水轮机调速器的基本概念

水轮机调节的基本概念2水轮机调节的基本概念问题1、水电厂的生产过程是怎样实现的？2、水轮机调速器的任务是什么？3、调速器为什么要进行PID调节？3水电厂的生产过程是怎样实现的?•水电厂是将水的势能转换为机械水轮机的机械能，再将水轮的机械能通过发电机在电磁场做切割磁力线运动将机械能转换为电能。水的势能－－机械能－－电能4水轮机调节的基本概念一.水轮机调节的基本概念二.水轮机微机电液调速器5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6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。7调速器为什么要进行PID调节？PID调节的目的是使水能发电机组在规定的时间和调节的范围内快速、平稳的控制机组到达理想的控制目标值。KP（比例、增益）的作用：提高调速器的速度性。KD（微分环节）的作用：增强调速器的相应速度，提高调速器调节的速度性。KI（积分环节）的作用：提高调速器的稳定性，使调速器平稳调节。只有在三个参数比较匹配的情况下，调速器按规定的理想曲线进行调节。8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9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、非线性特性其中Q－机组流量；L-引水管长度；H－水头；Pr-机组额定功率；nr-机组额定转速；GD2-机组转动惯量手动水轮机调节比例操作微分操作（加速度）积分操作gHLQTwrrpnGDTa35802210水轮机微机调速器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11PID结构：图1-3微机调速器结构图12带前馈的PID结构：13◆水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准GB/T9652.12007GB/T9652.22007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)(sb14永态差值系数：静速死区：图1-6转速死区ixxi◆水轮机调节系统的静态和动态特性15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16◆水轮机调节系统的静态和动态特性GB/T9652.1—2007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%17◆水轮机调节系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=bt×Td接力器响应时间常数Ty图1-9接力器响应时间常数Ty18◆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—2007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。21水轮机微机电液调速器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22水轮机微机电液调速器双比例伺服阀系统原理框图23水轮机微机电液调速器交流伺服电机自复中系统原理框图24水轮机微机电液调速器步进电机伺服缸系统原理框图25水轮机微机电液调速器比例伺服阀＋自复中系统原理框图26水轮机微机电液调速器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27水轮机微机电液调速器◆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28步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图水轮机微机电液调速器29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水轮机微机电液调速器30交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图水轮机微机电液调速器31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水轮机微机电液调速器32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。33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bp34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静态特性()0cgpcPIDIffbyy＝ccyf、35.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)y1.00.549.550.050.536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/静态特性37动态特性(PID传递函数表达式)tnDdtIdtndP1bTKTbKTbTTK38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。可编程控制器完整地执行一次可编程控制器系统、用户程序所占用的时间，称之为采样周期。准确地知道采样周期的数值，对于准确地应用离散PID算法来实现PID调节规律是十分重要的。39动态特性PI响应特性：PI调节器的阶跃输入响应特性水轮机数字式（微机）电液调速器40PID响应特性开环增量环节的作用PID调节器的阶跃输入响应特性PID调节器的阶跃输入响应动态特性41控制功能工作状态：微机调速器工作状态转换图运行方式：自动/手动故障诊断：测频导叶反馈功率/水头变送器42机组频率测量测量方式：高速计数模块配合中断模块测量（全可编程测频）频率信号源：发电机机端电压互感器,交流(0.3～150V)齿盘测频的非接触式接近开关（DC24V供电）测频范围：残压测频(10～100Hz)齿盘测频：(2～100Hz)测频分辨率：±0.0015Hz43机组频率测量测量频率一般采用测量周期法（简称测周法）或测量频率法（简称测频法）。测频法是指：通过测量单位时间内被测信号的频率数来测量频率。显然，对于额定频率为50Hz的水轮发电机组的频率来说，用这种方法是不合适的，它只适合于测量处于高频段的频率信号。44机组频率测量f1放大整形分频高频时钟信号Nf2f3f4&f3FtttttNTf1f2f4TT45机组频率测量F必然正比于被测的频率值。例如，取N=2×106Hz，则在被测频率为50Hz时，其T=0.02s，NT=40000；若取式中的常数C=2×109，则求得测量结果为F=50000。若被测频率为48Hz，则求得F=48000。46适应式变参数调节国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以PID为基础的调节规律。近年来，国内外都在进行自适应控制、模糊控制等调节规律在水轮机调节中应用的仿真研究与应用探索，取得了一些初步理论结果，但尚无采用这些调节规律的数字式电液调速器在水电站试验成功的报道。鉴于水轮机调节系统的复杂性，强非线性和多运行工况，对运行工况、技术要求和运行条件适应的变参数调节，是经过实践检验并得到广泛成功运用的调节方式。47适应式变参数调节机组转速（频率）适应式变参数PID调节空载运行工况（适应运行水头）机组并入大电网运行（适应大网/小网工况和频率/功率调节模式）机组在小（孤立）电网中运行48适应式变参数调节功率适应式变参数PI调节a.适应运行水头和功率偏差大小b.为了实现机组功率Pg对AGC系统下达的功率给定Pc的快速、单调跟踪，必须采用有开环增量ΔP的功率调节模式。由于机组功率Pg是机组水头H和导叶开度Y的函数，在编程时一定要使ΔP为H和Y的函数，即ΔP对H和y适应式变参数。否则，在低水头工况整定的ΔP值，将使在高水头下的功率调节出现大的超调和振荡。c.为了适应机组运行水头、水轮机导叶开度/机组功率和功率偏差值的不同情况，采用适应式变参数机组功率的PI调节49适应式变参数调节电气开度限制L的适应式变参数为了保证水轮发电机组合理安全运行，必须根据水轮机特性，适应机组运行水头，设定与之对应的导叶最大开度值。同上，可在微机调节器内写入Lmax（H）的节点表，由运行水头插值求得相应最大电气开度限制Lmax。50适应式变参数调节适应式两段开机特性51适应式变参数调节适应式两段开机特性调速器接到开机指令后，即通过电气开度限制L0将导叶开启至第一开机开度YKJ1（图中的A点）经过一段时间开始测量机组转速（频率），设在C点机组频率已连续2s大于45Hz，则通过电气开限L将导叶压至第二开机开度YKJ2，调速器转入空载运行工况，由PID调节导叶至空载开度Y052在线诊断功能—程序出错和CPU模块故障；—模拟／数字转换器和输入通道故障；—数字／模拟转换器和输出通道故障；—通讯模块故障；—开度、功率传感器及其反馈通道故障；—电源系统故障；—水头传感器故障；—紧急停机回路故障；—测速系统故障；53大型调速器机械液压系统框图微机调节器电/机转换装置机械开限/手动装置紧急停机电磁阀手动紧急停机阀主配压阀事故配压阀导叶分段关闭装置接力器机组频率油压装置54中小型调速器机械液压系统框图微机