta a，至機組轉速到達變化差值，至機組轉速到達變化差值98%98%的時間為的時間為4T4Ta a；例如，；例如，T Ta a =10s =10s，則轉速，則轉速到達變化差值到達變化差值95%95%的時間的時間t t0.950.9530s30s，到達變化差值，到達變化差值98%98%的時間的時間t t0.980.9840s40s。(2).(2).水輪發電機組的這種慣性特性，一方面使得動態過程緩慢，另一方面又使得水輪機調節系統系水輪發電機組的這種

32、慣性特性，一方面使得動態過程緩慢，另一方面又使得水輪機調節系統系統容易產生振蕩和超調。統容易產生振蕩和超調。(3).(3).機組慣性時間常數機組慣性時間常數T Ta a也可以用下式表示：也可以用下式表示： 式中：式中： GD GD2 2機組飛輪力矩機組飛輪力矩TmTm2 2；其余參數單位同上。；其余參數單位同上。(4).(4).機組并入電網運行，發電機負載也有慣性特性：負載慣性時間常數機組并入電網運行，發電機負載也有慣性特性：負載慣性時間常數(Load inertiatime (Load inertiatime constant)-constant)-由電網引起的動量矩與額定轉矩之比。由電網引

33、起的動量矩與額定轉矩之比。T Tb b，ss。223580rrG DnT ap=r22rarr365JGDnTMP機組慣性時間常數機組慣性時間常數T Ta a表達式為：表達式為： 式中：式中： 額定轉速時機組的慣性矩（額定轉速時機組的慣性矩（kgmkgm2 2）；）；M Mr r機組額定轉矩機組額定轉矩（NmNm）；）；GDGD2 2機組飛輪力矩機組飛輪力矩kNmkNm2 2）；）；n nr r機組額定轉速（機組額定轉速（r/minr/min）；）；P Pr r機組額定功率（機組額定功率（kWkW）；）；T Ta a機組慣性時間常數（機組慣性時間常數（s s）。）。 機組慣性時間常數機組慣性時

34、間常數T Ta a的物理概念是：在額定力矩的物理概念是：在額定力矩M Mr r作用下，機組轉速作用下，機組轉速n n由由0 0上升至額定轉速上升至額定轉速n nr r所需要的時間。所需要的時間。 也可以用下式表示也可以用下式表示: : 式中：式中： GD GD2 2機組飛輪力矩機組飛輪力矩TmTm2 2）；其余參數單位同上）；其余參數單位同上. .一.水輪機調節的基本概念r2r2ra3580rPnGDMJTr22rarr365JGDnTMP一.水輪機調節的基本概念3).3).系統具有復雜的、非線性特性：系統具有復雜的、非線性特性：水輪機調節系統是一個復雜的、非線性控制系統水輪機調節系統是一個復

35、雜的、非線性控制系統: : (1). (1). 水輪機型式多種多樣：混流式、軸流定槳式、軸流轉槳式、貫流式、水輪機型式多種多樣：混流式、軸流定槳式、軸流轉槳式、貫流式、沖擊式、水泵沖擊式、水泵/ /水輪機式等，因而不同被控制系統之間的特性和控制功能要水輪機式等，因而不同被控制系統之間的特性和控制功能要求是有很大差異的；求是有很大差異的； (2). (2). 對于同一個水輪發電機組來說，在不同運行水頭和不同的水輪機導葉對于同一個水輪發電機組來說，在不同運行水頭和不同的水輪機導葉開度時的靜態及動態特性也是不同的，體現出水輪機特性具有非線性的特開度時的靜態及動態特性也是不同的，體現出水輪機特性具有非

36、線性的特征；征；(3). (3). 水輪發電機組有多種工作狀態：機組開機、機組停機、同期并網前和水輪發電機組有多種工作狀態：機組開機、機組停機、同期并網前和從電網解列后的空載、孤立電網運行、以轉速控制和功率控制并列于大電網從電網解列后的空載、孤立電網運行、以轉速控制和功率控制并列于大電網運行、水位和運行、水位和/ /或流量控制等，在不同的工況下，對水輪機調速器的要求也或流量控制等，在不同的工況下，對水輪機調速器的要求也是相差很大的。是相差很大的。一.水輪機調節的基本概念4).4).要求水輪機調速器具有高可靠性和大的接力器操作力：要求水輪機調速器具有高可靠性和大的接力器操作力： 為了水輪發電機組

37、和電網的安全運行，要求水輪機調速器為了水輪發電機組和電網的安全運行，要求水輪機調速器具有高可靠性，因此水輪機調速器必需在其工作電源消失，具有高可靠性，因此水輪機調速器必需在其工作電源消失，仍然能靠儲存的能源可靠地關閉水輪機導水機構仍然能靠儲存的能源可靠地關閉水輪機導水機構, ,以保證以保證機組安全；此外，水輪機控制設備是通過接力器來操作水輪機組安全；此外，水輪機控制設備是通過接力器來操作水輪機導水機構和輪葉機構的，這種調節需要很大的動力，因機導水機構和輪葉機構的，這種調節需要很大的動力，因此，絕大多數水輪機調速器必需采用機械液壓執行機構，并此，絕大多數水輪機調速器必需采用機械液壓執行機構，并且

38、采用能儲存能源的壓力罐提供工作油源。且采用能儲存能源的壓力罐提供工作油源。l手動水輪機調節手動水輪機調節 在水輪機調節的初期，水輪發電機組的轉速控制是由操作人員手動控制完成的。經在水輪機調節的初期，水輪發電機組的轉速控制是由操作人員手動控制完成的。經過長期對被控制系統特性的認識和手動控制經驗的總結，隨著機械技術、液壓技術、過長期對被控制系統特性的認識和手動控制經驗的總結，隨著機械技術、液壓技術、電氣技術、計算機技術、自動控制技術等的出現及應用，才逐步使水輪機調節系統成電氣技術、計算機技術、自動控制技術等的出現及應用，才逐步使水輪機調節系統成為當今的水輪機閉環自動調節系統；即使在現在，手動控制仍

39、然是水輪機調節系統的為當今的水輪機閉環自動調節系統；即使在現在，手動控制仍然是水輪機調節系統的一種必備的操作方式。所以了解水電站值班人員手動控制水輪機組的轉速的基本方法，一種必備的操作方式。所以了解水電站值班人員手動控制水輪機組的轉速的基本方法，有利于形象地了解水輪機調節系統的基本工作原理的，也有利于形象地了解比例有利于形象地了解水輪機調節系統的基本工作原理的，也有利于形象地了解比例- -積分積分- -微分微分(PID)(PID)調節規律對于水輪機調節系統動態特性的作用。調節規律對于水輪機調節系統動態特性的作用。 手動控制的基本原則是：進行手動水輪機調節時，最基本的參數是水輪發電機組的手動控制

40、的基本原則是：進行手動水輪機調節時，最基本的參數是水輪發電機組的頻率頻率( (或轉速或轉速) )，運行人員必須監視被控制的水輪發電機組的頻率或電網的頻率。當頻，運行人員必須監視被控制的水輪發電機組的頻率或電網的頻率。當頻率大于或小于率大于或小于50Hz50Hz時，則相應地關閉或開啟水輪機導水機構，使頻率回復到時，則相應地關閉或開啟水輪機導水機構，使頻率回復到50Hz50Hz左右左右的一個允許的范圍內。的一個允許的范圍內。 由于被控機組具有水輪機過水管道的水流慣性和水輪發電機組的機械慣性，因此在由于被控機組具有水輪機過水管道的水流慣性和水輪發電機組的機械慣性，因此在手動調節時運行人員必須掌握下列

41、操作原則：手動調節時運行人員必須掌握下列操作原則：一.水輪機調節的基本概念比例操作比例操作輸出與輸入成比例，及時反映偏差，與時間無關；操作導水機構的幅度和速輸出與輸入成比例，及時反映偏差，與時間無關；操作導水機構的幅度和速度應近似比例于機組轉速（頻率）對額定轉速（度應近似比例于機組轉速（頻率）對額定轉速（50Hz50Hz）的偏差。例如：機組頻率若）的偏差。例如：機組頻率若為為51Hz51Hz和和54Hz54Hz，雖然它們均大于，雖然它們均大于50Hz50Hz，但針對前者，關閉導水機構的幅度可小一點、，但針對前者，關閉導水機構的幅度可小一點、速度可慢一點；而對后者，則幅度要大一點、速度要快一點。

42、速度可慢一點；而對后者，則幅度要大一點、速度要快一點。超前操作超前操作輸出與輸入的變化速度成比例，反映偏差的變化率，與時間有關；操作中不輸出與輸入的變化速度成比例，反映偏差的變化率，與時間有關；操作中不僅要密切觀察機組轉速（頻率）偏離額定值的情況，而且要注意機組轉速（頻率）僅要密切觀察機組轉速（頻率）偏離額定值的情況，而且要注意機組轉速（頻率）向額定值回復的速度。例如：當機組頻率由向額定值回復的速度。例如：當機組頻率由54Hz54Hz以較快的速度下降到以較快的速度下降到51Hz51Hz時，雖然時，雖然它仍然大于它仍然大于50Hz50Hz，但此時不應繼續關閉導水機構，而應使導水機構稍開啟一點。只

43、，但此時不應繼續關閉導水機構，而應使導水機構稍開啟一點。只有這樣才有可能使機組轉速（頻率）較快地回復到額定值附近。這種針對水流慣性有這樣才有可能使機組轉速（頻率）較快地回復到額定值附近。這種針對水流慣性和機組慣性而采取的超前操作原則被形象地稱之為和機組慣性而采取的超前操作原則被形象地稱之為“提前剎車提前剎車”。積分操作積分操作輸出等于輸入的累加，與時間有關；只有輸入為零，輸出才保持常數；在手輸出等于輸入的累加，與時間有關；只有輸入為零，輸出才保持常數；在手動操作中，當機組轉速（頻率）已接近額定值的情況時，操作者就應該密切觀察機動操作中，當機組轉速（頻率）已接近額定值的情況時，操作者就應該密切觀

44、察機組轉速（頻率）與額定轉速的偏差，緩慢地、微量地開啟或關閉，直到機組轉速組轉速（頻率）與額定轉速的偏差，緩慢地、微量地開啟或關閉，直到機組轉速（頻率）到達額定轉速時為止，這就是微量、精確調節。（頻率）到達額定轉速時為止，這就是微量、精確調節。 一.水輪機調節的基本概念一.水輪機調節的基本概念4.水輪機調速器(水輪機控制系統) 調速器調速器 governor: governor:由實現水輪機調節及相應控制的機構和由實現水輪機調節及相應控制的機構和指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱。指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱。 機械液壓調速器機械液壓調速器 mechanical hydraulic

45、governor: mechanical hydraulic governor: 測測速、穩定及反饋信號用機械方法產生，經機械綜合后通過液壓速、穩定及反饋信號用機械方法產生，經機械綜合后通過液壓放大部分實現驅動水輪機接力器的調速器。放大部分實現驅動水輪機接力器的調速器。 電電( (氣氣) )液液( (壓壓) )調速器調速器 electric-hydraulic governor: electric-hydraulic governor:檢檢測被控參量、穩定及反饋信號用電氣方法產生，經電氣綜合、測被控參量、穩定及反饋信號用電氣方法產生，經電氣綜合、放大后通過電氣轉換和液壓放大系統實現驅動水輪機接

46、力器的放大后通過電氣轉換和液壓放大系統實現驅動水輪機接力器的調速器。調速器。 微機調速器微機調速器 micro-computer based governor: micro-computer based governor: 以工業級以工業級微機為核心進行測量、變換與處理的電液調速器。微機為核心進行測量、變換與處理的電液調速器。 有差調節有差調節 difference regulation, deviation difference regulation, deviation regulation:regulation:水輪機控制系統處于自動調節狀態下，永態水輪機控制系統處于自動調節狀態下，永態

47、差值系數差值系數b bp p00的調節方式。的調節方式。 無差調節無差調節 no-difference regulation, no- no-difference regulation, no-deviation regulation:deviation regulation:水輪機控制系統處于自動調節狀水輪機控制系統處于自動調節狀態下，永態差值系數態下，永態差值系數b bp p=0=0的調節方式。的調節方式。 隨動系統隨動系統 servo-system: servo-system:自動跟蹤控制裝置輸出，并自動跟蹤控制裝置輸出，并轉換、放大的位置反饋控制系統。轉換、放大的位置反饋控制系統。一.

48、水輪機調節的基本概念一.水輪機調節的基本概念 雙調整調速器雙調整調速器 double regulating governor: double regulating governor:實現轉槳式實現轉槳式 沖擊式沖擊式 水輪機導葉水輪機導葉 噴針噴針 及轉輪葉片及轉輪葉片 折向器折向器/ /偏流器偏流器 雙重雙重調整的調速器。調整的調速器。 通流式調速器通流式調速器 governor without pressure tank, through governor without pressure tank, through flow type governor:flow type governo

49、r:由油泵直接向水輪機控制系統供油的調速由油泵直接向水輪機控制系統供油的調速器。器。 壓力罐式調速器壓力罐式調速器 governor with pressure tank: governor with pressure tank:由壓力罐由壓力罐向水輪機控制系統供油的調速器。向水輪機控制系統供油的調速器。 操作器操作器 position operator, gate operator: position operator, gate operator:不對機組施加不對機組施加自動調節作用，僅能實現機組啟動、停機，并網后能使機組自動調節作用，僅能實現機組啟動、停機，并網后能使機組帶上預定負荷，以

50、及接受事故信號后能使機組自動停機的裝帶上預定負荷，以及接受事故信號后能使機組自動停機的裝置。置。 電子負荷調節器電子負荷調節器 electronic load controller: electronic load controller:利用電子電利用電子電路組成的能耗式調速器。路組成的能耗式調速器。 電動機調速器電動機調速器 governor with motor driven gate governor with motor driven gate operator:operator:用電動機經減速裝置來控制水輪機導水機構的調速用電動機經減速裝置來控制水輪機導水機構的調速器。器。 油壓裝置

51、油壓裝置 oil pressure supply unit: oil pressure supply unit:能提供液壓能的裝置。能提供液壓能的裝置。一.水輪機調節的基本概念一.水輪機調節的基本概念 fn 電網 頻率 Kf fc 頻率 給定 + Fn Fc Pg 機組 功率 yc 開度 給定 Ky Pc 功率 給定 Pg Yc Pc F Ef F KP KDS 1+T1vS G KI G S G I bp/ep Ey/P + L A1 D/A DRI PWM BUS Yc/Pc Y/P1 Y/P Y/P1 + + 比例(P) 微分(D) 積分(I) YP YD YI + + + YPID 電

52、氣 開限 綜合 放大 輸出環節 永態差 值環節 人工開 度/功率 死區 人工頻率死區 功率測量 開環增量 P=f(y) (u/N)ga yga、yru y1 h Pg 接力器行程 中間接力器行程 水頭 機組功率 Pg 人工設定水頭 Kf Kpg Kpg + A/D DI BUS 輸入環節 fg1 殘壓 機頻 Kf fg2 齒盤 機頻 Fg1 Fg2 Kf 一.水輪機調節的基本概念幾種常見的控制系統：幾種常見的控制系統：雙比例伺服閥系統雙比例伺服閥系統交流伺服電機自復中系統交流伺服電機自復中系統步進電機伺服缸系統步進電機伺服缸系統比例伺服閥自復中系統比例伺服閥自復中系統雙比例伺服閥雙比例伺服閥(

53、FC閥閥)機械手動機械手動/自復中系統自復中系統雙比例伺服閥機械手動雙比例伺服閥機械手動/自復中系統自復中系統一.水輪機調節的基本概念5.水輪機微機調速器的結構框圖 微機調節器 電/機轉換裝置 機械液壓系統 水輪機微機調速器的總體框圖水輪機微機調速器的總體框圖一.水輪機調節的基本概念水輪機單調整大型數字式電液調速器機械液壓系統典型框圖水輪機單調整大型數字式電液調速器機械液壓系統典型框圖 微機調節器電/機轉換裝置機械開限/手動裝置緊急停機電磁閥手動緊急停機閥主配壓閥事故配壓閥導葉分段關閉裝置接力器機組頻率油壓裝置一.水輪機調節的基本概念6.控制功能1).1).水輪機微機調速器的工作狀態水輪機微機

54、調速器的工作狀態 根據水輪機微機調速器對水輪發電機根據水輪機微機調速器對水輪發電機組的調節與控制情況，可將水輪機微機調組的調節與控制情況，可將水輪機微機調速器的工作分成幾個狀態速器的工作分成幾個狀態停機等待停機等待（TJDDTJDD）、開機（）、開機（KJKJ）、空載（）、空載（KZKZ）、負）、負載（載（FZFZ）、調相（）、調相（TXTX）、甩負荷（）、甩負荷（SFHSFH）和停機（和停機（TJTJ）。）。 一.水輪機調節的基本概念1).1).水輪機微機調速器的工作狀態水輪機微機調速器的工作狀態 工作狀態轉換：工作狀態轉換：微機調速器工作狀態轉換圖微機調速器工作狀態轉換圖一.水輪機調節的基

55、本概念 2). 2).運行方式：運行方式： 自動自動/ /手動手動 (1). (1). 微機調速器的自動運行方式微機調速器的自動運行方式 在自動運行方式下，水輪機微機調速器的閉環自動調節、被控機在自動運行方式下，水輪機微機調速器的閉環自動調節、被控機組負荷的增加組負荷的增加/ /減少、調節模式的選擇及切換、運行人員對調速器的監減少、調節模式的選擇及切換、運行人員對調速器的監視和操作等，都是由微機調節器自動實現或完成的。視和操作等，都是由微機調節器自動實現或完成的。 在調速器總體結構中，其機械液壓系統，不論是前面討論的在調速器總體結構中，其機械液壓系統，不論是前面討論的“電液電液隨動系統隨動系統

56、”，還是，還是“電液執行機構電液執行機構”，都是根據微機調節器程序運算結，都是根據微機調節器程序運算結果，通過電果，通過電/ /機轉換裝置，最終實現主接力器行程機轉換裝置，最終實現主接力器行程YgaYga對微機調節器中對微機調節器中Y YPIDPID的成比例跟隨的。在一般情況下，機械液壓開度限制機構（如果的成比例跟隨的。在一般情況下，機械液壓開度限制機構（如果它有這個機構的話）應置于全開或允許的最大開度位置。由機械液壓它有這個機構的話）應置于全開或允許的最大開度位置。由機械液壓開度限制機構所構成的機械液壓手動運行機構此時應處于開度限制機構所構成的機械液壓手動運行機構此時應處于“浮空浮空”和不和

57、不起作用的狀態。起作用的狀態。一.水輪機調節的基本概念 2). 2).運行方式：運行方式： 自動自動/ /手動手動 (2). (2). 微機調速器的機械液壓手動運行方式微機調速器的機械液壓手動運行方式 在這種手動運行方式下，微機調節器已不再對機械液壓系統起閉在這種手動運行方式下，微機調節器已不再對機械液壓系統起閉環調節和控制作用了。調速器完全依靠機械液壓手動機構（一般是通環調節和控制作用了。調速器完全依靠機械液壓手動機構（一般是通過機械液壓開度限制機構）來實現對機組的控制。過機械液壓開度限制機構）來實現對機組的控制。 現在生產的現在生產的PLCPLC水輪機微機調速器大多具備微機調節器對調速器的

58、水輪機微機調速器大多具備微機調節器對調速器的手動狀態進行跟蹤的能力。這個跟蹤功能的特點如下：手動狀態進行跟蹤的能力。這個跟蹤功能的特點如下： 實時讀入導葉接力器實際行程所對應的實時讀入導葉接力器實際行程所對應的yfyf值，并使值，并使PIDPID運算中運算中的開度給定的開度給定yc= yfyc= yf，從而使結構框圖的積分輸入項為零值。，從而使結構框圖的積分輸入項為零值。 根據根據yc= yfyc= yf，對，對PIDPID調節程序中的有關量賦以合適的值，此時調節程序中的有關量賦以合適的值，此時YPIDYPID值與實際的值與實際的yfyf值相當。值相當。 一.水輪機調節的基本概念 2). 2)

59、.運行方式：運行方式： 自動自動/ /手動手動 (2). (2). 微機調速器的機械液壓手動運行方式微機調速器的機械液壓手動運行方式 根據這個特點，當微機調速器由手動運行方式切換至自根據這個特點，當微機調速器由手動運行方式切換至自動運行方式時，微機調速器就可以可靠地實現無擾動、平滑動運行方式時，微機調速器就可以可靠地實現無擾動、平滑切換。當然，在切至自動運行方式后，應將機械液壓開度限切換。當然，在切至自動運行方式后，應將機械液壓開度限制機構開啟至最大開度。制機構開啟至最大開度。 有的微機調節器具備的上電跟蹤功能，也是基于上述原有的微機調節器具備的上電跟蹤功能，也是基于上述原理設計的：當重新接通

60、微機調節器電源時，微機調節器在一理設計的：當重新接通微機調節器電源時，微機調節器在一段時間內（例如，段時間內（例如，1s1s）不對電液隨動系統進行控制；在這段）不對電液隨動系統進行控制；在這段時間內，它讀入接力器實際行程值，并做上述手動跟蹤時類時間內，它讀入接力器實際行程值，并做上述手動跟蹤時類似的處理；到達所設置的時間后，微機調節器投入工作。似的處理；到達所設置的時間后，微機調節器投入工作。 一.水輪機調節的基本概念 3). 3).故障診斷：故障診斷： 從從2020世紀世紀9090年代初開始，年代初開始，PLCPLC水輪機微機調速水輪機微機調速器就具備下列故障診斷功能器就具備下列故障診斷功能: :