水轮机调节的基本概念..共17页文档
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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。
水轮机调节的基本概念和凌津滩电厂调速器系统简介
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三.微机调节器－机组频率测量
测量频率一般采用测量周期法（简称测周法） 或测量频率法（简称测频法）。测频法是指： 通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量 频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电 机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它 只适合于测量处于高频段的频率信号。
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三.微机调节器－机组频率测量
10
2.水轮机调节的基本原理和特点
机械液压/电气液压/数字式（微机）电液调速器 缓冲式PID结构
图1-3 电气液压调速器(PID)结构图
11
2.水轮机调节的基本原理和特点
PID结构 ：
图1-4 微机调速器结构图
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3.水轮机调节系统的静态和动态特性
3. 1 水轮机调节系统的静态特性 静态特性： b p (bs )
F
高频时钟信号 N & f1 放大 整形 f2 分频 f3 f4
f1 f2 f3 f4 NT T
t
t T t
t
t
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三.微机调节器－机组频率测量
F必然正比于被测的频率值。例如，取 N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其 T=0.02s，N×T=40000；若取式中的常数 C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若 被测频率为48Hz，则求得F=48000。
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2.水轮机调节的基本原理和特点
水轮机自动调节的基本原理
从调节规律看，现有的调速器大多属于比例积分（PI）或比例积分微 分（PID）式的。典型调速器方块图中常用的符号： X＝（n/nr）＝（f/fr）―― 转速（频率）相对量 y＝Y/Ym＝Z/Zm ―― 接力器行程相对量 Bp――――――永态转差系数 Bt――――――暂态转差系数 Td――――――缓冲装置时间常数 Tn――――――加速时间常数 Ty1――――――中间接力器（辅助接力器）反应时间常数 Ty2、Ty――――――接力器反应时间常数 S ―――――拉普拉斯算子
水轮机的基本概念和微机调速器讲座
PID P
kI
1 k D s] s
yPID (s) 1 k s [k P k I D ] F (s) s 1 T1v s
图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性
49
◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
速动时间常数Tx=bt×Td
29
三、水轮机伺服电机调节器 1、交流伺服电机自复中系统原理框图
30
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
31
微机调速器自动调节部分框图
32
水轮机三种闭环调节模式
• PLC水轮机微机闹速器有3种主要的调
节模式——频率调节模式、开度调节 模式和功率调节模式，这三种调节模 式贯穿于调速器的整个调节过程，其 功能及其相互间的转换都是由微机调 节器完成的。
频率固定的定 位脉冲信号
伺服电机和驱动 器内部形成闭环
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龚嘴水电站
3、电气/机械直线位移转换装置（伺服电机）
电气/位移转换装臵是将电气信 号连续地、线性地转换成机械位移 信号。 伺服电机是一种新型的直线位移 转换器，采用全数字交流伺服电机， 精密滚珠丝杠传动副，具有线性度 好，输出力大，反应灵敏，操作方 便，可靠性好，结构紧凑等特点。 可以在自动（电气控制）手动 （操作手柄）不同方式间无扰动地 切换，有“无油电液转换器”之称。
图1-1 水轮机调节系统的结构图
6
4 水轮机调节的理论基础
• （１）水轮发电机组转动部分的运动方程
7
8
调速系统特点：
操作力大——调速器需要多级液压放大和外加能源 （油压装臵），并采用液压接力器作为执行元件 水轮机过流管道存在水流惯性：
kI
1 k D s] s
yPID (s) 1 k s [k P k I D ] F (s) s 1 T1v s
图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性
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◆ 水轮机调节系统的静态和动态特性
速动时间常数Tx=bt×Td
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三、水轮机伺服电机调节器 1、交流伺服电机自复中系统原理框图
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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
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微机调速器自动调节部分框图
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水轮机三种闭环调节模式
• PLC水轮机微机闹速器有3种主要的调
节模式——频率调节模式、开度调节 模式和功率调节模式，这三种调节模 式贯穿于调速器的整个调节过程，其 功能及其相互间的转换都是由微机调 节器完成的。
频率固定的定 位脉冲信号
伺服电机和驱动 器内部形成闭环
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龚嘴水电站
3、电气/机械直线位移转换装置（伺服电机）
电气/位移转换装臵是将电气信 号连续地、线性地转换成机械位移 信号。 伺服电机是一种新型的直线位移 转换器，采用全数字交流伺服电机， 精密滚珠丝杠传动副，具有线性度 好，输出力大，反应灵敏，操作方 便，可靠性好，结构紧凑等特点。 可以在自动（电气控制）手动 （操作手柄）不同方式间无扰动地 切换，有“无油电液转换器”之称。
图1-1 水轮机调节系统的结构图
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4 水轮机调节的理论基础
• （１）水轮发电机组转动部分的运动方程
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调速系统特点：
操作力大——调速器需要多级液压放大和外加能源 （油压装臵），并采用液压接力器作为执行元件 水轮机过流管道存在水流惯性：
1第一章 水轮机调节基本知识解析
调速器分类与型号
2、按调节机构数分 单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组 双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角)， ZZ、CJ（针阀、折流板转动） 3、按大小（容量） 大型：活塞直径80mm以上 中型：操作功10000Nm~30000Nm 小型：操作功小于10000Nm，特小：小于3000Nm
2
第一章 水轮机调节基本知识
1.1 水轮机调节任务与途径 1.2 自动调速器构成原理
1.3 水轮机双调节简介
1.4 调速器分类、系列与型号
3
第一章 水轮机调节基本知识
主要教学内容 1、电力生产的特点 2、水调基本任务 3、动力矩与阻力矩的特点 4、水轮机力矩平衡特性 5、掌握自动调速器的构成原理 6、掌握双调节调速器的构成原理 7、熟悉调速器的表示型号、掌握国家现行有关标准 的规定
水能 水轮机 发电机 永磁机 接力器 硬反馈 配压阀 软反馈 离心摆 操作控制机构 飞摆电机 调速系统 调速器 用户
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第一章 水轮机调节基本知识
§1.3
双调节简介
一、双调节定义：
指被水轮机具有两个相互配合（协联）的调节机构，两套机 构遵循一定规律的，称为协联关系。 ZZ：导叶开度与轮叶角度 CJ：喷嘴开度与折向器位置角度
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第一章 水轮机调节基本知识
§1.1 水轮机调节基本任务与途径
二、水调途径与方法
1、水轮发电机组的基本方程式： Jε =Mt-Mg 2、水轮机动力矩特性 如图：
水轮机动力矩特性
水轮机组发电示意图8
第一章 水轮机调节基本知识 3、发电机阻力矩特性
§1.1 水轮机调节基本任务与途径
如图：
4、水调力矩平衡特性 如图： （1）稳定运行状况： （2）无调节状况： （3）有调节状况： （4）人为变速调节： 5、水调途径： 跟随负荷变化调整流量Q。 实施方法：
水轮机调节ppt课件
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水轮机的调节系统具有以下特点： 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)。 水轮发电机组以水为发电介质，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。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
11
02
水轮机调节的基本概念
12
12
水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
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
13
13
图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的
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。
例如： 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从
而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维 的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏差， 大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
水轮机的调节系统具有以下特点： 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)。 水轮发电机组以水为发电介质，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。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
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02
水轮机调节的基本概念
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水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
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
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图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的
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。
例如： 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从
而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维 的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏差， 大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
第一章 水轮机调节的基本原理
电网
水力发电生产过程：
压力引水 水库 道
发电机
功率 整流 屏 L=0 机械液
水轮机
励磁 调节 器
调 速 器
压执行 机构
尾水
频率与机组转速的关系（电机学而知）：f p n 60 f——发电机输出交流电频率，Hz； p——发电机的磁极对数； n——发电机的转速，r/min 。 p对于加工好的机组是一个常数（定值），因此f只与n有关（正比）。 水轮机调节的基本任务：要保证频率在规定的范围内，就要根 据电力系统负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率的输出， 并维持机组转速在规定的范围内。
（二）缓冲装置：又称软反馈元件， 主要用于调速系统反馈校正，其性 能好坏直接关系到调速系统的稳定， 是调速器的重要部件之一。 组成：壳体、主动活塞、从动活 塞、节流孔、弹簧等。
节流孔是上、下腔唯一的通道，调整节流孔大小可以调节油流阻力。 主接力器活塞杆通过杠杆、拉杆等作用于主动活塞，从动活塞通过拉杆、杠杆作用于 引导阀针塞。 1）主动活塞没有受到接力器反馈锥体反馈作用时，主、从动活塞都处于相对中间位 置，从动活塞的上端没有位移输出； 2）主动活塞受到接力器反馈锥体反馈作用而向下移动时，由于油是不可压缩液体， 且活塞下腔的油不能马上由节流孔进入上腔，因此下腔油压升高，迫使从动活塞上移，输 出一个位移信号，并作用于引导阀针塞，同时压缩弹簧。下腔压力油经节流孔进入活塞上 腔，在弹簧恢复力作用下，经过一段时间，上、下腔压力平衡，从动活塞逐渐回复到中间 位置，使输出位移消失。反之，当主动活塞受力上移时，主动活塞下部产生真空，由于上 腔油来不及通过节流孔到下腔，从动活塞被向下吸引，产生一个向下的位移，并作用于针 塞向下移动。随后在弹簧恢复力作用下，上腔的油通过节流孔流入下腔，从动活塞回复中 间位置，输出位移信号消失。 缓冲装置输出位移只在调节过程中存在，调节过程结束后，反馈位移自动消失，因此 这种反馈称为软反馈或暂态反馈。
水轮机调节
第四章 水轮机调节一、水轮调节的任务系统符合发生变化时，对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→发电机的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。
水轮机调节的任务：1) 随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。
2) 保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过±0.5Hz ，大电力系统不超过±0.2Hz 。
3) 启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。
二、水轮机调节原理水轮发电机组的运动方程式为：dtd JMM gt ϖ=-式中： M t ——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)M g ——发电机的阻力矩 J ——机组惯性矩； ω——角速度；由此方程可见：当M t - M g >0时，机组转速上升；当M t - M g >0时，机组转速下降； 当M t - M g =0时，机组转速保持不变。
所以当负荷变化时，应调节M t ，使M t =M g ，n =n e 又：ϖηληγϖQH M QH M t t =⇒=所以，要使ω=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M t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。
调节实质：调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。
三、水轮机调节系统的组成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。
调速柜的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。
水轮机调节的基本概念
水轮机调节系统的新技术和新应用
智能控制技术：实现水轮机调节的自动化和智能化 远程监控技术：实现水轮机调节的远程监控和故障诊断 节能技术：提高水轮机调节的效率和节能效果 环保技术：减少水轮机调节对环境的影响实现绿色环保
水轮机调节系统的挑战和机遇
挑战：技术难度大需要不断研发和创新 挑战：市场竞争激烈需要不断提高产品质量和性能 机遇：绿色能源需求增长水轮机调节系统市场前景广阔 机遇：政策支持有利于水轮机调节系统的推广和应用
03 水轮机调节的种类
机械调节
机械调节原理：通过改变水轮机叶 片角度或导叶开度来调节流量
机械调节特点：响应速度快、调节 精度高、稳定性好
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机械调节方式：叶片角度调节、导 叶开度调节、桨叶调节等
机械调节应用：广泛应用于水电站、 泵站等水轮机调节系统中
电气调节
原理：通过改变发电机的励磁电流来调节水轮机的转速 优点：响应速度快调节精度高 缺点：需要额外的励磁设备成本较高 应用：适用于大中型水轮机特别是调频调峰场合
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汇报人：
调速器：控制水轮机转速的 装置
水轮机：将水流的动能转化 为机械能的设备
控制系统：实现水轮机调节 的自动化控制
传感器：监测水轮机运行状 态的设备
执行器：根据控制信号调整 水轮机运行状态的设备
水轮机调节的基本原理
水轮机调节的目的是控制水流量以保持稳定的发电量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量 水轮机调节的基本原理是通过改变水轮机的叶片角度改变水流量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量
水力发电站：调节水轮机转速控制发 电量