《水轮机调节》第一次作业
水轮机控制工程第一章水轮机调节的基本概念
y
– 永态差值装置
转速调
nc 整机构
1
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
图 1-2 机械液压调速器结构方块图 1
② 中间接力器反馈、取速度信号、有暂态反馈的 PI（比例-积分）调速器（图 1-3）。
机组 ng 转速
飞摆 1
转速调
nc 整机构
1
引导阀 辅助接力器
–
1
+–
TyS
– 永态差值装置
bp
缓冲装置 btTdS 1+TdS
Mt——水轮机转矩（N·m）；
Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。
式（1-1）清楚地表明，机组转速(频率)保持恒值的条件是 d dt
0 ，即要求 M t
ห้องสมุดไป่ตู้
Mg
，
否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值升高或降低，从而出现转速(频率)偏差。
水轮机转矩
Mt
QH t
（1-2）
式中：
Q——通过水轮机的流量（m3/s）；
水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监 控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调 速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。
第二节 水轮机调节系统
一、水轮机调节系统的结构
水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、 引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统中的被 控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按 一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备（系统）。水轮机 调速器则是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。
水轮机调节
2、水轮机调节原理 调节流量的途径：
反击式：通过改变(gǎibiàn)导叶开度a0 ，ZZ：同时改 变(gǎibiàn)叶片转角
冲击式：通过改变(gǎibiàn)喷嘴开度（针阀行程）。 水轮机调节的定义：
随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变 (gǎibiàn)导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并 保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。
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（3）电液转换器（步进电机）结构原理及 作用
电液转换器的作用是将电气部分信号输出 的综合信号，转换成具有一定操作(cāozuò) 力的机械位移信号或具有一定压力的流量信 号。
电液转换器有电气位移转换信号和液压放 大两部分组成。
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工作线圈：实现控制(kòngzhì)操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
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（2）油压设备 当油压降低(jiàngdī)到正常工作油压下限
(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱 内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油 压上限时，油泵停止工作。 （3）接力器 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度， 改变流量，大型电站设两个或两个以上接力 器。
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油压装置(zhuāngzhì)
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制(kòngzhì)套产生位移，使下一级随 动。振荡电流使线圈和控制(kòngzhì)套产生 微小振动，以提高控制(kòngzhì)套的灵敏度 ，防止卡阻。
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（4）紧急停机电磁阀 属于(shǔyú)保护设施之一 动作的条件：机组运行中，几乎所有
化
化→发电机调速器动作→发电机的转速恢
水电站教程课件 第四章 水轮机调节
第四章 水轮机调节学习提示内容：介绍水轮机调节的任务，水轮机调节系统特性，水轮机调速器的工作原理，调速器的类型，调速系统的油压装置。
重点：水轮机调节的途径，调速器和油压装置的选择。
要求：了解水轮机调节系统特性，水轮机调速器的工作原理；掌握水轮机调节的概念和调节途径，调速器的种类和适用情况、油压装置的选择。
第一节 水轮机调节的任务一、问题提出水电站作为电力系统的供电电源，不仅要保证供电的安全可靠，而且要保证供电电压和频率的稳定。
在电力系统中，由于电压和频率的过大变化会严重影响供电质量，使电力用户的产品质量和正常生产遭受破坏。
因此，我国电力系统规定：电力系统的频率应保持为50Hz ，当电力系统容量小于50万kW 时，频率偏差值不超过±0.5Hz ；当电力系统容量大于等于50万kW （大电力系统），频率偏差值不超过±0.2Hz 。
用户端电压变动幅度的允许范围是：35kV 及其以上的用户为额定电压的±5%，10kV 及其以下的用户为额定电压的±7%，低压照明用户为额定电压的+5% ～-10%。
一些发达国家，对频率和电压的稳定要求更加严格。
电力系统的负荷是随时不断变化的，由于负荷的变化而引起系统电压和频率变化势必会影响供电质量。
这要求系统中承担调频任务的机组，在系统负荷变化时，能迅速改变其功率使之适应于外界负荷的变化，并同时使电力系统的电压和频率恢复和保持在允许变化范围以内。
在水电站中，电压调整由发电机的电压自动调整系统（励磁装置）实现，频率调整由水轮机的调速器来完成。
二、水轮机调节任务与途径发电机输出电流的频率f 与其磁极对数p 和转速n 的关系为/60f pn =。
对一定的发电机来说，其磁极对数p 是固定不变的，要调节发电机电流频率f 只能调节水轮机的转速n ，所以水轮机调节的实质就是转速调节。
因此，水轮机调节的基本任务就是根据外界负荷的变化，通过调节机组出力使之与外界负荷相适应并保证机组的转速变化在规定范围之内。
水轮机调节原理及调速器选择演示教学
要使 C，一般不能改变H和效率η，而是通过 改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。
❖ 调节流量的途径： 反击式：通过改变导叶开度a0 ，ZZ：同时改变叶 片转角。
冲击式：通过改变喷嘴开度。
❖ 水轮机调节的定义： 随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶 开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定 转速的过程，称为水轮机调节。
五、调速器的类型与系列
(一) 类型 1、按调速器元件结构分： ❖ 机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈
均由机械环节完成。现在很少使用。 ❖ 电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元
件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低， 便于安装调整。目前还有不少电站在使用。 ❖ 微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器， 赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。
❖ 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力 器，二级放大)：位移变化→油压变化。
❖ 反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反 馈信号使调节停止。
❖ 油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。 由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。
❖ 额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为 2.5MPa；有的电站采用高油压，为4.0MPa。
四、水轮机调节系统的组成
❖ 调速器的作用： 以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已 达到改变出力恢复转速的目的。
❖ 水轮机自动调节系统: 调速柜+油压设备+接力器。其中中小型水轮机调速 器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行 方便。
调速系统
油压装置
调速柜主要有以下几个部分组成：
❖ 测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变 为位移信号，然后输出。
《水轮机调节的基本概述与工作原理》
(1)水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺 寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构，因此，调速器 需要有放大元件和强大的执行元件(即前述的接力器)。
(2)水轮发电机组以水为发电介质，与蒸汽等相比，水 有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长，其中的水 体有较大的质量，水轮机调节过程中的流量变化将引起很大 的压力变化(即水锤)，从而给水轮机调节带来很大困难。
图4—2(e)是一个非周期性发散 过程，转速n一旦偏离定额值n0， 其与n0的偏差将随时间而增大， 不可能达到一个新的稳定状态。
图4—2(a)和(b)的过渡过程是稳定的，其他三种过渡过程 是不稳定的。过渡过程能否稳定，决定于调节系统本身的性质。 稳定性是对调节系统的基本要求，不稳定的调节系统是不能采 用的。
导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
在方块图4—1中，测量、加法、放大、执行和反馈元件总称 为自动调速器。导水机构包括机组在内，统称为调节对象。
调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统。
水轮机调节系统以频率 f (亦即机组转速)为被调节参数，根 据实测 f 与给定值间的偏差调节导水机构的开度，从而改变机组 的出力和转速(频率)，但要使改变后的频率符合给定值需要一个 调节过程，这个过程又称为调节系统的过渡过程，在这个过程中， 频率、开度等参数随时间不断变化。各参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态(即稳定工况)， 与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的动特性。若在经 过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平衡状态与 原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态，亦与调节 系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。下面将分别研 究水轮机调节系统的这两种特性。
2水轮机调节
10
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第二节 调节系统的特性
电网一次调频和二次调频
n n0 n 0’
a a1
1#
a2
n n0 n 0’
b
2#
b1
△ N1 △ N2
N1 N1’ N1’’ N
△ N2பைடு நூலகம்
N2 N2 ’ N
△N1=△N2 △N1+△N2= △N
二次调频的过程
假定1#机组为调频机组，通过手动或自动改变a机组调速系统的 给定值，使静特性平移到的a2位置。a机组的工作点由a1→a2，所 带负荷为N1+△N1+△N2，△n→0，电网频率回复到额定值中no。 同时，2#机组工作点由b1回到b，所带负荷由N2+△N2回到扰动前 的N2。 二次调频是一个负荷再分配的过程，其调整结果，将电网负荷 变化转移到调频机组上，使电网频率调回到额定值。
D E
转速升
第二级液压放大
第三节 水轮机调速器的基本原理
辅接上移
主配阀体上移
主接左接压力 油右接排油
主接右移 （关）
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第三节 水轮机调速器的基本原理
离心摆 引导阀
（3）缓冲器工作原理
缓冲器将主接力 器位移反馈至引导阀， 反馈强度随时间衰减， 稳定时反馈为零.
从动活塞 主动活塞
△ N1
N1 N2 ’ N
n0 n 0’
△N1+△N2= △Ne
N
两台不同调差率并列运行机组间的负荷分配
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第二节 调节系统的特性
电网一次调频和二次调频
一次调频：各机组并网运行时，受外界负荷变动影响,各 机组的调节系统参与调节作用,改变各机组所带的负荷, 使之与外界负荷相平衡。 二次调频:一次调频是有差调节,不能维持电网频率不变， 只能缓解电网频率的改变程度。所以还需要通过主动增、 减调频机组的负荷，以恢复电网频率。
水轮机调节
（5）阀组（安全阀、逆止阀、减载阀）
安全阀的作用是保证压力油罐内油 压不超过允许值，防止油泵与压力油罐 过载。
减载阀的作用是保证油泵电动机在 低负载下启动，缩短启动时间，减少启 动电流。
逆止阀用来防止压力油罐内的压力 油在油泵停止运行时倒流
6、调速器的类型与系列
（1）按调速器元件结构分
• 机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈 均由机械环节完成。现在很少使用。
二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
（1）无差调节：调节前后 机组转速不变，如图5-1a。 （2）有差调节：调节前后 机组转速有一小的偏差， 如图5-1b。
对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式； 多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢 不同，需采用有差调节的运行方式。
（2）有差调节
（3）电液转换器（步进电机）结构原 理及作用
电液转换器的作用是将电气部分信号 输出的综合信号，转换成具有一定操作 力的机械位移信号或具有一定压力的流 量信号。
电液转换器有电气位移转换信号和液 压放大两部分组成。
工作线圈：实现控制操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制套产生位移，使下一级随动。振荡电 流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制 套的灵敏度，防止卡阻。
成一个整体，称为组合式，运行方便。
（1）调速柜主要有以下几个部分组成：
• 测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信 号转变为位移信号，然后输出。
• 放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主 接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。
水轮机调节教材2011
水轮机调节培训教材第一章水轮机调节概述第二章微机调速器结构及原理第三章本站调速器讲解第四章微机调速器一般故障处理第五章现场设备讲解第一章 水轮机调节概述一、水轮调节的任务系统对发电机组产生两方面的影响：1) 系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机端电压恢复并保持在许可范围内。
2) 系统负荷变化→系统电流的频率f 发生变化，由于f 是磁极对数p 和转速n 的函数→发电机调速器动作→发电机的转速恢复并保持在许可范围内。
水轮发电机组把水能转变成电能供用户使用，用电户除要求供电安全、可靠外，还要求电能的频率及电压在额定值附近某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。
按照规定，电力系统的额定频率应保持在50HZ ，其偏差不应超过士0.2HZ ，有关标准对额定电压及其偏差值也有相应的规定。
电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分的负荷波动，这种负荷波动的幅值可达系统容量的2% ~ 3%，而且是不可预见的。
此外，一天之内系统负荷有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可以预见的，但从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有的电力系统记录到每分钟负荷增加达到系统容量的1%。
电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率的变化。
水轮发电机一般是三相同步发电机，其频率f 与转速n 之间有着严格的关系式：60np f （2－1） 式中：p 为发电机磁极对数；n 为发电机转速（r/min ）；f 为频率（HZ ）。
发电机的磁极对数p 是由发电机的结构确定的，对于运行中的机组一般是固定不变的，所以发电机的输出频率实际上是随着水轮发电机组转速的变化而变化。
而水轮机的转速是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。
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1.试述拉氏变换的定义，拉氏变换的作用是什么？
2.试述拉氏变换的微分性质和积分性质。
3.什么是传递函数？写出典型环节的传递函数。
4.什么是PID调节，试分析PID调节的阶跃响应特性，响应特性与PID参数的关系。
5.衡量电能好坏的指标是?其中水轮机调节系统解决的是什么?
6.调速器的静态特性分哪两种?衡量其静态特性大小的指标是什么?此指标的范围通常为多少?
7.简述水轮机调节的必要性、基本任务、途径和方法。
8.写出水轮机发电机组的运动方程，并说明水轮机调节系统控制频率变化的基本原理。
9.叙述当机组单独带负荷运行，负荷突然减少，此时整个调节系统是怎样动作的。
10.为什么并列运行机组不能采用无差静特性，设置调差机构的目的是什么？。