水电机组控制技术的发展与展望

学习情境四水轮机调速系统的运行与维护任务一水轮机调速器的认知与仿真操作调速器液压系统及机械柜调速器机械柜调速器电气柜（一）水轮机调速器的基本概念•水轮机调节系统以水轮机调速器作为控制器，水轮发电机组作为被控对象所构成的闭环控制系统。水轮机调节系统的基本任务，是根据负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。水轮发电机组在电网中经常担任调频和调峰任务，开停机频繁。（二）水轮机调速器的发展机械液压型调速器电气液压型调速器微机型（数字式）调速器（二）水轮机调速器的发展•微机型（数字式）调速器1982年ASEA公司引入微计算机技术，研制出了出第一台微机调速器。此后，法国的NEYRPIC、比利时的BCEC、日本的HITACHI、瑞士的SULZER、美国的WOODWARD等大公司相继研制生产出各种类型的微机调速器。在我国，华中科技大学与天津水电控制设备厂共同研制开发了我国第一台微机调速器，于1984年在湖南欧阳海电站投入运行。微机调速器有单板机型，单片机型和PLC型等（二）微机调速器的发展实现手段先后开发出基于单板机，单片机、STD总线、可编程控制器(PLC)，工业个人控制计算机(IPC)，可编程计算机(PCC)等的微机调速器。结构模式在发展过程中，不少科研单位对水轮机调速器的结构模式进行了很多尝试，大致有：单微机模式，双微机模式，双通道系统，混合型双微机并联模式，完全双通道混合型并联模式，三微机冗余模式等。（二）微机调速器的发展•液压伺服系统••一是提高调速系统油压等级，与其它工业领域中的液压技术靠势在必行，以实现集成化，标准化，小型化。••二是在伺服系统在发展过程中方式上进行变革，以提高抗油污能力和可靠性，实现数学化控制。目前主要的液压伺服系统结构模式有：电液伺服阀系统，比例阀伺服系统，步进电机伺服系统，直流电机或交流电机伺服系统，数学阀伺服系统等。（三）调速器的模式结构•1.缓冲式调速器由暂态与永态反馈元件及放大元件、主接力器等形成调节规律，这些元件的静动态特性和非线性因素对调节规律有影响，且转速死区较大。局部反馈元件放大元件主配压阀主接力器暂态反馈元件永态反馈元件测量元件指令信号xy--＋＋＋（三）调速器的模式结构•2.中间接力器式调速器ny由暂态与永态反馈元件及放大元件、中间接力器等形成调节规律，由主配压阀和主接力器组成液压随动系统进行功率放大并驱动导水机构，其优点是控制规律形成与导叶动分开，调整方便，死区较小，但随动系统存在机械反馈，对转速死区与动态性能有影响。--＋测速元件-＋主配压阀主接力器综合放大电液转换器引导阀中间接力器机械反馈暂态反馈元件永态反馈元件＋＋xy指令信号（三）调速器的模式结构•3.电子调节器式调速器采用电气反馈，调节规律准确，机构简单，死区小。（四）随动系统的典型模式•电液转换器/电液执行机构型微机（PLC）调节器电液转换装置机械液压系统PIDYgfPID调节放大及数模转换放大器电液转换器引导阀主配压阀主接力器位移转换机械开限/手动机组频率+—1Afyufy3A+—3-33-1y+PIDYgfPID调节机组频率数模转换D/A2A+放大器电液转换器引导阀主配压阀主接力器机械开限/手动fy3A+—3-3—ufy3-23-1y位移转换（四）随动系统的典型模式•交流伺服/电液执行机构型微机（PLC）调节器电液转换装置机械液压系统PIDYgfPID调节放大环节定位环节交流伺服电机引导阀主配压阀主接力器位移转换机械开限/手动机组频率+—1Afyfy3A+—3-33-1y+驱动器'2AN+—3-2（四）随动系统的典型模式•交流伺服（直流伺服）中间接力器/机械液压随动系统gfy微机（PLC）调节器电液转换装置机械液压系统PIDYPID调节放大环节定位环节交流伺服电机引导阀主配压阀主接力器位移转换机组频率1y3A+—3-33-1驱动器N+—2-2（四）随动系统的典型模式•步进电机/机械液压随动系统'1A微机（PLC）调节器电液转换装置机械液压系统gfPID调节机组频率—1A3-1放大环节1++放大环节2数模转换D/Au驱动器步及进放电大机阀3A+引导阀主配压阀主接力器位移转换位移转换y—3-3'13（四）随动系统的典型模式•三态/多态阀开关式液压随动系统y微机（PLC）调节器电液转换装置机械液压系统PID调节脉宽调制输出电磁先导阀插装阀主接力器位移转换1A+—3-1（五）水轮机调速器发展展望•1．液压系统向高油压，系列化，标准化方向发展•2．电液转换元件由电液转换器、步进电机、直流伺服向交流伺服和数字阀发展，组成全数字式微机调速器•3．控制规律PID－＞智能控制策略，智能控制与PID控制结合，智能控制的参数整定问题（六）水轮机调节系统的基本任务及原理1水轮机调节的基本任务水轮机调节的目的水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。具体来讲，水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。1水轮机调节的基本任务转速调节转速调节主要用于在空载工况和带孤立负荷工况，空载工况时，调速器的任务是使机组转速跟踪转速给定或系统频率；带孤立负荷时，调速器的任务是在发生负荷扰动时维持转速(频率)和跟踪转速给定(频率给定)；在与电网并列运行时，调速器有时作为电站调频装置的一部分起作用。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理1水轮机调节的基本任务有功功率调节有功功率调节用于与电网并列运行工况，其任务是保持本机组的输出功率，在频率变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理1水轮机调节的基本任务水位调节调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用水量超过来水量，水位就会下降，从而导致水电站水头下降和单位水量的发电量下降，这样就降低了电站运行的经济效益；当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致弃水，这也会降低电站的经济效益。所以需要以保持上游水位为目标调整机组出力，这就是水位调节。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理2水轮机调节的基本原理在水电厂的生产运行中，以上的三种调节方式中的有功功率调节方式最为重要。因此在有功功率调节时，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。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理3水轮机调节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：(1)水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功；(2)水轮机调节系统易产生过调节，因而不易稳定；(3)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；(4)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。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理4微机调速器的总体结构y（六）水轮机调节系统的基本任务及原理微机（PLC）调节器电/机转换装置机械液压系统1y+2A—+——2-1u/N3-1+—1A2A3-23-32-21234微机调速器的总体结构(1)前向通道前向通道是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，它包括通道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。(2)反馈通道反馈通道是指与前向通道信息传递方向相反的通道，可能的反馈通道有2-1，3-1，2-2，3-2和3-3。(3)综合比较点综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。图2-1绘出了分别位于微机(PLC)调节器、电/机转换装置和机械液压系统中的3个比较点：Al，A2，A3。在一般情况下，A1是数字量综合比较点，A2是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理4微机调速器的总体结构(4)微机((PLC)调节器输出(前向通道u/N)信号模拟量(通过数模转换A/D)输出u0～+10V；4～20mA；-10V～+10V。数字量输出N双向脉宽调制(PWM)输出；(100～200)kHz定位脉冲。(5)电/机转换装置将电气或数字信号转换成机械液压信号的装置；将机械液压信号转换成电气或数字信号的装置(接力器位移转换装置)。(6)机械液压系统随动型机械液压系统：执行机构型机械液压系统。本文主要讨论微机(PLC)调节器部分，所以对机械液压系统不做详细讨论。按照图2-2所示的总体结构，对前向通道、反馈通道和综合比较点进行不同组合，可以构成许多种不同结构的调速器。（六）水轮机调节系统的基本任务及原理（七）YWT系统图紧急停机电磁阀接力器备用取油法兰电接点压力表排气阀组合阀（七）YWT系统调速系统安装图（八）调速器的仿真操作指导1运行中的检查与维护•1.1调速器机械液压部分所有密封面无漏油、渗油现象。•1.2开度表与平衡表指示正确且与实际相符。•1.3装置的交、直流电源空气开关应合上。•1.4两套下位机双重供电模件上相应的电源指示灯（交流220伏，直流220伏）应点亮。•1.5两套下位机双重供电模件开关合上，电源输出指示灯（OUT）应点亮。•1.6两套下位机组合电源模件开关合上，所有模件上电源指示灯应点亮。•1.7检查通讯应正常，主机模件“RXDO”，“TXDO”应不断闪烁，闪烁周期为800毫秒，上位机运行界面上的数据应不断刷新。•1.8主机模件检查•1）STATUS灯：闪烁周期2秒表示正常；闪烁周期1秒表示一般故障；闪烁周期0.5秒表示严重故障；不闪烁表示系统严重故障。•2）RUN灯：闪烁周期2秒表示正常。•1.9数字模件检查•1）开机令灯：当外部给出开机令时，开机令灯应点亮；•2）停机令灯：当外部给出停机令时，停机令应点亮；•3）导叶手动令灯：当外部给出导叶手动令时，导叶手动令灯应点亮；•4）增加令灯：当外部给出增加令灯时，增加令灯应点亮；•5）减少令灯：当外部给出减少令灯时，减少令灯应点亮；•6）油开关令：当外部给出油开关闭合时，油开关令灯应点亮；•1.10双机切换模件•A套主机灯：A套为主机时该灯点亮；•B套主机灯：B套为主机时该灯点亮；•1.11通信建立以后，对工控机运行界面进行监视。•1.12工控机界面上各种给定值是否正确；•1.13工控机界面上水头、有功功率、开限设置值是否符合实际情况；•1.14工控机界面上频率死区、滑差系数及调差系数的设置是否符合实际情况。•1.15上位机显示的导叶开度是否与实际开度相符；•1.16上位机显示的机组频率及系统频率是否与实际频率相同；•1.17上位机显示机组分段关闭状态是否正确。2调速系统的一般规定•2.1调速系统投入运行时必须经试验合格，各种资料图纸、备用品齐全，有检验报告和检修技术人员的详细交待，才可投入运行。•2.2运行中调速器的交、直流电源不得随意退出运行。•2.3调速器正常运行时，应以A套为主机，B套为从机。•2.4调速器的运行窗口不得随意退出运行。•2.5调速器设置窗、信息窗、开关量窗，运行人员不得随意修改。•2.6调速器内“调速器控制方式”把手应在“远方”位置。•2.7调速器内“切换模件”上的“切换键”不得随意切换。•2.8在重新开机并网、速器手自动切换、掉电后应重新设定“开限”。•2.9（4）号机组分段关闭拐点动作值为60%（实际转折为54%）。3调速器退出运行操作：•1)将调速器切“手动”运行。•2)按调速器柜面板上“减少”按钮关闭导叶至零位以下。•4)关闭调速器主供油伐3104（4104）阀。•断开机调柜内交流220伏电源开关ZKK。•断开机调柜内直流220伏电源开关ZKK。•将电