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水轮机调节【发电公司第三期运维培训（2014年度）】主讲：杨平主要内容水轮机调节概述调节系统参数对水轮机调节系统稳定性和动态品质的影响调速器PID调节的基本原理调速器的试验赶场调速器实例讲解调速器的运行维护水轮机调节概述水库引水管道导水机构转轮发电机电力系统调速器发电机供是频率ffg+水力发电过程水轮发电机组把水能变成电能供用户使用，用户除要求供电安全可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某一范围内。因此，必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。这一功能就要依靠水轮机调节系统来完成。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±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。水轮机调节原理水轮机与发电机连成的一个整体，称之为水轮发电机组。我们可以把机组转动部分看成一个围绕定轴转动的刚体，根据理论力学可以得出机组运动方程式：机组的运动方程由此方程可见：当Mt-Mg0时，机组转速上升；当Mt-Mg＜0时，机组转速下降；当Mt-Mg=0时，机组转速保持不变。所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=neQHPMt81.9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Mt的目的。调节流量Q的途径：反击式：通过改变导叶开度a0，ZZ：同时改变桨叶片转角。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)，使水轮机组转速维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化，这一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。水轮机+导水机构+调速器——水轮机自动调节系统调速器主要有以下几个部分组成：测量元件：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后输出。综合元件：将测频、反馈来的信号综合，输送给放大元件放大元件：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。执行元件：主接力器，控制导叶开度，改变流量反馈元件：缓冲器和杠杆机构，用于保证调节的适度性和稳定性。调速器手动调节和自动调节两种：手动调节导水机构机组电力系统频率表运行人员机械传动导水机构机组电力系统测量元件放大元件执行元件自动调节转速给定反馈元件水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象(包括引水系统、水轮机、发电机及负载)共同组成。水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比有以下特点:水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功;1有些水轮机还具有双重调节机构，从而增加了调速器的复杂性。3调速器具有多种功能。4水击的反调效应不仅不利于调节系统的稳定，而且严重恶化了调节系统的动态品质。2对调速器的基本要求为了保证水轮发电机组安全、可靠运行，改善电能品质，水轮机调速器还应满足以下基本要求：及时。1平稳。3准确。2在负载发生变化后，调速器应能很快反应，及时动作，并在尽可能短的时间内使机组重新稳定。调节过程中机组转速等工作参数发生波动是必然的，但是，波动的次数要少，幅度要小。调速器对导叶开度的控制应当准确。要与负载变化的要求一致。调速器的分类1、按调速器元件结构分：机械液压(机调)和电气液压(电调)电调优越性：调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。电气液压：用电气回路代替机调中的机械元件。2、按调节机构数分：单调、双调。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调节系统参数对水轮机调节系统稳定性和动态品质的影响水流惯性时间常数Tw1机组惯性时间常数Ta2负载惯性时间常数Tb3机组综合自调节系数en4暂态转差系数bt5缓冲时间常数Td6加速时间常数Tn7局部反馈强度bλ8永态转差系数bp9接力器反映时间Ty10典型PLC水轮机微机调速器结构图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种结构的调速器必须具备的主通道，包括通道u/N、通道y1和通道Y。通道u/N是微机(PLC)调节器的输出通道，它的输出可以是电气量u，也可以是数字量N。u/N信号送到电/机转换装置作为其输入信号。通道y1是电机转换装置的前向输出通道，它输出的主要是机械位移，也可以是液压信号，是机械液压系统的输入控制信号。通道Y是机械液压系统的输出通道，它输出的是接力器的位移，也是调速器的输出信号。前向通道反馈通道综合比较点与前向通道信息传递方向相反的通道，反馈通道有2-1,3-1.2-2,3-2和3-3。例如，反馈通道3-1是接力器位移Y经过电肌转换装置转换为电气量或数字量，再送给微机((PLC)调节器作为反馈信号的通道。综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。位于微机(PLC)调节器、电/机转换装置和机械液压系统中的3。图中绘出了分别个比较点:Al,A2,A3。在一般情况下，A1是数字量综合比较点，AZ是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。PLC调节器PLC水轮机微机调速器结构框图水轮机微机调速器静特性分析对于水轮机调节系统来说，最根本的要求是稳定性。在系统稳定的基础上，还对其动态过渡过程品质也有一定的要求。我们通常通过调速器静特性试验的方法来进行分析，下面将以一组具体的数值来分析分析频率给定fc和开度给定Yc对微机调速器的静态特性的影响。如图所示为频率给定分别等于50Hz和50.5Hz时的两条微机调速器的静特性。从图中可以清楚地看出，两条静特性线是平行的直线，其间的纵坐标距离为0.5Hz，故调整频率给定，相当于纵向平移静特性。当水轮发电机组并入大电网运行时，可认为电网频率保持为50Hz。当频率给定fc由50Hz调整到50.5Hz时，则由原来的0.5开启到1.0。所以，此时调整频率给定fc，可以增/减机组所带的负荷。但是，由于水轮机微机调速器都设有开度给定环节，因此，一般不采用调整频率给定的方法来增减负荷，而采用调整开度给定(或功率给定)的方法。PIDy如图所示为开度给定Yc分别等于0.5和0.75时的两条微机调速器的静特性。从图中可以看出，两条静特性线是平行线，故调整给定开度，相当于横向平移静特性;其间的横坐标距离为0.25。当水轮发电机组并入电网运行时，可认为电网频率保持为50Hz，当yc由0.5调整到0.75时，Yc则由原来的0.5开启到0.75。显然，调整开度给定y。来改变微机调速器接力器的开度是正确的方法。调速器ＰＩＤ调节的基本原理PID调节的概念在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的PID控制器问世至今已有近70年历史，它结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，在水轮机调速控制系统得到广泛应用。我司微机调速器大都采用PLC可编程控制器，利用其闭环控制模块来实现PID控制何为开环控制系统、闭环控制系统？1.开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2.闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈；若极性相同则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。稳态误差指系统的响应进入稳态后﹐系统的期望输出与实际输出之差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)的调速器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（机组惯性时间常数）或有滞后(水流惯性时间常数)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的机组的特性参数，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)确定比例系数Kp确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ki=0、Kd=0，使之成为纯比例调节。输入设定为系统允许输出最大值的60％～70％，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60％～70％。(2)确定积分时间常数Ki比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ki，然后逐渐减小Ki，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ki，直至系统振荡消失。记录此时的Ki，设定PID的积分时间常数Ki为当前值的150％～180％。(3)确定微分时间常数Kd微分时间常数Kd一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30％。(4)系统空载调试将机组开至空转，对PID参数进行微调，直到满足性能要求PID参数调节的常用口诀:参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间降下来，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1。