水轮机调节的基本概念

1水轮机调节的基本概念华中科技大学魏守平2水轮机调节的基本概念o1.水轮机调节系统o2.水轮机调节的任务o3.水轮机调节系统的特点o4.水轮机调速器(水轮机控制系统)o5.水轮机微机调速器的原理图o6.水轮机微机调速器机械液压系统图o7.静态特性o8.动态特性3水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统水轮机调节系统的结构如图所示。其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率Pg、水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。基本概念引水和泄水系统水轮机、发电机电网、负荷执行机构放大校正元件给定元件反馈元件被控制系统水轮机控制系统（水轮机调速器）测量元件+––4水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统水轮机控制系统hydraulicturbinecontrolsystems:用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量的偏差，并将它们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。被控制系统controlledsystem:由水轮机控制系统控制的系统，它包括水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网。水轮机调节系统hydraulicturbineregulatingsystem:由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统。随动系统servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。基本概念5水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统水轮发电机组转动部分的运动方程为：式中：J——机组转动部分的惯性矩（kg·m2）；——机组转动角速度（rad/s）；n——机组转动速度r/min）；Mt——水轮机转矩（N·m）；Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。上式清楚地表明，水轮发电机组是转速对力矩的积分环节，机组转速(频率)保持恒值的条件是，即要求，否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速(频率)偏差；在以后的分析中可以看到，由于水轮发电机组具有水轮机转矩对转速的传递系数(())和发电机负载转矩对转速的传递系数的特性，使得水轮发电机组转速对力矩是一个一阶惯性环节。gtddMMtJ30n0ddtgtMM基本概念texe6水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统水轮机转矩式中：Q——通过水轮机的流量（m3/s）；H——水轮机净水头（m）；η——水轮机效率；——水的密度g/m3）。所以，在一定的机组工况下，只有调节流量Q和效率，才能调节水轮机转矩，达到的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量Q）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率），使，才能使机组在一个允许的稳定转速（频率）下运行。从这个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。tttQHM基本概念7水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统开环系统:众所周知，如果系统的输出量对系统的输入(控制)作用没有影响，则这个系统是开环系统(Openloopsystem)。因此，对应于一个输入(控制)量，便有一个相应固定的输出量与之对应，系统的控制精度取决于系统参数的校准；但是，当系统出现扰动或参数变化时，原来相应固定的输出量就会变化了；所以，采用开环控制系统是不可能构成精确的控制系统的。闭环系统:从图可以看出，水轮机调节系统的输出(机组(电网)频率、机组功率等)对系统的控制作用(转速(频率)给定、机组功率给定、接力器开度给定等)有着直接的影响，一般称其为反馈作用(Feedbackeffect)；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统(调速器)自身也是一个闭环系统。输入信号与反馈信号之差称之为误差，误差信号施加在控制器的输入可以减少系统的误差，并使系统的输出量趋于给定值。所以，闭环系统就是利用反馈来减小系统的误差。当然，对于一个闭环控制(调节)系统来说，系统的稳定性(Stability)始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制(调节)系统的动态过程及动态品质(性能)也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制(调节)系统动态稳定时，还可能出现动态过程中超调或衰减振荡(Damplyoscillation)现象。水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统基本概念8水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。调节系统的静态又称为稳定状态:稳定状态(steadystate)是指机组在恒定的负荷、给定信号和水头下运行，水轮机控制系统和水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。调节系统的动态又称为瞬态:当系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，系统将出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新稳定状态的运动过程,就称为水轮机调节系统和水轮机控制系统的动态。系统动态不稳定时，则出现等幅振荡或发散振荡，系统不能正常工作、没有稳定状态；所以，一个动态系统是稳定的，是对闭环动态系统的最基本要求。水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统基本概念9水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统闭环系统的稳定性在扰动作用下会偏离原来的平衡状态(静态)而产生偏差，进入动态，所谓动态系统的稳定性，就是指当上述扰动消失后或者扰动保持为常量时，动态系统由动态恢复到新的平衡状态(静态)的性能。如果系统能够恢复到平衡状态，则系统是稳定的；若系统偏差不能消除且愈来愈大、不能恢复到到平衡状态，则称系统是不稳定的。显然，稳定性是一个闭环动态系统能够正常工作的最基本要求。水轮机调节的基本概念1.水轮机调节系统基本概念引水和泄水系统水轮机、发电机电网执行机构放大校正元件给定元件反馈元件被控制系统水轮机控制设备（系统）测量元件+––水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统，由水轮机控制系统和被控制系统组成，它除了具有一般闭环控制系统的共性外，还有一些值得注意的特点.10水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务在水轮机数字式(微机)电液调速器出现以前，水轮机调速器的主要作用是根据偏离机组频率(转速)额定值的偏差，调节水轮机导叶和轮叶机构，维持机组水力功率与电力功率平衡，使机组频率(转速)保持在额定频率(转速)附近的允许范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率(转速)调节器。现代水电厂和电力系统，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。基本概念11水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务在数字式微机电液调速器发展、完善和广泛应用的同时，水电厂自动发电控制(AGC)系统、电网能量管理系统(EMS)也日趋成熟并进入实用化的阶段；现代电力系统中，区域电网容量迅速加大，区域电网间联网并要求进行交换功率控制；大中型和多数小型水轮发电机组均并入大的区域电网运行。在这种运行方式下，电网的负荷频率控制(LFC)是通过电网AGC系统和电厂AGC系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系统实现的。当机组并入大电网运行时，水轮机调速器主要作为电网一次调频/负荷控制器、电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用。基本概念12水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水轮机调节”来描述了，它除了具有调节水轮发电机组频率(转速)的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流量控制、电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制(TBC)等附加的控制功能。IEC关于水轮机调速器的技术规范导则(IEC61362(1998))和试验(IEC60308(2005))中对水轮机调速器都是用“水轮机控制系统”来命名的；我国的水轮机调速器与油压装置的国家标准(技术条件和试验)已经修订，也将主题词“水轮机调速器与油压装置”改为“水轮机控制系统”。基本概念13水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务1).水轮机调速器作为被控制的水轮发电机组或其并入电网的频率调节器：(1).在被控制的水轮发电机组空载工作状态时作为机组频率调节器在被控制的水轮发电机组空载工作状态时，水轮机调速器起作机组的频率调节器的作用，调节并维持机组频率在额定频率附近，跟踪电网频率，使被控机组能尽快同期、并入电网运行；(2).在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，作为电网的频率调节器：①.被控制的水轮发电机组并入大电网运行，水轮机调速器根据电网规定完成电网一次调频的任务；②.被控制的水轮发电机组单机带负荷或在小电网中运行，水轮机调速器的任务是调节被控机组或小电网的频率在额定频率附近，尽量减小负荷突变时的动态频率升高或降低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度；③.被控制的水轮发电机组甩负荷时，水轮机调速器调节被控制机组到空载状态运行；基本概念14水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务2).在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，水轮机调速器作为被控机组的功率调节器：在被控制的水轮发电机组并入电网运行时，水轮机调速器接收并完成完成电网调度下达的机组给定功率的指令，调节水轮机组有功功率，满足电网二次调频的要求；3).水轮机调速器作为被控制机组的工况控制器在水电站计算机监控系统等的统一控制下，协调完成被控制机组的开机、停机、增加或减小负荷、甩负荷，调相和紧急停机等工作状态及过程的控制任务。基本概念151).水流惯性：水轮机过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性时间常数Tw来表述：水流惯性时间常数(Waterinertiatimeconstant)是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间。(1).水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。(2).从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统；(3).在动态过程中，当水轮机导叶关闭时，调节目标是减小水轮机力矩，但是由于引水系统水流减速、水流动能转变为势能、水轮机工作压力短时上升，而导致水轮机力矩有短时段的增大；反之，当水轮机导叶开启时，调节目标是增大水轮机力矩，但是由于引水系统水流加速而导致水轮机压力有短时段的降低，导致水轮机力矩有短时段的减小。所以，当水轮机导叶开启或关闭时，都会产生与控制目标相反的逆向调节。随着水轮机导叶开启或关闭速度的增大，动态过程中的逆向调节增强，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。lvTwgh=?水轮机调节的基本概念3.水轮机调节系统的特点基本概念16水轮机调节的基本概念3.水轮机调节系统的特点水流惯性时间常数Tw表达式为：式中：A——每段过水管道的截面积（m2）；L——相应每段过水管道的长度（m）；v——相应每段过水管道内的流速（m/s）；g——重力加速度（m/s2）；Tw——水流惯性时间常数（s）。从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统，对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。gHLvALgHQTrrw基本概念172).机械惯性：机组惯性时间常数(Unitinertiatimeconstant,unitaccelerationconstant)是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。式中：—额定转速时机组的惯性矩（kg·m2）；Mr—机组额定转矩（N·m）；GD2—机组飞轮力矩（kN·m2）；nr—机组额定转速（r/min）；Pr—机组额定功率（