水轮机调节控制系统

第一章 调速系统基础知识

1.水轮机调节的根本任务

水轮发电机组把水能转化为电能供用户使用。用户除要求供电安全可靠外，还要求电能 的频率和电压保持在额定值附近的某范围内。频率偏离额定值过大对用户不利，可能使用户的产品质量降低。按规定：系统频率应保持在50HZ，其偏差不得超过±0.5HZ：对于大容量系统，频率的偏差不得超过±0.2HZ。此外，还应保持电钟指示与标准时间的偏差在任何时候不大于1分钟；对于大容量系统，不得大于30秒。同时，电力系统的负荷是不断变化的，存在周期为几秒至几十分钟的负荷波动，这种不可预见的负荷波动幅值可达电力系统总容量的2~3%。此外，一天之内系统负荷有早、晚两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可预见的。电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动。因此，必须根据负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组的转速（频率）在规定范围内。这就是水轮机调节的根本任务。

2.实现水轮机调节的途径

通过什么方法与途径完成“水轮机调节”的基本任务呢？为简明起见，仅对一台水轮发电机组带负荷的情况进行讨论。如图示是水轮发电机组示意图。

水轮发电机组示意图

水轮发电机转动部分是一个围绕固定轴线做旋转运动的刚体，它的运动可由下列方程描述：

式中J ----机组惯性矩；

ω---角速度，ω=πn/30（n为机组转速）； t M ---水轮机动力矩；

t g d ω

J

=M -M dt

g M ---水轮机阻力矩。

水轮机动力矩由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于：水头H，导叶开度a （流量Q），机组转速等。

由上式可见，实现水轮机调节的途径就是改变水轮机导叶的开度。 3.水轮机调节的特点

? 水轮机调节具有以下特点：

? 决定机组出力最基本的因素是水头和流量；

? 具有两套调节机构的水轮机，在对它们进行调节时，为了达到某种预期的目的，在两

套机构之间设有相应的协联机构。

? 当导叶启闭时由水流的惯性所产生的水击作用通常是与导水机构的调节作用是相反

的。

4. 水轮机调节常见的几个术语和概念

为了便于理解，在这里我先给大家讲一下水轮机调节常见的几个术语和概念。 4.1常见的几个术语

① 调节对象：被控制设备的统称，在水轮机自动调节中，它包括水轮发电机组、引水系统和电网。

② 调速器：用于调节和控制水轮发电机转速的设备。其中自动调节转速的部分称为“自动调速系统”，而在分析水轮机自动调节系统中，人们习惯称之为调速器。 ③ 水轮机自动调节系统：由调节对象和调速器的自动调速系统所构成的自动调节系统。 ④ 被调节参数：力图控制在指定范围的参数。对水轮机自动调节系统而言是机组转速n 即角速度ω。

⑤ 给定值：指定的某参数或其变化范围。

⑥ 扰动：所有使被调节参数偏离给定值的因素均称为扰动。在研究水轮机自动调节的动态特性中，常采用阶跃扰动，即扰动一旦作用于该系统便保持为某一常量。

⑦ 环节：构成系统的最基本单元。 4.2水轮机自动调节系统的动特性

水轮机自动调节系统受到一定的扰动后，在调节过程中，机组转速（频率）随时间的变

t M

ω=γQH ηt γQH η

M =

ω

0Q =f(a )

化过程称为动特性。动特性包括以下两方面的内容。

① 稳定性：系统受阶跃扰动作用后，不论扰动是否撤消，经过调节后，只要机组转速的波动幅度进入所规定值，也不论最后的转速大小，均称之为“稳定”。

② 过渡过程品质：对水轮机自动调节除了应保证稳定性外，还要求有良好的过渡品质。过渡品质有以下三项指标。

⑴ 调节时间Tp

由动（转速给定值突变）开始，到不超过机组转速摆动规定值为止的调节时间。 ⑵ 超调量

式中： max n +为第一个转速波峰值与新给定转速之差；

0n +为转速给定变化幅值。

⑶ 振荡次数Z

通常称调节时间内出现的正、负波峰个数的一半为振荡次数。

一个好的过渡品质总是表现出调节时间短、超调量小、振荡次数少的特征。 4.3水轮机调节系统的静特性

水轮机自动调节系统的静特性通常是指在稳定平衡状态下，被调节参数——机组转速与出力之间的关系，可表达为： N=f(N)

式中：n为机组转速，N为机组出力。

对转速不随机组出力而变的静特性称为无差静特性；对转速随机组出力而变的静特性称为有差静特性。在有差静特性中机组的转速随出力的增加而减小并与出力近似成线

性关系。

有差静特性

max 0

100%

n n σ=×++

无差静特性

⑴调节系统（机组）的调差率；

式中：p e 为水轮机调节系统（机组）的调差率；

r n 为机组额定转速；

max n 机组出力为零时（空载开度）的转速；

min n 机组出力为额定值时的转速。

调差率p e 用百分数表达，并规定机组出力由小至大而机组转速由大到小时符号为正。机组调差率p e 表达了机组出力由零增加到额定值时机组转速变化的相对值。

⑵永态转差系数

式中：

r n 为飞摆的额定转速；

max n 调速系统稳定在全关位置时所对应的飞摆转速；

min n 调速系统稳定在全开位置时所对应的飞摆转速。

可见永态转差系数p b 表达了调速系统在硬反馈的作用下，接力器稳定在全关和全开位置时飞摆的相对转速之差。 4.4 转速死区

接力器位移不变化而机组转速发生变化的这一范围称为调节系统的转速死区。

转速的存在导致调节系统动作不灵敏，不仅会影响到调节系统的动态品质，还会加大机组之负荷分配误差。

100%max min

p r

n n e n ?=

×100%

max min p r n n b n ?=×12

100%x r

n n i n ?=

×

4.5 人工失灵区

在微机调速器中，为了改善调速系统的稳定性，人为加入的频率变化而出力不变的区域称为人工失灵区。

5. 调速系统中的几个典型环节

① 比例环节（Proportional）

输出量每一瞬间都与输入量成正比的环节称为比例环节。其数学模型表达式如下：

比例环节的阶跃响应

② 积分环节（Integral）

输出量与输入量的积分成正比的环节称为积分环节。配压阀与接力器组成的液压放大元件是

最常见的积分环节。其数学模型如下：

积分环节的阶跃响应

③微分环节（Differential）

输出量与输入量的变化率（随时间）成正比，这样的环节称为微分环节。自动调节系统常利用微分环节的特点，即微分环节的输出量可以反映输入量的变化速度来实

2111

i

x k x dt x dt T ==∫∫21x kx =

现提前调节，而且选用不同的Td值，能够实现不同程度的提前调节作用，以克服调节对象在扰动后反应的迟延。其数学模型如下：

微分环节的阶跃响应

6 水轮机调速器的概念及分类 6.1 水轮机调速器的概念

水轮机调节是通过水轮机调节系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统（如图1-1）。

通常把调节控制器和液压随动系统统称为水轮机调速器，水轮机调速器作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站的重要基础控制设备。自1901 年水轮机调速器问世以来，水轮机调速器先后经历了三代的发展：

? 水压放大、油压放大式的机械液压调速器（20 世纪初-20 世纪50 年代） ? 模拟电路加液压随动系统构成的电液调速器（20 世纪50 年代-20 世纪80 年代） ? 微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器（20 世纪80 年代至今）。

由于机械液压调速器、电液调速器存在调节精度低、故障率高等缺点，已经基本被市场所淘汰。随着微机应用技术的飞速发展，以微机构成的微机调速器具有调节精度高、可靠性高等优势，微机调速器已经成为当今水轮机调速器的主流。

将微机技术应用于水轮机调速器构成微机调速器，先后采用单板机、单片机、工业控制机（IPC）和可编程控制器（PLC）作为硬件平台。可编程控制器（PLC）以其高可靠性、高抗

11

2d

t t

dx dx x k T d d ==

干扰能力、比单板机单片机更好的性能和比工业控制机（IPC）更低的价格成为当前水轮机调速器主机硬件平台的首选。

6.2 调速器分类

水轮机调速器的分类方法较多，例如按调节规律可分为PI和PID调速器等。在满足使用要求的前提下，应尽量减少调速器品种规格，逐步标准化，便于制造，便于应用。我国水轮机调速器国家型谱按调速功的大小分为小型调速器、中型调速器、大型调速器等。

思考题：

1. 水轮机调节的根本任务是什么？

2.实现水轮机调节的途径是什么？

3.水轮机调节有什么特点？

4.什么是调速器？

5.什么是水轮机自动调节系统的动特性？

6.衡量过渡品质的三个指标是什么？

7.什么是水轮机自动调节系统的静特性？

8.什么是机组调差率p e？

9.什么是永态转差系数bp?

10.什么是人工失灵区？