企業(yè)培訓_水輪機調速器培訓教程

三聯(lián)水電水輪機數(shù)字調速器（培訓教材）武漢三聯(lián)水電控制設備有限公司2004年10月15日目 錄第一章 水輪機調節(jié)的基本任務3一、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的結構4二、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的特點4第二章 水輪機調速系統(tǒng)的標準和特性7一、水輪機調速系統(tǒng)的標準7二、水輪機調速系統(tǒng)的特性8三、水輪機調速器的動態(tài)特征9四、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性13第三章 水輪機調速器的控制算法15一、PID控制算法15二、槳葉控制器18第四章 水輪機微機調速器的硬件23第五章 水輪機微機調速器的形式27一、調速器的發(fā)展27二、調速器的分類28三、冗余式可編程調速器29第六章 水輪機微機調速器的功能和運行34一、參數(shù)可調范圍35二、功能要求36三、軟件49第七章 水輪機微機調速器的機械液壓執(zhí)行機構58一、比例伺服閥數(shù)字閥機械開限/純手動組成機械冗余結構58二、步進式機械液壓系統(tǒng)59第八章 水輪機微機調速器的故障處理63一、空載頻率擺動63二、負載漂移63三、接力器抖動64四、切換故障65五、甩負荷65六、與水頭有關的故障66七、自檢66第一章 水輪機調節(jié)的基本任務水輪發(fā)電機組把水能轉變?yōu)殡娔芄┥a、生活使用。用戶在用電過程中除要求供電安全可靠外，對電網電能質量也有十分嚴格的要求。按我國電力部門規(guī)定，電網的額定頻率為50Hz（赫茲），大電網允許的頻率偏差為0.2Hz。對我國的中小電網來說，系統(tǒng)負荷波動有時會達到其容量的510；而且即使是大的電力系統(tǒng)，其負荷波動也往往會達到其總容量的23。電力系統(tǒng)負荷的不斷變化，導致了系統(tǒng)頻率的波動。因此，不斷地調節(jié)水輪發(fā)電機組的輸出功率，維持機組的轉速（頻率）在額定轉速（頻率）的規(guī)定范圍內，就是水輪機調節(jié)的基本任務。水輪機調速器是水電站發(fā)電機組的重要輔助設備，他與電站那二次回路或計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務。水輪機調速器還可以與其他裝置一起完成自動發(fā)電控制（AGC）、成組控制、按水位調節(jié)等任務。水輪發(fā)電機組轉動部分的運動方程為：Jd/dt=Mt-Mg式中：J機組轉動部分的慣性矩（kg）；n/30機組轉動角速度（rad/s）；n機組轉動速度（r/min）；Mt水輪機轉矩（Nm）；Mg發(fā)電機負荷阻力矩（負載轉矩）（Nm）。上式表明，保持機組轉速（頻率）為恒值的條件是d/dt0，即要求MtMg，否則就會導致機組轉速（頻率）偏離額定值，從而出現(xiàn)轉速（頻率）偏差。水輪機轉矩MtQHt /式中：Q通過水輪機的流量（m3/s）;H水輪機凈水頭（m）；t水輪機效率；水的密度（kg/m3）因此只有調節(jié)流量Q和效率t，才能調節(jié)水輪機轉矩Mt，達到MtMg的目的。從最終效果來看，水輪機調節(jié)的任務是維持水輪發(fā)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，只有當水輪機調節(jié)器相應地調節(jié)水輪機導水機構開度（從而調節(jié)水輪機流量Q）和水輪機輪葉的角度（從而調節(jié)水輪機效率t），使MtMg，才能使機組在一個允許的規(guī)定轉速（頻率）下運行。從這個意義上講，水輪機調節(jié)的實質就是：根據偏離額定值的轉速（頻率）偏差信號，不但地調節(jié)水輪機的導水機構和輪葉機構，維持水輪發(fā)電機組功率與負荷功率的平衡。一、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的結構水輪機調節(jié)系統(tǒng)是由水輪機控制設備（系統(tǒng)）和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。水輪機、引水和泄水系統(tǒng)、裝有電壓調節(jié)器的發(fā)電機及其所并入的電網稱為水輪機調節(jié)系統(tǒng)的被控制系統(tǒng)；用來檢測被控參量（轉速、功率、水位、流量等）與給定量的偏差，并將其按一定的特性轉換成主接力器行程偏差的一些裝置組合成為水輪機控制設備（系統(tǒng)）。水輪機調速器則是由實現(xiàn)水輪機調節(jié)及相應控制的電氣控制裝置和機械執(zhí)行機構組成。水輪機調節(jié)系統(tǒng)的工作過程為：測量元件把機組轉速n（頻率f）、功率Pg、水頭H 、流量Q等反映機組運行工況的參數(shù)測量出來作為水輪機調速器的反饋信號，與給定信號閉環(huán)綜合后，經放大校正元件控制執(zhí)行機構，執(zhí)行機構操縱水輪機導水機構和槳葉機構。二、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的特點水輪機調節(jié)系統(tǒng)是一個自動調節(jié)系統(tǒng)，它具有一般閉環(huán)控制系統(tǒng)的共性，但是水輪機調節(jié)系統(tǒng)是一個復雜的非線性控制系統(tǒng)。水輪機型式有：混流式、軸流定槳式、軸流轉槳式、貫流式、沖擊式、水泵、水輪機式等等；水輪機發(fā)電機組由多種工作狀態(tài)：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運行、水位和/或流量控制等。水輪機控制設備是通過很大的動力來調節(jié)水輪機導水機構和槳葉機構來調節(jié)水輪機流量及其流態(tài)的，因此，即使是中小型調速器也大多要采用機械液壓執(zhí)行機構，且常常采用有一級或二級液壓放大的液壓執(zhí)行機構。水輪機過水管道存在這水流慣性，通常用水流慣性常熟Tw；來表述：Tw(Qr/gHr)L/A=Lv/gH式中：每段過水管道的截面積（）；L相應每段過水管道的長度（m）v相應每段過水管道內的流速（m/s）g重力加速度（m/s2）Tw水流慣性時間常數(shù)（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(jié)系統(tǒng)成為一個非最小相位系統(tǒng)(非極小相響應)，其特點為，由于水的慣性，當改變導葉方向時，首先引起水輪機轉矩在反方向作用，然后再回到與導葉運動相同的方向。對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和響應特征會帶來十分不利的影響。通常所說的水錘效應（或水擊效應）就是對這種水流慣性的一種形象的表述。水流慣性時間常數(shù)Tw的物理概念是：在額定水頭Hr作用下，過水管道內的流量Q由0加大至額定流量Qr所需要的時間。水輪發(fā)電機組存在著機械慣性，可利用機組慣性時間常數(shù)Ta來表述：TaJr/Mr=GD2Nr2/3580Pr式中：Jr額定轉速時機組的慣性矩（kg） Mr機組額定轉矩（Nm）GD2機組飛輪力矩（kN）nr機組額定轉速（r/min）Pr機組額定功率（kW）Ta機組慣性時間常數(shù)（s）機組慣性時間常數(shù)Ta的物理概念是：在額定力矩Mr作用下，機組轉速n由0上升至額定轉速nr所需要的時間。對比例積分微分（PID）型調速器，水輪機引水系統(tǒng)的水流慣性時間常數(shù)Tw不大于4s；對比例積分（PI）型調速器，水流慣性時間常數(shù)Tw不大于2.5s。水流慣性時間常數(shù)Tw與機組慣性時間常數(shù)Ta的比值不大于0.4。反擊式機組的Ta不小于4s，沖擊式機組的Ta不小于2s。第二章 水輪機調速系統(tǒng)的標準和特性一、水輪機調速系統(tǒng)的標準1水輪機調速器及油壓裝置 型號編制方法JB/T2832-20042水輪機調速器及油壓裝置試 系列型譜JB/T7072-2004；3水輪機控制系統(tǒng)技術條件GB/T 9652.1-征求意見稿4水輪機控制系統(tǒng)試驗驗收規(guī)程GB/T 9652.2；征求意見稿5IEC60308水輪機調速系統(tǒng)試驗國際規(guī)程；6IEC61362水輪機控制系統(tǒng)規(guī)范導則；導葉接力器全關閉時間調整范圍為： 3100S導葉接力器全開啟時間調整范圍為： 3100S槳葉接力器全關閉時間調整范圍為： 10120S槳葉接力器全開啟時間調整范圍為： 10120S頻率調整范圍： 4555 Hz永態(tài)轉差bp調整范圍： 010%比例增益Kp調整范圍： 0.520積分增益KI調整范圍： 0.0510 1/s微分增益KD調整范圍： 0.010 s人工失靈區(qū)調節(jié)范圍： 01 .5%nr測至主接力器的轉速死區(qū)不超過： 0.02 %水輪機甩25%負荷后，接力器不動時間不超過： 0.2 s靜特性曲線非線性度： 不超過 0.5%甩100%額定負荷后轉速波動超過3%的波動次數(shù)不超過 2次，由調速器引起的機組轉速持續(xù)波動相對值不大于：0.15。從機組甩負荷時起，導機組轉速相對偏差小于1為止的調節(jié)時間tE與從甩負荷開始至轉速升至最高轉速所經歷的時間tM的比值，對中、低水頭反擊式水輪機和沖擊式水輪機應不大于15；對從電網解列后給電廠供電的機組，甩負荷后機組的最低相對轉速不低于0.9。自動空載運行3分鐘，機組轉速相對擺動值不超過+0.15%。二、水輪機調速系統(tǒng)的特性1. 水輪機調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性當給定信號恒定時，水輪機調節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，被控參量偏差相對值與接力器行程相對值的關系如圖1所示，在工程實際中，有時也采用圖2所示的靜態(tài)特性圖將圖1所示的被控參量偏差值改用被控參量絕對值表示。圖1和圖2中：圖圖1 圖2Fr=pmr/60額定頻率Fr=50Hz；Xn=n/nr=xf機組轉速的相對值；N機組轉速（r/min）Nr機組額定轉速（r/min）P發(fā)電機極對數(shù)Y=Y/YM接力器行程相對值Y接力器行程（M）YM接力器最大行程（M）11 永態(tài)差值系數(shù) （1）永態(tài)差值系數(shù)bp 在圖1所示水輪機調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線上，取某一規(guī)定點（例如，圖示中的A點），過該點作一切線，其切線斜率的負數(shù)就是該點的永態(tài)差值系數(shù)： bp=-dxr/dy (1-1_) 對于圖2所示的靜態(tài)特性曲線，其對應的值為50bpHZ（當額定功率為fr=50HZ時） （2）最大行程的永態(tài)差值系數(shù)bs在圖1所示水輪機調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線上，在規(guī)定的給定信號下，得出接力器在全關（y=0）和全開(y=1.0)位置的被控參量（頻率、轉速）的相對值之差，這個差值即為bs。顯然，對于一條曲線型的靜態(tài)特性線，選取不同的A點，會得到不同的bp值。但是，實踐表明，對選擇了合適接力器位移變送器的水輪機微機調速器來說，其靜態(tài)特性十分接近于一條直線。因此，在這種情況下，如果取bs作為bp，也不會有過大的誤差。12 轉速死區(qū)ix給定信號恒定時，被控參量的變化不起任何調節(jié)作用的兩個值間的最大區(qū)間，稱為死區(qū)，當被控參量為轉速時，即為轉速死區(qū)ix。其在靜態(tài)特性圖上的表述如圖3所示。圖313 隨動系統(tǒng)不準確度 隨動系統(tǒng)中，對于所有不變的輸入信號， 相應輸出信號的最大變化區(qū)間的相對值，稱為隨動系統(tǒng)不準確度ia(見圖4)。圖4三、水輪機調速器的動態(tài)特征 1、緩沖裝置特性緩沖裝置將來自主接力器或中間接力器的位移信號轉換成一個隨時間衰減的信號。它可以是機械液壓式的（緩沖器），也可以是由電氣回路構成的（電氣緩沖環(huán)節(jié)）。 （1）暫態(tài)差值系數(shù)bt永態(tài)差值系數(shù)（bp）為零時，緩沖裝置不起衰減作用，它在穩(wěn)態(tài)下的差值系數(shù)就稱為暫態(tài)差值系數(shù)bt圖5所示為暫態(tài)差值系數(shù)bt的表述：bt=-dxf/dy （12）對比圖1和5可以看出：緩沖裝置不起衰減作用時，暫態(tài)差值系數(shù)bt和永態(tài)差值系數(shù)bp（式（11）和式（12）有相同的意義為調速器靜態(tài)特征圖上某點切線斜率的負數(shù)。在工程應用上可取為接力器全關（y0）和全開（1.0）時對應的頻率相對值之差。當然，實際的緩沖裝置特性是衰減的，因而可以認為bt是緩沖裝置在動態(tài)過程中“暫時”起作用的強度。 圖5（2）緩沖裝置時間常數(shù)Td輸入信號停止變化后，緩沖裝置將來自接力器位移的反饋信號衰減的時間常數(shù)稱為緩沖裝置的時間常數(shù)Td（見圖6）。如果把某一開始衰減的緩沖裝置輸出信號強度設為1.0，那么至它衰減了0.63為止的時間就是Td。（3）緩沖裝置在階越輸入信號下的特性 圖6緩沖裝置的動態(tài)特性可用下列傳遞函數(shù)式來加以描述： Ft(S)/ Y(S)btTdS/(1+TdS)式中：Ft(S)為緩沖裝置輸出的拉普拉斯變換；Y(S)為接力器位移的拉普拉斯變換。在其輸入端加一個y0的階越信號后，其相應特性如圖7所示。圖中，ft為緩沖裝置的輸出。 圖7在圖中可以清楚地看出： 緩沖裝置僅在調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程中起作用，在穩(wěn)定狀態(tài)，其輸入總是會衰減到0。暫態(tài)差值系數(shù)bt反映了緩沖裝置的作用強度。緩沖裝置時間常數(shù)Td則表征其動態(tài)衰減的特征。2、加速度環(huán)節(jié)包含有頻率測量及加速度環(huán)節(jié)，起加速度（指被測頻信號的微分）作用的加速度環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：FD(S)/Fg(S)= TnS/(1+Tlv)式中：Fg（S）被測機組頻率信號的拉普拉斯變換；FD（S）加速度環(huán)節(jié)輸出的拉普拉斯變換；Tn加速時間常數(shù)（s）TlV微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)（s）。（1）加速時間常數(shù)Tn當取永態(tài)差值系數(shù)bp和暫態(tài)差值系數(shù)bt為0， 圖8 頻率信號x按如圖8所示形狀變化。接力器 剛剛反向運動時，被控參量（頻率）相對偏差x1與加速度(dx/dt)1之比的負數(shù)稱為加速度時間常數(shù)。Tnx1/(dx/dt)1值得指出的是，用這種方法求取Tn的值是比較困難的，稍后會看到，采取其它方法求取Tn將比較簡單和方便。圖93、采用PID調節(jié)器的調速器動態(tài)特性 若永態(tài)差值系數(shù)bp為0，則得到PID調節(jié)器輸出yPID對其輸入頻差f的傳遞函數(shù)為YPID(S)/ F(S)=-(KP+KI/S+KDS/1+T1V)和 YPID(S)/ F(S)= -(KP+KI/S+KDS) (取T1V=0) 上二式中：YPID（S）YPID的拉普拉斯變換；f（S）f的拉普拉斯變換。式中：等式右端的負號表示正的頻差信號 圖10對應于負的接力器開度偏差；Kp比例增益，它是bp0和KD0的水輪機調節(jié)系統(tǒng)的接力器行程相對偏差y與階躍被控參量相對偏差x之比的負數(shù)；KI積分增益（s1），它是bp0的水輪機調節(jié)系統(tǒng)的接力器速度dy/dt與給定被控參量相對偏差之比的負數(shù)，即K1=-（dy/dt）/x；KD微分增益（s），它是bp0和KD0的水輪機調節(jié)系統(tǒng)的接力器行程相對偏差y與被控參量相對變化率dx/dt之比的負數(shù)，即KDy/(dy/dt)。PID調節(jié)器對頻率階躍變化輸入x的響應，如圖10所示。直線段EB是積分的作用，延長EB與縱軸y交于D點，與橫軸交于A點，微分衰減段BF延長交于C點。比例作用體現(xiàn)在圖10所示的OD段所代表的值OD=Kpx=YpOD在數(shù)值上等于比例系數(shù)Kp與頻率階躍變化值x的乘積，記為比例分量Yp。微分作用，圖10所示曲線OFB是由于微分作用引起的分量，其最大值為CD線段的長度，它代表了微分作用的峰值。CD=KD/TlVx=YDM式中：YDM 微分作用的最大輸出值。積分作用，在圖10所示直線段EB上截取線段HG，使其縱坐標差值HI在數(shù)值上等于頻率階躍變化值，即Y=X, 橫坐標差值GI=1/K1線段OA顯然有：OA/OD=GI/HI故有：OA=(GI/HI)OD=(1/K1)/ xKpx最后得：OA=Kp/K1對微機調節(jié)器來說，由于不存在接力器最短開啟/關閉時間的限制，因此圖10所示的起始響應可用線段OCB取代線段OFB.4、接力器反應時間常數(shù)Ty 當主接力器帶規(guī)定負荷時，其速度與主配壓閥相對行程關系曲線斜率的倒數(shù)稱為接力器反應時間常數(shù)Ty?？拷髋鋲洪y中間位置處，曲線出現(xiàn)明顯的非線性，這是由主配壓閥搭接量引起的，這使得這個區(qū)間的Ty有較大的數(shù)值。而大于主配壓閥搭接量的區(qū)域接近于線性的區(qū)段，則有較小的Ty值。四、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性技術標準對水輪機調節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的主要要求如下：（1）調速器應保證機組在各種工況和運行方式下的穩(wěn)定性指標手動空載工況（發(fā)電機勵磁在自動方式下工作）運行時，水輪發(fā)電機組轉速擺動相對值對大型調速器來說不得超過0.2%；對中、小型和特小型調速器來說均不得超過0.3%，當調速器控制水輪發(fā)電機組在空載工況自動運行時，在選擇調速器運行參數(shù)時，待穩(wěn)定后所記錄3min內的轉速擺動值應滿足下列要求： 對于大型電氣液壓調速器，不超過0.15對于大型機械液壓調速器和中、小型調速器，不超過0.25對于特小型調速器，不超過0.3 （2）如果機組手動空載時的轉速擺動相對值大于規(guī)定值，那么其自動空載轉速擺動相對值不得大于相應手動空載轉速擺動相對值。1、甩100額定負荷后：在轉速變化過程中，超過3額定轉速以上的波峰不超過兩次。GB/T9625.1-1997規(guī)定：從接力器第一次向開啟方向移動導機組轉速擺動值不超過0.5為止所經歷的時間應不大于40S，IEC61362水輪機控制系統(tǒng)技術規(guī)范導則規(guī)定：在甩負荷中，若記從甩負荷開始至出現(xiàn)最大轉速上升值為止的時間為 tM,記從甩負荷開始導機組轉速擺動值不超過0.1為止的時間為tE，則tE/tM的推薦值對于沖擊式機組為2.5-4.0和對于高水頭混流式機組15。2、轉速或指令信號按規(guī)定形式變化，接力器不動時間： 對于電氣液壓調速器，不大于0.2S； 對于機械液壓調速器，不大于0.3S；3、技術標準對Ta和Tw的規(guī)定： 水輪機引水系統(tǒng)水流慣性時間常數(shù)Tw： 對于PID型調速器，不大于4S 對于PI型調速器，不大于2.5S 機組慣性時間常數(shù)Ta： 對于反擊式機組，不小于4S 對于沖擊式機組，不小于2S 比值Ta/Tw不大于0.4第三章 水輪機調速器的控制算法一、PID控制算法調速系統(tǒng)動態(tài)性能具有比例、積分和微分功能；比例、積分和微分的增益是獨立的、連續(xù)可調的。比例、積分和微分的調整范圍適合各受控系統(tǒng)的動態(tài)特性。調節(jié)參數(shù)自動尋優(yōu)的功能(該功能一般在試驗階段中進行)，根據被調節(jié)量的變化，自動施加1%的擾動量，經過幾次擾動后，由軟件自動計算出最優(yōu)的調節(jié)參數(shù)Kp，Ki, Kd。因此調速系統(tǒng)不但具有比例、積分、微分功能，而且通過尋優(yōu)功能能夠找到最優(yōu)的比例、積分、微分的參數(shù)，特別是對于水頭波動較大的機組的動態(tài)穩(wěn)定性非常明顯。所以整個調節(jié)系統(tǒng)在各種工況下都具有優(yōu)良的靜、動態(tài)品質。 圖 11調節(jié)系統(tǒng)圖PID控制算法的模擬表達式如下：Y（t）=KPe（t）+1/T1e（t）dt + TD de（t）/dt （1） 對式（1）離散后得到第n次輸出值為： n Y（n）=KPe（n）+/TIe（j）+TD/TIe（n）-e（n-1） （2） j=0式中Y（t）為調節(jié)輸出；e（t）為t時刻的輸入偏差值；為采用周期（ =t）；e（n）為第n次輸入偏差值；e（n-1）為第n-1次輸入的偏差值；n為采樣序號（n=0，1，2）；KP為比例系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間。第n-1次輸出值為： n-1Y（n-1）=KPe（n-1）+/TI e（j）+ TD/TIe（n-1）-e（n-2） （3） j=0位置式PID算法表達式為：將式（2）減去（3）式整理后得Y(n)-Y(n-1)=KPe(n)-e(n-1)+/TI e(n)+TD/TIe(n)-2e(n-1)+e(n-2) （4）將式（4）整理后得到位置式PID算法（位置輸出）關系式為Y（n）= Y（n-1）+ KPe（n）-e（n-1）+/TI e（n）+ TD/TIe（n）-2e（n-1）+e（n-2） = Y（n-1）+KPe（n）-e（n-1）+ KI e（n）+ KDe（n）-2e（n-1）+e（n-2） （5） 增量式PID算法表達式為：Y（n）= Y（n）- Y（n-1）即 Y（n）= KPe（n）-e（n-1）+ KI e（n）+ KDe（n）-2e（n-1）+e（n-2） （6）式中KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)（KI =KP ./ TI）；KD為微分系數(shù)（KP=KDTD/TI）。位置式PID數(shù)字調節(jié)器的輸出Y（n）為全量輸出，每次輸出與過去的狀態(tài)無關，因此造成運算工作量大，需要對e（i）進行累加（見式（5），而對增量PID控制算法而言，雖然在算法上改動不大，卻帶來不少優(yōu)點，控制狀態(tài)的切換沖擊也小，算式中不作累加運算，增量只跟最近的幾次采樣有關所以非常容易獲得很好的控制效果。但增量式算法的理想微分環(huán)節(jié)容易引進高頻干擾，導致調節(jié)性能不穩(wěn)，為此，在研制過程中，曾采用在微分環(huán)節(jié)中串聯(lián)一個低通濾波器以用來抑制高頻干擾，也就是實際微分環(huán)節(jié)。其關系式為：YD（s）= KDs/1+Ts （7）式中T為微分時間常數(shù)。用實際微分代替理想微分的關系為：YD（s）=T/1+TYD（n-1）+ KD/TI+Te（n）-e（n-1）YD（n）= YD（n-1）+YD（n） （8）則調節(jié)器增量算式 Y（n）= KPe（n）+ KIe（n）+YD（n） Y（n）= Y（n-1）+Y（n） （9）式中 為采樣周期。全數(shù)字式水輪機調節(jié)器綜合算法PID調節(jié)采用增量式控制算法，能在控制系統(tǒng)中避免一般常規(guī)PID算法中存在的問題，然而就微分項而言，增量算法顯然不能滿足水電機組調節(jié)控制的要求，而位置式算法又帶來計算復雜和抗干擾能力差的缺陷。將位置式、增量式結合起來，組成全數(shù)字調速器的PID綜合算法，即微分環(huán)節(jié)采用位置式算法，即對全量直接作衰減運算。比例和積分環(huán)節(jié)則采用增量式算法，可避免位置式算法中積分環(huán)節(jié)的累積計算，以減少計算機運算工作量。經電站運行證明，采用綜合算法的調速器，大大地改善了動態(tài)調節(jié)器品質，特別是在大擾動情況下其過度調節(jié)時間短，超調量小等優(yōu)點就體現(xiàn)出來了。綜合算法的PID表達式為：Y（n）=YPI（n-1）+YP（n）+YI（n） （10）其中 YP（n）=KP e（n） ；YI（n）= KIe（n） ；YD（n）=T/T+ YD （n-1）+ KD1/ T+ e（n） 脈寬調制（PWM）輸出PID運算結果Y（n）與導葉開度Ya（n）進行綜合比較后，其差值的大小產生PWM信號，由于機組開與關的時間是不同的，因此整機放大系數(shù)在開或關也不應該相同，這樣才能保證靜、動態(tài)品質優(yōu)良。Y（n）- Ya（n）0 開高速電辭閥動作；Y（n）- Ya（n）0 關高速電辭閥動作。 軟件數(shù)字綜合放大計算如下： 開(K)=K開Y（n）- Ya（n） 0 (11) 關(K)=K開Y（n）- Ya（n） 0 (12) 式中K開為開方向整機放大系數(shù)；K關為關方向整機放大系數(shù)；開為開方向偏差值；關為關方向偏差值。 開(K)及關(K)決定了脈寬調制（PWM）占空比的大小。 Tc為脈沖周期，TW為脈沖寬度，占空比D=TW/Tc100%脈寬調制（PWM）是根據Y（n）與Ya（n）偏差大小對脈沖的寬度進行調制。根據Y（n）與Ya（n）的偏差，開(K)與關(K) 對輸出作用到開關高速電磁閥的導通時間進行脈寬（占空比）調節(jié)，從而控制了接力器開、關腔油缸的容積，達到調節(jié)導葉開度的目標。水輪機調節(jié)系統(tǒng)的工作點可以用水頭和接力器行程來確定，工況可以由工況回路來確定。在空載工況下，調節(jié)f =0；在負載開度調節(jié)時，調節(jié)開度差值Y=YYG=0；在功率閉環(huán)調節(jié)工況下，調節(jié)功率差值P=PPG=0。通過對頻率差值，或開度差值或功率差值進行PID運算后，得到一個與該差值所對應的開度輸出信號，經過開度限制環(huán)節(jié)輸出到液壓隨動系統(tǒng)來控制導水葉的開度，則導水葉的開度經AD轉換后與PID調節(jié)器的輸出信號進行綜合比較，放大輸出，直到調整到PID調節(jié)器的輸出信號和導水葉開度所對應的信號之差為零。二、槳葉控制器21、根據水輪機協(xié)聯(lián)曲線整定的協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器。調速器通過電氣協(xié)聯(lián)方式實現(xiàn)水輪機導葉與槳葉的協(xié)聯(lián)。根據水輪機協(xié)聯(lián)曲線整定的協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器；按實際水頭自動選擇相應協(xié)聯(lián)曲線；停機后自動將輪葉開到啟動角度并在啟動過程中根據導葉開度的開啟自動切換到正常協(xié)聯(lián)。采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方式，可預設10條水頭下的協(xié)聯(lián)曲線，每條協(xié)聯(lián)曲線上設置10個點，線與線之間以及點與點之間采用線性插值，最后輸出采用逐次逼近方式，確保協(xié)聯(lián)曲線的真實性及控制的平穩(wěn)性。22、接受水頭信號及按實際水頭自動選擇相應的協(xié)聯(lián)曲線。在調速器中預置了十條協(xié)聯(lián)曲線，每條曲線10個點，按水頭大小，從小到大逐條排到數(shù)碼存貯區(qū)內，將協(xié)聯(lián)曲線關系圖中選定的十條水頭值列于表中，這樣就可以根據當權水頭值和當前槳葉值查處并計算出當前槳葉的開度，協(xié)聯(lián)插值計算如下：B(Hi+1i+1)Hi+1i+1HC (Hi)HHiiA(Hi, i)a0221若當前水頭值和表中水頭某一值相等，則可以根據當前導葉值直接在協(xié)聯(lián)表中查出相應槳葉值。222若當前水頭值與表中水頭值不同，在Hi和Hi+1水頭之間的水頭值為H，此時導葉開度值若為a，則可根據線形插值法計算出對應槳葉值h，C點為當前H水頭下的某一點。H位于表中水頭值Hi和Hi+1之間，先根據當前導葉值，在Hi+1上查出B點所對應的槳葉值i+1 和在Hi上查出A點的槳葉值i。經i =i + (Hi+1H) (i+1i)/( Hi+1H i)計算后即為所求的在H水頭下C點的槳葉值，因此可以根據上述插值計算公式可計算出任意水頭下的導葉開度所對應的槳葉開度值。23、能保證機組在停機后自動把槳葉開到起動角度，并在起動過程中按一定條件自動轉換到正常的協(xié)聯(lián)關系。在自動工況停機后自動將輪葉開到啟動角度，在開機過程中根據導葉開度的開啟自動逐步關回到零后切換到正常協(xié)聯(lián)。三、轉速探測調速器轉速探測系統(tǒng)由齒盤測速和殘壓測速2種測量方式組成。齒盤測速方式采用安裝在水輪機大軸或發(fā)電機下機架大軸上的齒盤和4組脈沖轉速探測器組成，其中2組脈沖轉速探測器用于調速器、其余用于測速裝置。調速系統(tǒng)的轉速信號還采用取自機端的PT殘壓測速方式。殘壓測速信號保證在水輪機發(fā)電機組的各種運行工況下滿足調速系統(tǒng)對轉速信號的要求。由電網電壓互感器及發(fā)電機出口電壓互感器送來的機網頻信號,經過降壓、濾波、整形、分頻后變成方波信號與500KHZ脈沖源相與，通過高速計數(shù)模塊對其脈沖源數(shù)進行高速計數(shù)，NR =Nk+Nk-1+Nk-2+Nk-3+Nk-4+Nk-5(k為當前時刻)則機、網頻一個周期的脈沖個數(shù)為NRNR-1，頻率計算方法為：f = 3106/ NRNR-1 當兩個相鄰上升的一個周期脈沖個數(shù)為NRNR-1=60000個脈沖時：頻率f =3106/60000=50Hz高速計數(shù)模塊將從PT送來的機，網頻信號（f j，f w）處理后，得到的頻率差f。被控機組在空載工況下，網頻正常且為跟蹤狀態(tài)時的頻差為：f = f wf J機組并網運行后，空載無網頻，或在不跟蹤工況下，頻差為：f = f Gf J ，f G為頻率給定值。 測頻環(huán)節(jié)的可靠性、穩(wěn)定性以及精度和實時性是保證調節(jié)品質的關鍵所在，因為它將直接影響調速器的調節(jié)品質和整機的運行狀況，因此我方將通過以下方式確保調速器系統(tǒng)測頻的高可靠性：(1)機組的測頻采用兩路(PT、齒盤)互為熱備用，網頻采用PT測頻，測頻精度達到0.001Hz以上。(2)機組頻率fj反饋信號：機端PT電壓0.2V180V；測頻范圍0.2100HZ。(3)系統(tǒng)頻率fw反饋信號：母線PT電壓80V180V；測頻范圍0.2100HZ。(4)為提高齒盤齒盤精度，齒盤測速設計為雙傳感器。殘壓+齒盤冗余式測頻技術說明(1) 測頻裝置是決定水輪發(fā)電機組及調速器安全、穩(wěn)定運行極為關鍵的部件。目前，國內水輪發(fā)電機組微機調速器的測頻信號均取自于發(fā)電機機端電壓互感器(PT)信號。優(yōu)點是成本低、安裝簡單，但也存在著缺點，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：第一、干擾源復雜且難以排除，部分表計、勵磁調節(jié)器、保護裝置大多與測頻裝置取自于同一PT的信號，無法隔開，而且各個部分引入PT信號的線路環(huán)境各異，走線復雜，彼此間相互干擾。即使采用屏蔽線、硬件抗干擾、軟件濾波等措施均難有效地消除干擾，特別是在殘壓比較低時更是如此。第二、低轉速時殘壓信號嚴重失真，根本無法通過殘壓信號正確測量出機組頻率。第三、若PT的保險炸裂、接觸不良或斷線等。(2) 采用齒盤測頻(即采用接近開關和齒盤)檢測機組頻率，其信號的電壓幅值穩(wěn)定，且為獨立的系統(tǒng)，不易受現(xiàn)場干擾，是可靠的測頻信號源。齒盤測頻的頻率信號源是通過一對電磁感應式的進口的接近開關取自于安裝在機組大軸上齒盤裝置，該信號系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng)，其幅值與機組轉速無關，可靠性高。該裝置從根本上解決了頻率信號的干擾問題。(3) 測頻環(huán)節(jié)是決定水輪發(fā)電機組調速器安全、穩(wěn)定運行極為關鍵的部分，采用齒盤測頻和殘壓測頻形式的雙路測頻是最可靠的方案。雙路測頻互為熱備用，一旦某路故障，立即無擾動切換到另一路，并發(fā)故障信號。齒盤測頻結構示意圖與工作過程： 齒盤測頻由齒盤、接近開關和微機測頻單元組成，如圖示： 3T2T133 5V 24V G齒盤測頻電 源PD16位數(shù)字量機頻顯示安裝在水輪發(fā)電機組大軸上的齒盤與一對電磁式接近開關一起組成了頻率信號產生單元。由信號整形電路、濾波電路、單片機和機頻信號輸出電路一起構成了頻率信號測量單元。頻率測量單元將測量出的機組頻率以方波或數(shù)字量形式送到調速器。當機組大軸轉動時帶著齒盤一起旋轉，固定在支架上一對電磁式接近開關就產生了兩個信號，通過單片機將這兩個信號組合、濾波、計算等處理后得一個與機組頻率成正比的值，并將這個值以方波或數(shù)字量形式送到微機調速器。T1，T2為電磁式接近開關，T1與T2位置與機組旋轉方向順序不能錯。T1、T2與齒盤測頻裝置之間采用3芯屏蔽線。采用該形式的齒盤測頻，在保證實時性的要求下，其測頻誤差：0.001HZ。雙路測頻是采用齒盤的信號和機組PT的機頻信號同時送到PLC，PLC同時測量兩路機組頻率。當兩路頻率信號都正常時，調速器取平均值作為機頻信號；當其中一路故障時，調速器取另一路作為主用機頻信號；當兩路信號全部故障時，調速器自動切換到電手動運行，并報警。第四章 水輪機微機調速器的硬件一、PLC微機調速器（以雙Modicon TSX Quantum系統(tǒng)的微機調節(jié)器為例）1.1 概述調速系統(tǒng)配備兩套完全相同的微機調節(jié)器構成雙通道冗余結構安裝在控制柜內機架上，雙系統(tǒng)采用主、備運行方式，一套工作，一套備用。備用機自動跟蹤工作機狀態(tài)，當工作機有故障時自動無干擾切換到備用態(tài)，備用機投入工作。若兩套系統(tǒng)同時故障時，自動無擾動切換到純手動控制方式下運行。1.2 硬件調節(jié)器采用施耐德公司Modicon TSX Quantum 140CPU434 12A型可編程控制器為調節(jié)控制中心。Modicon TSX Quantum 140CPU434 12A型可編程控制器為32位機，時鐘頻率66MHz，是目前可編程控制器調速器中配置最高的一種(輸入點數(shù)8192點，輸出點數(shù)8192點)，是一種高檔機型；控制指令豐富，網絡能力強；調速系統(tǒng)配備的PLC能適應將來主要功能和輔助功能擴展的需要。PLC裝在柜內機架上，并能適應招標文件所列的環(huán)境條件而長期工作。調速系統(tǒng)滿足規(guī)定的所有功能要求，包括在線離線自診斷功能。在外界條件允許的變化范圍內運行而不產生漂移。PLC的I0模塊與外部的I0信號均有光電隔離措施各種型號的模擬輸入輸出及數(shù)字輸入、輸出通道數(shù)配置并預留25%的裕量，所有的電氣模塊均可帶電拔插。Modicon TSX Quantum 140 CPU434 12A可編程控制器主要配置序號型號元器件名稱生產廠家說明1140CPU43412ACPU法國施耐德公司閃存/SRAM:1M/2M，離散量：65535 時鐘頻率66MHz寄存器：57K， IEC 1131-3程序容量：896K,梯形圖：64K, 掃描時間：0.1ms/k0.5ms/k2140CPS 214 00電源模塊法國施耐德公司24VDC，運行方式，獨立/累加冗余過流過壓保護：8A3140EHC 202 00高速輸入法