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第一篇调速器一水轮机调速系统简介1、水轮机调节的目的系统的总负荷是随电网用户的需要实时增减的，在电网负荷变化瞬间，系统内所有机组原有的输出功率与电网负荷的平衡关系被破坏。此时，如果所有发电机原动机的输出负荷不及时地相应变化，势必引起机组转速升高或降低，由于发电频率和机组转速存在如式1的关系，所以转速变化势必造成输出的电流频率及整个系统频率的变化。因此，电力系统要求各种发电机组都必须具有优良的调节性能，即能根据负荷的变化，及时地相应改变各自有功功率输出，保证电能质量（频率、电压）符合标准规定。交流发电机所产生交流电的频率与该发电机转速有如下关系：f=pn60⁄（1-1）式中：n——机组转速，r/min；f——发电机输出交流电频率，Hz；P——发电机的磁极对数；如龙口1-4#水轮机额定转速n为93.75r/min，因此1-4#发电机极对数P为32。我国供用电标准规定，交流电的额定频率为50Hz，容量在3000MW以上的大容量电网允许频率偏差为±0.2Hz。由式（1-1）频率和转速的对应关系可知，运行中的水轮发电机组，要保证其电流频率不超出允许偏差范围，就必须保持机组转速在允许范围内。2、水轮机调节的途径水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体（如图1），它的运动可由式1-2来描述：图1水轮发电机组示意图J𝑑𝜔𝑑t=Mt−Mg（1-2）式中：J——惯性矩，kg·m2；𝜔——角速度，rad/s；Mt——动力矩，N·m；Mg——阻力矩，N·m；机组转动部分的惯性矩J由转子的质量、形状、尺寸确定，惯性矩足够大可以减少角加速度值。机组角速度𝜔=𝜋𝑛30⁄，其中n为机组转速。水轮机动力矩Mt是水轮机输出转矩，与水头、流量成正比，在一定水头下它由水轮机流量确定并受流态影响，可由水力机组的主要参数求取。根据水轮机原理，可求出水轮机总的输出机械功率t，t=t=Mt——水的密度，kg/m3；——水轮机的流量，m3/s；——水轮机的工作水头，m；t——水轮机效率；所以，水轮机动力矩Mt可以表示为：Mt=t阻力矩Mg是对机组旋转运动产生阻碍作用的转矩，方向与机组转动方向相反。其中，发电机阻力矩是阻力矩的主要部分，指的是由发电机负载用电量及负载性质形成的电磁阻力矩（负载转矩），阻力矩也包括机械摩擦力矩。由式1-2可知，要想保持发电机组的运动平衡状态，应随着Mg的变化不断调节Mt，使Mt=Mg，维持机组转速不变。而在保证转速不变的前提下对动力矩Mt的快速调整无法通过改变手头和机组效率t实现(做不到或不经济)，而应通过改变流量达到改变动力矩Mt的目的。水轮机组过水流量由导叶的开闭直接控制，因此实现水轮机调节的途径就是改变水轮机导叶的开度。3、调速器基本原理水轮机调速器根据电网负荷变化所引起的水轮发电机组转速的偏差，相应的调整水轮机导水机构的开度，以改变进入水轮机中的流量，使水轮发电机组输出的功率和电流的频率满足电网的要求。如图2所示，当电网负荷增加时，机组的转速（或频率）势必要下降，测速单元测得的转速（或频率）与给定参数差值势必增大，调节器经运算后就发开方向相应操作命令给执行机构，执行机构向开方向相应地调节导水机构，导叶开度相应增大，进入水轮机转轮的水流量相应增加，机组输入与输出能量恢复平衡，机组再次进入新的平衡状态。这样，无论电网负荷如何变化，水轮机调速器都通过水轮机导水机构对导水叶开度进行流量调节，使机组的转速（或频率）保持在规定范围内。导水机构调节器测速单元执行机构发电机水轮机水能电能频率给定水轮发电机组调速器图2水轮机调速器调节系统示意图4、调速器基本调节规律自动调节系统根据调节原理，分为闭环调节系统和开环调节系统。开环调节系统的输出信号没有反馈至输入端，系统的输出量的变化对调节作用没有直接影响。在开环控制系统中，系统输出由于只受输入给定的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。水轮机调速器采用闭环反馈控制，即将系统的输出量反送回调节装置的输入端，调节器根据反馈量和输入量(给定值)的综合结果进行调节控制，系统的输出量对系统的调节作用有直接影响的。如图3所示，在水轮机转速调节中，被调量是水轮机的转速，调节的目标是转速给定值。现代水轮机调速器大都采用工业微机控制器作智能调节器单元，一般将转速及转速偏差测量、调节规律形成、开停机操作等功能都交由工业微机控制器实现。调节器的输出控制信号控制执行机构，即电液随动系统动作以实现调速器全部功能。这类系统结构也被称为电子调节器加电液随动系统结构。给定转速转速测量调节器电液随动系统导水机构水轮发电机组nn0（+）n△n（-）水轮机调速器yn（转差）图9-2水轮机调速器基本工作原理简图图3水轮机调速器工作基本原理图调速器能使水轮机的转速保持在额定值，是因为调速系统将水轮机转速反馈到转速测量机构，实时地测量机组转速与给定转速的偏差，并根据该偏差的大小和方向，按照预定的调节规律产生调节指令。该指令通过执行机构（电液随动系统）开启或关闭导水叶，调节进入水轮机的水量，改变水轮机的转速。由于系统是接成负反馈，转差所产生的调节作用总是使这个转差减小，直至偏差为零，保证了机组实际转速与给定值相等。从水轮机调速器工作基本原理图中可以看出，水轮机调速器一般由转速偏差测量机构、调节器和电液随动系统或执行机构三大部分组成。从上述的介绍可以看出，水轮机调速器工作过程中，电液随动系统起着执行机构的作用，通过其中的综合放大环节，机械液压随动系统通过控制接力器位移复现调节器输出，进而驱动导叶的开启和关闭。调节器输出值是PID计算结果，只与转速差（频差）、人工死区、永态转差系数、功率给定（并网时）、有效开限等因素有关。它可以从D/A输出中测量，为0（对应接力器0%全关）至10V（对应接力器全开100%）的模拟量。调速器电液随动装置由滤油器、紧急停机电磁阀、电液比例阀、A/B双通道系统切换阀、手/自动切换阀、手动操作阀、主接力器电气反馈装置等部件构成。在调速器工作过程中，电液随动系统起着执行机构的作用，它接受调节器的控制指令，驱动导水机构开启或关闭。电液随动系统是一个闭环控制系统，由运算放大电路对输入信号和反馈信号进行比较，并对其差值进行放大。5、水轮机调速器动态特性水轮机自动调节系统以被调节参数(频率)的偏差作为调节导叶开度的依据。在负荷变动时，总是先产生一定的转速偏差，然后在调速器作用下逐步消除这一偏差，这个过程称为调节系统的过渡过程(调节过程)。在调节过程中，机组转速（频率）随时间的变化过程称为动态特性，如图所示是单机带孤立负荷运行的机组，外部负荷减少，转速升高，调节器朝导叶关闭方向自动调节变化的过程。图水轮发电机组调节系统动态特性曲线经过调节后，只要机组转速的波动幅度进入规定值，均称之为“稳定”。机组稳定了，进一步讨论过渡过程才有意义。过渡过程品质有以下三项指标：（1）调节时间Tp由转速随负荷相应变化时刻开始，到转速不再超过机组转速摆动规定值为止的调节时间。（2）超调量σσ=∆n1∆nmax×100%式中：∆nmax为最大转速偏差，即第一个转速波峰值与给定转速之差。（3）振荡次数Z通常称在调节时间Tp内出现的正、负波峰个数的一半为振荡次数，示例中调节次数Z=1.5。带负荷运行的机组，由于不能人为的变化负荷，因此全面检验过渡过程品质各项指标受到限制。检验水轮机调节系统动态特性的方法常用空载扰动试验法，即由转速给定装置发出阶跃扰动信号，造成空载自动运行的机组转速产生相应波动并记录其过渡过程波形。此种方式下，超调量σ的计算方式为：σ=∆nmax∆n0×100%式中：∆nmax为第一个转速波峰值与新给定转速之差；∆n0为转速给定的变化幅值。甩负荷试验是对水轮机调节系统过渡过程稳定性最严格的检验。一个好的过渡品质表现是最大转速偏差小、调节时间短、超调量小、振荡次数少的特征。6、水轮机调速器静特性水轮机自动调节系统的静特性指调节系统在平衡状态时，机组出力与机组转速之间的关系，可表达为：n=f()，式中：n为机组转速，N为机组出力。对转速不随机组出力变化的静特性称为无差静特性；对转速随机组出力变化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。图1有差静特性图1无差静特性3.1调节系统（机组）的调差率；eP=nmax−nminnr×100%式中：eP为水轮机调节系统（机组）的调差率；nr为机组额定转速；nmax机组出力为零时（空载开度）的转速；nmin机组出力为额定值时的转速。调差率eP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ep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bP=nmax−nminnr×100%式中：nr为飞摆的额定转速；nmax为调速系统稳定在全关位置时所对应的飞摆转速；nmin为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bp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。调速器静特性以接力器的行程为横坐标，以转速为纵坐标表示。永差系数bp并不是根据调节性能来调整，而是根据机组在系统中的地位，承担负荷的性质以及机组间负荷的分配由调度机构给定。有一些机组承担基荷，不承担调频任务，机组的永差系数bp整定的较大。另一些机组因承担调频任务，机组的永差系数bp整定的较小。系统负荷突然变化后造成频率变化时，调频机组调整出力，保持调频稳定。7、调速器基本功能（1）频率测量与调节：可测量机组和电网的频率，并实现机组频率的调节和控制；（2）频率跟踪：当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动同期并网；（3）识别工作状态，自动改变工作模式，并调节相应参数；（4）实现自动工况至手动工况的无条件无扰动切换功能；（5）自动调整与分配负荷:机组并入电网，调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整机组的出力；（6）负荷调整：可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（A.G.C）；开停机操作：接受中控室或上位机指令，实现开停机操作；（7）手动操作：具有电手动和机械手动操作功能，并可无条件、无扰动实现自动运行与手动操作的相互切换；（8）友善的人机界面，能采集并显示调速系统的主要参数及相关信息，如：机组频率、电网频率、导叶开度、调节器输出、整定参数和故障等；（9）可实现轮叶转角与水头及导叶开度之间的协联关系；（10）有完善的通讯功能，为电站监控系统设置了标准、可靠的接口，能方便地实现与上位机的通讯；（11）具有频率计的相关试验功能；（12）辅助实验功能：通过操作面板上的功能键和显示屏，可以完成空载扰动和静态特性测试实验。二PCC调节器1、PCC控制器简介贝加莱公司提供多系列的PCC（可编程计算机控制器）供用户选型使用，其中有小型的B&R2003系列，中型的B&R2005系列以及大型的B&R2010系列。龙口调速器采用2003系列可编程计算机控制器作为控制核心。PCC是可编程计算机控制器（programmablecomputercontroller）的简称，PCC从PLC发展而来，但拥有其不可比拟的优势。如更加强大的内存空间、更灵活的编制手段、更优越的控制方式等。PCC中采用了分时多任务操作系统，这样编程者可以十分灵活地利用操作系统调度管理整个系统，摆脱了PLC中单个程序对硬件的依赖，这对整个系统的运行，维护都有重要的意义。我们知道，常规的PLC采用单任务的时钟扫描循环周期进行统一的I/O通道的状态采集、执行程序逻辑和数值运算以及外部输出信息的刷新。但事实上在一个控制系统中，虽然往往有一些数据量是实时性要求很高的，但也有很多大惯性的模拟量是没有太高实时要求的，如果采用同样的刷新速度其实是对资源的浪费，而且循环顺序扫描的运行机制也直接导致了系统的控制速度严重赖于应用程序的大小，应用程序一旦复杂庞大，控制速度就必然降低。贝加莱PCC系统的设计方案解决了这一问题，和常规PLC相比较，PCC最大的特点就在于其引入了类大型计算机的分时多任务操作系统理念，使得应用任务的循环周期