水輪機調(diào)節(jié)的基本概念

1、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念 和 數(shù)字式（微機）電液調(diào)速器一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念w1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w2.水輪機調(diào)節(jié)的任務w3.水輪機微機調(diào)速器的原理w4.靜態(tài)特性w5.動態(tài)特性二、數(shù)字式（微機）電液調(diào)速器w1.微機調(diào)速器的結構w2.靜態(tài)特性w3.動態(tài)特性w4.控制功能一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結構如圖所示。其工作過程為：測量元件把機組轉速n（頻率f）、功率Pg、水頭H、流量Q等參量測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經(jīng)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（或導水機構和槳葉機構），同時經(jīng)反饋元件送回反饋信號至信號綜合點。一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念1.

2、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w水輪機控制系統(tǒng) hydraulic turbine control systems:用來檢測被控參量（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的一些設備所組成的系統(tǒng)。w被控制系統(tǒng) controlled system:由水輪機控制系統(tǒng)控制的系統(tǒng)，它包括水輪機、引水和泄水系統(tǒng)、裝有電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)電機及其所并入的電網(wǎng)。w水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng) hydraulic turbine regulating system:由水輪機控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。w隨動系統(tǒng) servo-system:自動跟蹤控制裝置輸出，并轉換、放大的位置反饋控制系統(tǒng)。

3、 一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w水輪機轉矩式中：Q通過水輪機的流量（m3/s）；H水輪機凈水頭（m）； 水輪機效率； 水的密度kg/m3）。 所以，在一定的機組工況下，只有調(diào)節(jié)流量Q和效率 ，才能調(diào)節(jié)水輪機轉矩，達到調(diào)節(jié)目的。從最終效果來看，水輪機調(diào)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(nèi)。然而，從實質上講，只有當水輪機調(diào)節(jié)器相應地調(diào)節(jié)水輪機導水機構開度（從而調(diào)節(jié)水輪機流量Q）和水輪機輪葉的角度（從而調(diào)節(jié)水輪機效率），使，才能使機組在一個允許的穩(wěn)定轉速（頻率）下運行。從這個意義上講，水輪機調(diào)節(jié)的實質就是：根據(jù)偏離額定值的轉速（頻率）差信號，調(diào)節(jié)水輪機的導水機

4、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(diào)節(jié)的基本概念1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)w開環(huán)系統(tǒng):眾所周知，如果系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的輸入 (控制)作用沒有影響，則這個系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)(Open loop system)。因此，對應于一個輸入(控制)量，便有一個相應固定的輸出量與之對應，系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)參數(shù)的校準；但是，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動或參數(shù)變化時，原來相應固定的輸出量就會變化了；所以，采用開環(huán)控制系統(tǒng)是不可能構成精確的控制系統(tǒng)的。w閉環(huán)系統(tǒng):從圖可以看出，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出(機組(電網(wǎng))頻率、機組功率等)對系統(tǒng)的控制作用(轉速(頻率)給定、機

5、組功率給定、接力器開度給定等)有著直接的影響，一般稱其為反饋作用(Feedback effect)；所以，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，水輪機控制系統(tǒng)(調(diào)速器)自身也是一個閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號與反饋信號之差稱之為誤差，誤差信號施加在控制器的輸入可以減少系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于給定值。所以，閉環(huán)系統(tǒng)就是利用反饋來減小系統(tǒng)的誤差。當然，對于一個閉環(huán)控制(調(diào)節(jié))系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的穩(wěn)定性(Stability)始終是一個重要問題。除去穩(wěn)定問題之外，閉環(huán)控制(調(diào)節(jié))系統(tǒng)的動態(tài)過程及動態(tài)品質(性能)也是比開環(huán)系統(tǒng)復雜的多；因為，閉環(huán)控制(調(diào)節(jié))系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定時，還可能出現(xiàn)動態(tài)過程中超調(diào)或衰減振蕩(Damp

6、ly oscillation)現(xiàn)象。 一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)w水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)w 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水輪機控制系統(tǒng)在工作過程中，有兩種工作狀態(tài)：w靜態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）和動態(tài)（瞬變狀態(tài)）。w 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)又稱為穩(wěn)定狀態(tài):w穩(wěn)定狀態(tài) (steady state)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(tǒng)和水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的所有變量都處于平衡狀態(tài)的運行狀態(tài)。w 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)又稱為瞬態(tài):w當系統(tǒng)受到負荷、水頭等擾動作用，或給定信號變化時，系統(tǒng)將出現(xiàn)相應的運動，經(jīng)過一段時間后，在新的條件下進入了新的穩(wěn)定狀態(tài)。從原穩(wěn)定狀態(tài)到新穩(wěn)定狀態(tài)的運動過程,就稱為水

7、輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水輪機控制系統(tǒng)的動態(tài)。系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定時，則出現(xiàn)等幅振蕩或發(fā)散振蕩，系統(tǒng)不能正常工作、沒有穩(wěn)定狀態(tài)；所以，一個動態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，是對閉環(huán)動態(tài)系統(tǒng)的最基本要求。一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 在擾動作用下會偏離原來的平衡狀態(tài)(靜態(tài))而產(chǎn)生偏差，進入動態(tài)，所謂動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就是指當上述擾動消失后或者擾動保持為常量時，動態(tài)系統(tǒng)由動態(tài)恢復到新的平衡狀態(tài)(靜態(tài))的性能。如果系統(tǒng)能夠恢復到平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若系統(tǒng)偏差不能消除且愈來愈大、不能恢復到到平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。顯然，穩(wěn)定性是一個閉環(huán)動態(tài)系統(tǒng)能夠正常工作的最基本要求。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉

8、環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由水輪機控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成，它除了具有一般閉環(huán)控制系統(tǒng)的共性外，還有一些值得注意的特點：.操作力大需要經(jīng)液壓放大操作接力器2.水流慣性：3.機械慢性：4.系統(tǒng)復雜、非線性特性一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念2.水輪機調(diào)節(jié)的任務w 在水輪機數(shù)字式(微機)電液調(diào)速器出現(xiàn)以前，水輪機調(diào)速器的主要作用是根據(jù)偏離機組頻率(轉速)額定值的偏差，調(diào)節(jié)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(轉速)保持在額定頻率(轉速)附近的允許范圍之內(nèi)。這時的水輪機調(diào)速器主要是一個機組頻率(轉速)調(diào)節(jié)器。w現(xiàn)代水電廠和電力系統(tǒng)，對水輪機調(diào)速器的性能及功能提出了新的和更嚴格的要求。一、水

9、輪機調(diào)節(jié)的基本概念2.水輪機調(diào)節(jié)的任務w 在數(shù)字式微機電液調(diào)速器發(fā)展、完善和廣泛應用的同時，水電廠自動發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)、電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)也日趨成熟并進入實用化的階段；現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，區(qū)域電網(wǎng)容量迅速加大，區(qū)域電網(wǎng)間聯(lián)網(wǎng)并要求進行交換功率控制；大中型和多數(shù)小型水輪發(fā)電機組均并入大的區(qū)域電網(wǎng)運行。在這種運行方式下，電網(wǎng)的負荷頻率控制(LFC)是通過電網(wǎng)AGC系統(tǒng)和電廠AGC系統(tǒng)來控制水輪發(fā)電機組的水輪機調(diào)速器及火電組的調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)的。w當機組并入大電網(wǎng)運行時，水輪機調(diào)速器主要作為電網(wǎng)一次調(diào)頻/負荷控制器、電網(wǎng)二次調(diào)頻和電網(wǎng)負荷頻率控制的功率控制器使用。一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念2.水

10、輪機調(diào)節(jié)的任務w因而，現(xiàn)代水輪機調(diào)速器承擔的任務已不能僅僅用“水輪機調(diào)節(jié)”來描述了，它除了具有調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組頻率(轉速)的功能之外，還可以具有功率控制、水位控制、流量控制、電網(wǎng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和區(qū)域電網(wǎng)間交換功率控制(TBC)等附加的控制功能。wIEC關于水輪機調(diào)速器的技術規(guī)范導則(IEC61362(1998)和試驗(IEC60308(2005)中對水輪機調(diào)速器都是用“水輪機控制系統(tǒng)”來命名的；我國的水輪機調(diào)速器與油壓裝置的國家標準(技術條件和試驗)已經(jīng)修訂，也將主題詞“水輪機調(diào)速器與油壓裝置”改為“水輪機控制系統(tǒng)”。一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念2.水輪機調(diào)節(jié)的任務w1). 水輪機調(diào)速器作為被

11、控制的水輪發(fā)電機組或其并入電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)器：w (1). 在被控制的水輪發(fā)電機組空載工作狀態(tài)時作為機組頻率調(diào)節(jié)器w在被控制的水輪發(fā)電機組空載工作狀態(tài)時，水輪機調(diào)速器起作機組的頻率調(diào)節(jié)器的作用，調(diào)節(jié)并維持機組頻率在額定頻率附近，跟蹤電網(wǎng)頻率，使被控機組能盡快同期、并入電網(wǎng)運行；w (2). 在被控制的水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行時，作為電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)器：w . 被控制的水輪發(fā)電機組并入大電網(wǎng)運行，水輪機調(diào)速器根據(jù)電網(wǎng)規(guī)定完成電網(wǎng)一次調(diào)頻的任務；w . 被控制的水輪發(fā)電機組單機帶負荷或在小電網(wǎng)中運行，水輪機調(diào)速器的任務是調(diào)節(jié)被控機組或小電網(wǎng)的頻率在額定頻率附近，盡量減小負荷突變時的動態(tài)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；w . 被控制的水輪發(fā)電機組甩負荷時，水輪機調(diào)速器調(diào)節(jié)被控制機組到空載狀態(tài)運行；一、水輪機調(diào)節(jié)的基本概念2.水輪機調(diào)節(jié)的任務w2). 在被控制的水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行時，水輪機調(diào)速器作為