水轮机调节基本概念.ppt

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1、关于水轮机调节的基本概念1第一张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月2 2水轮机调节的基本概念o1.1.水轮机调节系统水轮机调节系统o2.2.水轮机调节的任务水轮机调节的任务o3.3.水轮机调节系统的特点水轮机调节系统的特点o4.4.水轮机调速器水轮机调速器(水轮机控制系统水轮机控制系统)o5.5.水轮机微机调速器的原理图水轮机微机调速器的原理图o6.6.水轮机微机调速器机械液压系统图水轮机微机调速器机械液压系统图o7.7.静态特性静态特性o8.8.动态特性动态特性第二张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月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

2、。其工作过程为：水轮机调节系统的结构如图所示。其工作过程为：测量元件测量元件把机组把机组转速转速n n（频率（频率f f）、功率）、功率P Pg g、水头、水头H H、流量、流量QQ等参量测量出来，与等参量测量出来，与给定信号给定信号和和反馈信号反馈信号综合后，经综合后，经放大校正元件放大校正元件控制控制执行机构执行机构，执行机构执行机构操纵操纵水轮水轮机导水机构机导水机构和和桨叶机构桨叶机构，同时经，同时经反馈元件反馈元件送回送回反馈信号反馈信号至至信号综合点信号综合点。基本概念第三张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月4 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统 水轮机控制系统水轮

3、机控制系统 hydraulic turbine control systems:hydraulic turbine control systems:用来用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量检测被控参量（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。一些设备所组成的系统。被控制系统被控制系统 controlled system:controlled system:由水轮机控制系统控制的系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

4、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。其所并入的电网。水轮机调节系统水轮机调节系统 hydraulic turbine regulating system:hydraulic turbine regulating system:由由水水轮机控制系统轮机控制系统和和被控制系统被控制系统组成的闭环系统组成的闭环系统。随动系统随动系统 servo-system:servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、放大自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。的位置反馈控制系统。基本概念第四张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月5 水轮机调节

5、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：水轮发电机组转动部分的运动方程为：式中：式中：J J机组转动部分的惯性矩（机组转动部分的惯性矩（kgkgm2m2）；）；机组转动角速机组转动角速度（度（rad/srad/s）；）；n n机组转动速度机组转动速度r/minr/min）；）；MMt t水轮机转矩水轮机转矩（NNmm）；）；MMg g发电机负荷阻力矩（负载转矩）（发电机负荷阻力矩（负载转矩）（NNmm）。）。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，机组转速组转速(频率频率)保持恒值的条件是保持恒值的条件

6、是 ，即要求，即要求 ，否则就，否则就会导致机组转速会导致机组转速(频率频率)相对于额定值持续升高或降低，从而出现转相对于额定值持续升高或降低，从而出现转速速(频率频率)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水轮机转矩对转速的传递系数()()和发电机负载转矩对转速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。环节。基本概念第五张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月6 水轮机调节的基本概念 1.水轮机调

7、节系统水轮机转矩水轮机转矩 式中：式中：QQ通过水轮机的流量（通过水轮机的流量（mm3 3/s/s）；）；H H水轮机净水头（水轮机净水头（mm）；）；水轮机效率；水轮机效率；水的密度水的密度g/mg/m3 3）。）。所以，在一定的机组工况下，只有调节流量所以，在一定的机组工况下，只有调节流量QQ和效率和效率 ，才能调节水轮机转，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，只有当水轮机调速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质

8、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QQ）和水轮机轮叶）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。率与负荷功率的平

9、衡。基本概念第六张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月7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是一个闭环自动调节系统开环系统开环系统:众所周知，如果系统的输出量对系统的输入众所周知，如果系统的输出量对系统的输入 (控制控制)作用没有影响，则这作用没有影响，则这个系统是开环系统个系统是开环系统(Open loop system)(Open loop system)。因此，对应于一个输入。因此，对应于一个输入(控制控制)量，便有一个相应固量，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，当系统出现扰动或定的输出量与之对应，系统的控制精度取决于系统参

10、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。精确的控制系统的。闭环系统闭环系统:从图可以看出，水轮机调节系统的输出从图可以看出，水轮机调节系统的输出(机组机组(电网电网)频率、机组功率等频率、机组功率等)对系统的控制作用对系统的控制作用(转速转速(频率频率)给定、机组功率给定、接力器开度给定等给定、机组功率给定、接力器开度给定等)有着直接的影响，有着直接的影响，一般称其为反馈作用一般称其为反馈作用(Feedback effect)(F

11、eedback effect)；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控；所以，水轮机调节系统是一个闭环系统，水轮机控制系统制系统(调速器调速器)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(调节调节)系统来说，系统的稳定性系统来说，系统的稳定性(

12、Stability)(Stability)始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制始终是一个重要问题。除去稳定问题之外，闭环控制(调节调节)系统的动态过程及动态系统的动态过程及动态品质品质(性能性能)也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制也是比开环系统复杂的多；因为，闭环控制(调节调节)系统动态稳定时，还可能出现系统动态稳定时，还可能出现动态过程中超调或衰减振荡动态过程中超调或衰减振荡(Damply oscillation)(Damply oscillation)现象。现象。水轮机调节的基本概念 1.水轮机调节系统基本概念第七张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月8水轮机调节系统

13、是一个水轮机调节系统是一个闭环闭环自动调节系统自动调节系统 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：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）。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调节系统的静态又称为稳定状态:稳定状态稳定状态 (steady state)(steady state)是指机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。节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状

14、态。调节系统的动态又称为瞬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；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

15、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。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第八张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月9水轮机调节系统是一个闭环自动水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统调节系统闭环系统的稳定性闭环系统的稳定性 在扰动作用下会偏离原来的平衡状态在扰动作用下会偏离原来的平衡状态(静静态态)而产生偏差，进入动态，所谓动态系统而产生偏差，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扰动保持为常量时，动态

16、系统由动态恢复到新的平衡状态到新的平衡状态(静态静态)的性能。如果系统的性能。如果系统能够恢复到平衡状态，则系统是稳定的；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。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。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水轮机调节系统是一个闭环自动调节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系统，由水轮机控制系统和被控制系统组成，

17、它除了具有一般闭环控制系统的组成，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共性外，还有一些值得注意的特点.第九张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月10 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务 在水轮机数字式在水轮机数字式(微机微机)电液调速器出现以前，水轮机调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速器的主要作用是根据偏离机组频率(转速转速)额定值的偏差，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，使机组频率平衡，使机组频率(转速转速)保持在额定频率保持在额定频率(

18、转速转速)附近的允许附近的允许范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个范围之内。这时的水轮机调速器主要是一个机组频率机组频率(转速转速)调节器调节器。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。提出了新的和更严格的要求。基本概念第十张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月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，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水电厂自动发电控制(AGCAGC)系统、电网能量管理系统系统、电网能量管理系统

19、(EMSEMS)也日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行方式下，电网的负荷频率控制(LFCLFC)是通过电网是通过电网AGCAGC系统和电系统和电厂厂AGCAGC系统来控制水电机组的水轮机调速器及火电组的调速系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。统实现的。

20、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。制器使用。基本概念第十一张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月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因而，现代水轮机调速器承担的任务已不能仅仅用“水轮水轮机调节机调节”来描述了，来描述了，它除了具有调节水轮发电机组频率它除了具有调节水轮发电机组频率(转速转速)的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流量控制、

21、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电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制(TBC)(TBC)等附加的控制功能。等附加的控制功能。IECIEC关于水轮机调速器的技术规范导则关于水轮机调速器的技术规范导则(IEC61362(1998)(IEC61362(1998)和试验和试验(IEC60308(2005)(IEC60308(2005)中对水轮机调速中对水轮机调速器都是用器都是用“水轮机控制系统水轮机控制系统”来命名的；我国的水轮机调速器来命名的；我国的水轮机调速器与油压装置的国家标准与油压装置的国家标准(技术条件和试验技术条件

22、和试验)已经修订，也将主已经修订，也将主题词题词“水轮机调速器与油压装置水轮机调速器与油压装置”改为改为“水轮机控制系统水轮机控制系统”。基本概念第十二张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月13 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务1).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 频率调节器频率调节器：(1).(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在被控制的水轮发电机组空

23、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；同期、并入电网运行；(2).(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：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：.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；一次调频的任务；.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

24、任务是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；高或降低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度；.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；行；基本概念第十三张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月14 水轮机调节的基本概念2.水轮机调节的任务2).2).在被控制的水轮发电机组

25、并入电网运行时，水轮机调速器作为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被控机组的功率调节器功率调节器：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).3).水轮机调速器作为被控制机组的水轮机调速器作为被控制机组的工况控制器工况控制器 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。基本概念第十四张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月15 1).1).水流惯性水流惯性：水轮机

26、过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性：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时间常数T Tww来表述：水流惯性时间常数来表述：水流惯性时间常数 (Water inertia time constant)(Water inertia time constant)是在额定工况下的表征过水管道中水流惯性的特征时间。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).(1).水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tww的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水管道内的流量作用下，过水管道内的流量QQ由由0 0加加大至额定流量大至额定流量QQr r所需要

27、的时间。所需要的时间。(2).(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；位系统；(3).(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

28、水系统水的增大；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

29、这种水流惯性的一种形象的表述。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。水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点基本概念第十五张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月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水流惯性时间常数T Tww表达式为：表达式为：式中：式中：A A每段过水管道的截面积（每段过水管道的截面积（mm2 2）；）；L L相应每段相应每段 过水管道的长度过水管道的长度（mm）；）；v v相应每段过水管道内的流速（相应每段过水管道内的流速（m/sm/s）；）；g g重力加速度（重力加速度（m/sm/s2 2）

30、；）；T Tww水流惯性时间常数（水流惯性时间常数（s 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。惯性的一种形象的表述。水流惯性时间常数水流惯性时间常数T Tww的物理概念是：在额定水头的物理概念是：在额定水头H Hr r作用下，过水作用下，过水管道内的

31、流量管道内的流量QQ由由0 0加大至额定流量加大至额定流量QQr r所需要的时间。所需要的时间。基本概念第十六张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月17 2).2).机械惯性机械惯性：机组惯性时间常数机组惯性时间常数 (Unit inertia time constant,unit(Unit inertia time constant,unit acceleration constant)acceleration constant)是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比是机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。式中：式中：额定转速时机组的惯性矩（额定转速时机组的惯性矩（kgm2）；）

32、；Mr r机组额定转矩（机组额定转矩（Nm）；）；GD2机组飞轮力机组飞轮力矩（矩（kNm2）；）；nr r机组额定转速（机组额定转速（r/min）；）；Pr r机组额定功率（机组额定功率（kW）；）；Ta a机组惯性时间常机组惯性时间常数（数（s）。）。(1).(1).机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩MMr r作用下，机组转速作用下，机组转速n n由由0 0上升额定转上升额定转速速n nr r所需要的时间；这使得对于一个阶跃输入信号，机组转速的动态过程有明显的惯性特所需要的时间；这使得对于一个阶跃输入信号，机组转速的动态过程有明显的

33、惯性特性，其转速呈指数曲线规律变化；从手动快速开启或关闭水轮机导水机构一个开度性，其转速呈指数曲线规律变化；从手动快速开启或关闭水轮机导水机构一个开度开始，至机组转速到达变化差值开始，至机组转速到达变化差值95%95%的时间为的时间为3 T3 Ta a，至机组转速到达变化差值，至机组转速到达变化差值98%98%的时间的时间为为4 T4 Ta a。例如，。例如，Ta=10sTa=10s，则转速到达变化差值，则转速到达变化差值95%95%的时间的时间t t0.950.9530s30s，到达变化差值，到达变化差值98%98%的时间的时间t t0.980.9840s40s。(2).(2).水轮发电机组

34、的这种惯性特性，一方面使得动态过程缓慢，另一方面又使得水轮机调水轮发电机组的这种惯性特性，一方面使得动态过程缓慢，另一方面又使得水轮机调节系统系统容易产生振荡和超调。节系统系统容易产生振荡和超调。(3).(3).机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a也可以用下式表示：也可以用下式表示：式中：式中：GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩T Tmm2 2；其余参数单位同上。；其余参数单位同上。(4).(4).机组并入电网运行，发电机负载也有惯性特性：负载惯性时间常数机组并入电网运行，发电机负载也有惯性特性：负载惯性时间常数(Load inertia(Load inertia time con

35、stant)-time constant)-由电网引起的动量矩与额定转矩之比。由电网引起的动量矩与额定转矩之比。T Tb b，ss。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第十七张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月18 水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a表达式为：表达式为：式中：式中：额定转速时机组的惯性矩（额定转速时机组的惯性矩（kgkgmm2 2）；）；MMr r机组额定转矩机组额定转矩（NNmm）；）；GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩kNkNmm2 2）；）；n nr r机组额定转速（机组额定转速（r/

36、minr/min）；）；P Pr r机组额定功率（机组额定功率（kWkW）；）；T Ta a机组惯性时间常数（机组惯性时间常数（s s）。）。机组惯性时间常数机组惯性时间常数T Ta a的物理概念是：在额定力矩的物理概念是：在额定力矩MMr r作用下，机组转作用下，机组转速速n n由由0 0上升至额定转速上升至额定转速n nr r所需要的时间。所需要的时间。也可以用下式表示也可以用下式表示:式中：式中：GDGD2 2机组飞轮力矩机组飞轮力矩T Tmm2 2）；其余参数单位同上）；其余参数单位同上.基本概念第十八张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月19水轮机调节的基本概念 3.水轮机调

37、节系统的特点 3).3).系统具有复杂的、非线性特性系统具有复杂的、非线性特性：水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统:(1).(1).水轮机型式多种多样：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲水轮机型式多种多样：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵击式、水泵/水轮机式等，因而不同被控制系统之间的特性和控制功能要求水轮机式等，因而不同被控制系统之间的特性和控制功能要求是有很大差异的；是有很大差异的；(2).(2).对于同一个水轮发电机组来说，在不同运行水头和不同的水轮机导叶对于同一个水轮发电机组来说，在不同运行水头和不同的水轮机

38、导叶开度时的静态及动态特性也是不同的，体现出水轮机特性具有非线性的特开度时的静态及动态特性也是不同的，体现出水轮机特性具有非线性的特征；征；(3).(3).水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同期并网前和从水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同期并网前和从电网解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运电网解列后的空载、孤立电网运行、以转速控制和功率控制并列于大电网运行、水位和行、水位和/或流量控制等，在不同的工况下，对水轮机调速器的要求也是或流量控制等，在不同的工况下，对水轮机调速器的要求也是相差很大的。相差很大的。第十九张，PPT共一百五十七页，创

39、作于2022年6月20水轮机调节的基本概念 3.水轮机调节系统的特点4).4).要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力要求水轮机调速器具有高可靠性和大的接力器操作力：为了水轮为了水轮发电机组和电网的安全运行，要求水轮机调速器发电机组和电网的安全运行，要求水轮机调速器具有高可靠性，因此水轮机调速器必需在其工作电源消失，仍然能靠具有高可靠性，因此水轮机调速器必需在其工作电源消失，仍然能靠储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构储存的能源可靠地关闭水轮机导水机构,以保证以保证机组安全；此外，水轮机控制设备是通过接力器来操作水轮机组安全；此外，水轮机控制设备是通过接力器来操作水轮机导水机构和轮叶机构

40、的，这种调节需要很大的动力，因机导水机构和轮叶机构的，这种调节需要很大的动力，因此，绝大多数水轮机调速器必需采用机械液压执行机构，并此，绝大多数水轮机调速器必需采用机械液压执行机构，并且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。且采用能储存能源的压力罐提供工作油源。第二十张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月21手动水轮机调节手动水轮机调节 在水轮机调节的初期，水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制在水轮机调节的初期，水轮发电机组的转速控制是由操作人员手动控制完成的。经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结，随着机完成的。经过长期对被控制系统特性的认识和手动控制经验的总结，随着

41、机械技术、液压技术、电气技术、计算机技术、自动控制技术等的出现及应械技术、液压技术、电气技术、计算机技术、自动控制技术等的出现及应用，才逐步使水轮机调节系统成为当今的水轮机闭环自动调节系统；即使在用，才逐步使水轮机调节系统成为当今的水轮机闭环自动调节系统；即使在现在，手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式。所以了解水现在，手动控制仍然是水轮机调节系统的一种必备的操作方式。所以了解水电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法，有利于形象地了解水轮电站值班人员手动控制水轮机组的转速的基本方法，有利于形象地了解水轮机调节系统的基本工作原理的，也有利于形象地了解比例机调节系统的基本工作原理

42、的，也有利于形象地了解比例-积分积分-微分微分(PID)(PID)调调节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。节规律对于水轮机调节系统动态特性的作用。手动控制的基本原则是：进行手动水轮机调节时，最基本的参数是水轮手动控制的基本原则是：进行手动水轮机调节时，最基本的参数是水轮发电机组的频率发电机组的频率(或转速或转速)，运行人员必须监视被控制的水轮发电机组的频率，运行人员必须监视被控制的水轮发电机组的频率或电网的频率。当频率大于或小于或电网的频率。当频率大于或小于50Hz50Hz时，则相应地关闭或开启水轮机导时，则相应地关闭或开启水轮机导水机构，使频率回复到水机构，使频率回复到50Hz50Hz左

43、右的一个允许的范围内。左右的一个允许的范围内。由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯由于被控机组具有水轮机过水管道的水流惯性和水轮发电机组的机械惯性，因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则：性，因此在手动调节时运行人员必须掌握下列操作原则：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第二十一张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月22手动水轮机调节手动水轮机调节比例操作比例操作输出与输入成比例，及时反映偏差，与时间无关输出与输入成比例，及时反映偏差，与时间无关；操作导水机；操作导水机构的幅度和速度应近似比例于机组转速（频率）对额定转速（构的幅度和速

44、度应近似比例于机组转速（频率）对额定转速（50Hz50Hz）的偏差。例如：机组频率若为）的偏差。例如：机组频率若为51Hz51Hz和和54Hz54Hz，虽然它们均大于，虽然它们均大于50Hz50Hz，但针对前者，关闭导水机构的幅度可小一点、速度可慢一点；而对但针对前者，关闭导水机构的幅度可小一点、速度可慢一点；而对后者，则幅度要大一点、速度要快一点。后者，则幅度要大一点、速度要快一点。超前操作超前操作输出与输入的变化速度成比例，反映偏差的变化率，与时间有关输出与输入的变化速度成比例，反映偏差的变化率，与时间有关；操；操作中不仅要密切观察机组转速（频率）偏离额定值的情况，而且要注意机组转作中不仅

45、要密切观察机组转速（频率）偏离额定值的情况，而且要注意机组转速（频率）向额定值回复的速度。例如：当机组频率由速（频率）向额定值回复的速度。例如：当机组频率由54Hz54Hz以较快的速度下以较快的速度下降到降到51Hz51Hz时，虽然它仍然大于时，虽然它仍然大于50Hz50Hz，但此时不应继续关闭导水机构，而，但此时不应继续关闭导水机构，而应使导水机构稍开启一点。只有这样才有可能使机组转速（频率）较应使导水机构稍开启一点。只有这样才有可能使机组转速（频率）较快地回复到额定值附近。这种针对水流惯性和机组惯性而采取的超前快地回复到额定值附近。这种针对水流惯性和机组惯性而采取的超前操作原则被形象地称之

46、为操作原则被形象地称之为“提前刹车提前刹车”。积分操作积分操作输出等于输入的累加，与时间有关输出等于输入的累加，与时间有关；只有输入为零，输出才保；只有输入为零，输出才保持常数；在手动操作中，当机组转速（频率）已接近额定值的情况时，操作者持常数；在手动操作中，当机组转速（频率）已接近额定值的情况时，操作者就应该密切观察机组转速（频率）与额定转速的偏差，缓慢地、微量地开启或就应该密切观察机组转速（频率）与额定转速的偏差，缓慢地、微量地开启或关闭，直到机组转速（频率）到达额定转速时为止，这就是微量、精确调节。关闭，直到机组转速（频率）到达额定转速时为止，这就是微量、精确调节。水轮机调节的基本概念

47、3.水轮机调节系统的特点基本概念第二十二张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月23 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)调速器调速器 governor:governor:由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。仪表等组成的一个或几个装置的总称。机械液压调速器机械液压调速器 mechanical hydraulic governor:mechanical hydraulic governor:测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，经机械综合后通过液压放测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，经机械综合后通

48、过液压放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。电电(气气)液液(压压)调速器调速器 electric-hydraulic governor:electric-hydraulic governor:检测被控参检测被控参量、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电量、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器。气转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器。微机调速器微机调速器 micro-computer based governor:micro-computer based gover

49、nor:以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。以工业级微机为核心进行测量、变换与处理的电液调速器。调速器调速器第二十三张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月24 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水轮机控制系统)有差调节有差调节 difference regulation,deviation regulation:difference regulation,deviation regulation:水轮机控水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数制系统处于自动调节状态下，永态差值系数b bp p00的调节方式。的调节方式。无差调节无差调节 no-differe

50、nce regulation,no-deviation no-difference regulation,no-deviation regulation:regulation:水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数水轮机控制系统处于自动调节状态下，永态差值系数b bp p=0=0的调节方式。的调节方式。随动系统随动系统 servo-system:servo-system:自动跟踪控制装置输出，并转换、放大自动跟踪控制装置输出，并转换、放大的位置反馈控制系统。的位置反馈控制系统。基本概念第二十四张，PPT共一百五十七页，创作于2022年6月25 水轮机调节的基本概念 4.水轮机调速器(水