水轮机调节的基本概念和微机调速器

水轮机调节的基本概念和数字式（微机）电液调速器2水轮机调节的基本概念和数字式（微机）电液调速器一.水轮机调节的基本概念二.水轮机数字式（微机）电液调速器三.微机调节器四.机械液压系统五.微机调速器故障分析及对策六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势七.思考题3一.水轮机调节的基本概念1.水轮机调节的任务2.水轮机调节系统3.水轮机调节系统的动态和静态特性41.水轮机调节的任务维持机组转速在额定转速附近，满足电网一次调频要求；完成调度下达的功率指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频要求；完成机组开机、停机、紧急停机等控制任务；执行计算机监控系统的调节及控制指令。52.水轮机调节系统系统结构：图1-1水轮机调节系统的结构图6系统特点：操作力大——需要经液压放大操作接力器水流惯性：机械惯性：系统复杂、非线性特性手动水轮机调节比例操作超前操作积分操作ghlvTwrrpnGDTa35802273.水轮机数字式（微机）调速器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1-2电气液压调速器(PID)结构图8PID结构：图1-3微机调速器结构图9◆水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准GB/T9652.11997GB/T9652.21997静态特性静态特性：水轮机调节系统静态特性水轮机调节系统静态特性pb)(sb10永态差值系数：静速死区：图1-6转速死区ixpb)(sbxi◆水轮机调节系统的静态和动态特性11随动系统不准确度：图1-7随动系统不准确度iaai·01.0y2(输出)y1(输入)·ia◆水轮机调节系统的静态和动态特性12◆水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T9652.1—1997主要静态特性指标调速器类型项目大型中型小型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区/%ix≤0.04（0.02）≤0.10≤0.08（0.06）≤0.15≤0.10≤0.18≤0.20轮叶随动系统不准确度/ia%≤1.5／bp整定范围bp=0~bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%13动态特性调速器PID特性：阶跃输入响应特性：图1-8PID调节器的阶跃输入响应特性]1[)()(skskksFsyDIPPID]11[)()(1sTskskksFsyvDIPPID◆水轮机调节系统的静态和动态特性14◆水轮机调节系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=bt×Td速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。xdtI01.00.1xdtI1.00.1100100100101010TTbKtTTbKtxxIxdt1.01.0Ixdt1.05.01555KTTbtKTTbtxx15◆水轮机调节系统的静态和动态特性接力器响应时间常数Ty图1-9接力器响应时间常数Ty16调速器前向通道放大倍数的整定图1-10随动系统对单位阶跃输入的响应特性◆水轮机调节系统的静态和动态特性17◆水轮机调节系统的静态和动态特性曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数，有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应特性具有3%～5%的超调量。IEC61362标准推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.25s；桨叶接力器Ty=0.2～0.8s；冲击式折向器Ty=0.1～0.15s。在我国一般推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的2～3倍。18◆水轮机调节系统的静态和动态特性调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标①手动空载工况（发电机励磁在自动方式下工作）运行时，水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器来说不得超过0.2%；对中、小型和特小型调速器来说均不得超过0.3%。当调速器控制水轮发电机组在空载工况自动运行时，在选择调速器运行参数时，待稳定后所记录3min内的转速摆动值应满足下列要求：对于大型电气液压调速器，不超过0.15%；对于大型机械液压调速器和中、小型调速器，不超过0.25%；对于特小型调速器，不超过0.3%。②如果机组手动空载时的转速摆动相对值大于规定值（见上），那么其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值。19◆水轮机调节系统的静态和动态特性机组甩负荷后应保证的动态品质①甩100%额定负荷后：在转速变化过程中，超过3%额定转速以上的波峰不超过两个；GB/T9652.1—1997规定：从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过0.5%为止所经历的时间应不大于40s。IEC61362《水轮机控制系统技术规范导则》规定：在甩负荷中，若记从甩负荷开始至出现最大转速上升值为止的时间为tM，记从甩负荷开始到机组转速摆动值不超过1.0%为止的时间为tE，则tE/tM的推荐值为2.5～4.0（8.0）（对于冲击式机组）和15（对于高水头混流式机组）。②转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间：对于电气液压调速器，不大于0.2s；对于机械液压调速器，不大于0.3s。20◆水轮机调节系统的静态和动态特性不动时间试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)21◆水轮机调节系统的静态和动态特性开机过程录波(公伯峡电站300MW现场试验曲线)22◆水轮机调节系统的静态和动态特性空载摆动试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)23◆水轮机调节系统的静态和动态特性甩100%负荷试验(公伯峡电站300MW现场试验曲线)24◆水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T9652.1—1997对调速器主要动态参数要求参数btTd/sTn/sKPKI/s–1KD/s最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值数值≤0.05≥0.80≤2.00≥20.000.00≥2.00≤0.30≥20.00≤0.50≥10.000.00≥5.0025◆水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准对Ta和Tw的规定：水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw：对于PID型调速器，不大于4s；对于PI型调速器，不大于2.5s；机组惯性时间常数Ta：对于反击式机组，不小于4s；对于冲击式机组，不小于2s。比值Tw/Ta不大于0.4。26二.水轮机数字式（微机）电液调速器1.水轮机微机调速器的结构2.静态特性3.动态特性4.控制功能27二.水轮机数字式（微机）电液调速器双比例伺服阀系统原理框图28二.水轮机数字式（微机）电液调速器交流伺服电机自复中系统原理框图29二.水轮机数字式（微机）电液调速器步进电机伺服缸系统原理框图30二.水轮机数字式（微机）电液调速器比例伺服阀＋自复中系统原理框图31二.水轮机数字式（微机）电液调速器1.水轮机微机调速器的结构微机调节器、电/机转换装置、机械液压系统图2-1PLC水轮机微机调速器的总体框图3233二.水轮机数字式（微机）电液调速器◆典型结构步进电机（速度环）电液转换器/机械液压随动系统型步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图34步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器35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二.水轮机数字式（微机）电液调速器36交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器37二.水轮机数字式（微机）电液调速器微机调速器自动调节部分框图38二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：F=0，F=F–Ef，F=F+Ef，当–Ef≤F≤Ef时当Ef＜F时当F＜–Ef时EfΔFΔF–Ef039二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为0～0.5Hz在频率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即Ef=0～250Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在“频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在“开度调节”和“功率调节”模式下时，设定Ef=0.033Hz。40永态差值环节和人工死区：三种调节模式：人工开度/功率死区环节特性调节模式间的转换关系二.水轮机数字式（微机）电液调速器411.水轮机微机调速器的基本调节模式二.水轮机数字式（微机）电液调速器422.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度):微机调节器的静态特性()()0ppcPIDIfbyfbyy＝()0cgpcPIDIffbyy＝ngfffcgfff432.静态特性永态差值系数bp/epbp是指导叶接力器行程永态差值系数，用于“频率调节”和“开度调节”模式；ep是指机组功率的永态差值系数；部分调速器往往只引入bp的概念，即在“功率调节”模式下，也采用永态差值系数bp。442.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）:()0pcgIfepp＝()0cgpcgIffepp＝452.静态特性静态特性主要参数和变量频率给定fc功率给定Pc开度给定yc频率fg开度y永态差值系数bp462.静态特性接力器开度给定是机组频率等于频率给定时的接力器开度；频率给定是接力器开度等于接力器开度给定时的机组频率；cycygfcfPIDyPIDycfgf()0cgpcPIDIffbyy＝47对静态特性的影响调整频率给定和开度给定后的微机调节器静态特性2.静态特性()0cgpcPIDIffbyy＝ccyf、482.静态特性fc=50.5Hz，yc=0.5，bp=0.04(b)fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.04(a)0fg(Hz)y1.00.549.050.051.00fg(Hz)y1.00.549.550.551.5fc=50Hz，yc=0.5，bp=0.02(d)fc=50Hz，yc=0.25，bp=0.04(c)0fg(Hz)y1.00.2548.550.050.50fg(Hz)y1.00.549.550.050.549pcgcbyyff、、、、的关系：微机调节器的静态特性（bp=0）2.静态特性50人工频率死区：和人工开度/功率死区(a)fg、Ef以赫兹表示的特性(b)ef以相对值表示的特性Ef起作用时微机调节器的静态特性FEpFE/2.静态特性51Ey起作用时微机调节器的静态特性2.静态特性522.静态特性53Ef0、Ey0微机调节器静态特性2.静态特性54协联特性：微机调节器采用的水轮机协联曲线二.水轮机数字式（微机）电液调速器55插值节点表563.动态特性(PID传递函数表达式)STSKSKKSFSYv1DIPPID11)()(STSbTSTbTbTTSFSYv1tndtdtndPID1)/(11)()(tnDdtIdtndP1bTKTbKTbTTK573.动态特性(PID离散表达式)采样周期若要将PID调节规律用软件实现，则必须进行离散计算。采样周期是离散计算过程中极为重要的一个量。由PLC（可编程控制器）或其他工业控制计算机作为硬、软件主体构成的水轮机微机调速器，都是一种借助程序实现调节和控制功能的数字电子装置。可编程控制器是以巡回扫描的原理或定时处理的原理工作的。