小水力发电与控制技术教学文稿.ppt

第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术小水力发电与控制技术第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术主要内容主要内容机械工业出版社7.1水能及水力资源的特点水能及水力资源的特点7.2水力发电水力发电7.3小水轮发电机组的构成及工作原理小水轮发电机组的构成及工作原理7.4小水电的新技术及其应用小水电的新技术及其应用7.5小水电站的计算机监控与小水电站的计算机监控与SCADA系统系统7.6小水力发电的经济技术性评价小水力发电的经济技术性评价2第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术小型水力发电机小型水力发电机机械工业出版社3第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水电站水电站机械工业出版社4第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水电站水电站机械工业出版社5第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术自然界中的水体在流动过程中产生的能量，称为水能。水能的重要应用就是水力发电。水力发电是利用河流、湖泊中的水在流经不同高度地形时产生的能量来发电，是由水轮发电机组中的水轮机和发电机实现水的位能向机械能再向电能的二次转换。水轮发电机组主要由水轮机和发电机组成，水轮机的种类很多，不同种类的水轮机在小水电中均有应用。水轮发电机主要是同步发电机。机械工业出版社6第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术小水电的新技术重点：水轮发电机组的控制水轮发电机组的控制：频率及功率控制为主水轮发电机组并网：准同步并网和自同步并网实现自动并网，其中以准同步并网为主电网的无功功率补偿：由各种无功功率补偿器完成计算机监控系统：小型水电站的自动监测、控制和保护水电站的现场监控及远程监控监控与数据采集系统（SCADA系统）可实现水力发电与调度的完全自动化。机械工业出版社7第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术全世界技术上可开发的水能资源约15万亿kWh。水能水能包括位能、压能和动能三种形式广义的水能：广义的水能：河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋热能狭义的水能：狭义的水能：河流水能，即河流、湖泊等位于高处的水流至低处时所具有的位能机械工业出版社7.1.1水能及水力资源水能及水力资源水能水能:自然界中的水体在流动过程中产生的能量自然界中的水体在流动过程中产生的能量7.1水能及水力资源的特点水能及水力资源的特点8第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 根据当前技术、经济水平，可开发资源主要是河川水能资源，潮汐能资源占小部分，波浪能利用尚处于试验阶段。水能资源，亦称水力资源。机械工业出版社水能资源分3级统计理论蕴藏量技术可开发资源经济可开发资源9第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术我国水力资源的特点主要有以下几点:机械工业出版社7.1.2水力资源的特点水力资源的特点)水力资源总量较多，但开发利用率低)水力资源地区分布不均，与经济发展不匹配)大多数河流年内、年际径流分布不均)水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送10第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 当位于高处具有位能的水流至低处冲击水轮机时，将其中所含有的位能转换成水轮机的动能，再由水轮机作为原动机推动发电机发电。水能的主要应用是水力发电。水力发电是利用河流在流经不同高度地形时产生的能量来发电:因此水力发电在某种意义上讲是水的位能变成机械能，又变成电能的“转换过程”。机械工业出版社7.2水力发电水力发电11第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 可利用的水量和一年中不同的流量决定了水力发电站一年的发电量是不同的。水能的大小取决于两个因素：河流中水的流量和水从多高的地方流下来（水头）河流中水的流量和水从多高的地方流下来（水头）水的流量：水的流量：指单位时间内水流通过河流（或水工建筑物）过水断面的体积，一般用立方米/秒（m/s）和升/秒（l/s）来表示。水头水头：用来表示发电站的发电机到水坝的水平面的高度（m）。机械工业出版社12第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中P发电机的输出功率（kW）；Q流量（m/s），单位时间内流过水轮机水的体积；H水头（m），水轮机做功用的有效水头，为水轮机进出口断面的总水位差；电厂的效率（包括水轮机和发电机的总效率）；9.81流速和水头转换为kWh的一个常数。水力发电机发出的电能称为发电机的出力。水力发电机发出的电能称为发电机的出力。（71）其计算公式为机械工业出版社13第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术对于小型水电站，水力发电机的出力近似为（72）年发电量的公式为（73）式中 E年发电量（kWh）；平均出力（kW）；T年利用小时数（h）机械工业出版社14第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水电站的分类方式有很多种，主要有以下几种方法：按照水源的性质可分为常规水电站和抽水蓄能电站。按水电站集中水头的手段可分为堤坝式、引水式和混合式水电站三种基本类型。按水电站利用水头的大小可分为高水头（70m以上）、中水头（1570m）和低水头（低于15m）三种水电站。按水电站装机容量的大小可分为大型水电站（装机容量在30万kW或以上）、中型水电站（5 30万kW）和小型水电站（5万kW以下）。按照水库的调节性能可分为具有调节水量的调节水库水电站和无水库调节能力的径流式水电站。机械工业出版社7.2.1水电站的分类水电站的分类15第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 水力发电一般是通过集中水头，用人工的方式引导水流以高速度冲击水轮机，带动发电机发电，因此典型的水电站由以下几部分组成：（1）水工建筑物包括大坝、引水建筑物和泄水建筑物等。（2）水轮发电机组水轮机、发电机、主轴及控制系统等组成。（3）厂房生产发电、输电和生活的建筑。（4）变电所主要包括变压器、各种开关控制设备等。（5）输电线输送电到变电站和终端用户的线路。1 1典型水电站的组成典型水电站的组成7.2.2 7.2.2 水电站的组成水电站的组成机械工业出版社16第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术图71、图72分别为水电站的大坝和水电站发电机房的照片 图71 水电站的大坝图72 水电站发电机房机械工业出版社17第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术图73为水力发电站发电原理示意图图73 水力发电站发电原理示意图1挡河大坝2打开导管的阀门3水轮机的叶轮4发电机机械工业出版社18第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 常规水电站一般由水库、水坝、引水隧道、发电设备、开关场和输电设备等组成。图74常规水力发电流程图图74为常规水力发电流程图机械工业出版社2常规水电站的组成常规水电站的组成19第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 图75为抽水蓄能水力发电流程图。抽水蓄能电站由上池和上池坝、下池和下池坝、引水隧道、尾水路、发电设备、变压器、开关场及输电设备等组成。图75 抽水蓄能水力发电流程图抽水蓄能发电抽水蓄能发电为目前实现负载管为目前实现负载管理、调节系统用电理、调节系统用电高峰和低谷时电量高峰和低谷时电量的最佳方式。的最佳方式。机械工业出版社3抽水蓄能电站的组成抽水蓄能电站的组成20第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 小水电是指装机容量50000kW以下水电站及其配套电网的统称。因此，小水电也包括小小型(容量在101500kW)和微型(小于100kW)水电站。1 1小水电的定义小水电的定义 机械工业出版社7.2.3小水电小水电2小水电的特点小水电的特点1）小水电环境影响远小于大型水电站；2）小水电开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；3）小水电可与灌溉、养殖、防洪、航运、旅游等有机结合，同时受公益事业制约；4）小水电站的电力生产规模小，单位装机容量成本较高；5）小水电站存在着丰枯矛盾。21第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术堤坝式(包括河床式、坝后式和岸式水电站根据其集中水头的方式来分类:机械工业出版社我国的小水电站目前多半为引水式，一般采用梯级开发。3小水电的类型小水电的类型引水式混合式河床式坝后式岸式22第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 小型水电站主要由及四大部分组成：组成组成挡水建筑物（坝）泄洪建筑物（溢洪道或闸）引水建筑物（引水渠或隧洞，包括调压井）电站厂房（包括发电设备、尾水渠、升压站）机械工业出版社4小型水电站的组成小型水电站的组成23第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术1 1水轮发电机组的构成水轮发电机组的构成 水轮发电机组是实现水的位能转化为电能的能量转换装置。水轮机水轮发电机调速器励磁系统冷却系统电站控制设备机械工业出版社7.3小水轮发电机组的构成及工作原理小水轮发电机组的构成及工作原理一般组成：24第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术（1）水轮机）水轮机（2）水轮发电机）水轮发电机水轮发电机大部分采用同步发电机，其转速较低，水轮发电机组的安装型式上有立式和卧式两种。常用的水轮机有冲击式和反击式两种。机械工业出版社（3）调速和控制装置（包括调速器和油压装置）调速和控制装置（包括调速器和油压装置）作用是调节水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电要求，并实现机组操作(开机、停机、变速、增、减负荷)及安全经济运行。（4）励磁系统）励磁系统通过对直流励磁系统的控制可实现电能的调压、有功功率和无功功率的调节。25第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术（5 5）冷却系统）冷却系统 小型水轮发电机的冷却主要采用空气冷却，大容量水轮发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。电站控制设备目前主要以微机为主，实现水力发电机的并网、调压、调频、功率因数的调节、保护和通信等功能。（6）电站控制设备）电站控制设备（7）制动装置）制动装置额定容量超过一定值的水轮发电机均设有制动装置。机械工业出版社26第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 2 2水轮发电机组的工作原理水轮发电机组的工作原理 水轮发电机组的能量转换过程分为二个阶段：水轮发电机组的能量转换过程分为二个阶段：水轮机在水流的冲击作用下开始旋转，将水的位能转换为机械能。发电机将水轮机的机械能转换为电能：水轮机带动同轴相连的水轮发电机旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线产生感应电动势，输出电能实现能量的转换。所以水轮机和发电机是水轮发电机组中最关键的两个部件。所以水轮机和发电机是水轮发电机组中最关键的两个部件。机械工业出版社27第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 水轮机的本体由转轮、座环、蜗壳和主轴等组成。除此以外，根据型号的不同，还配有附属装置和部件。不同型式的水轮机，其结构和适用范围不甚相同。水轮机是水涡轮机的简称。水轮机是根据水的流量和水头大小进行设计和制造的，作用是将水能转变为机械能，并带动水轮发电机发电。机械工业出版社7.3.1水轮机水轮机28第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 Q=Av （74）式中A水轮机的过水断面的面积，单位m；v过水断面平均流速，单位为m/s。1 1)水轮机的基本工作参数水轮机的基本工作参数水轮机的基本工作参数有水头、流量、转速、出力和效率。水头、流量、转速、出力和效率。水轮机水头：水轮机水头：指水轮机进口断面与其出口断面的单位重量水流能量的差值，用H表示，单位为m。水水轮机流量轮机流量：指单位时间内通过水轮机过水断面的水流体积，单价为m/s，通常用Q来表示，即机械工业出版社1.水轮机的主要工作参数水轮机的主要工作参数29第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中 s水轮机的效率；Pi水流输入水轮机的功率（kW）。水轮机的转速水轮机的转速：指水轮机主轴每分钟旋转的转数(r/min)，水轮机的出力水轮机的出力：指水轮机轴端输出的功率，其表达式为 Ps=9.81QH （75）式中 Ps水轮机轴端输出的功率(kW)。水轮机效率：水轮机效率：指水轮机出力与水流出力之比，其表达式为（76）机械工业出版社30第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中ns水轮机的比转速；n水轮机的转速（r/min）。2 2)水轮机的比转速水轮机的比转速 水轮机比转速的的定义为：水轮机比转速的的定义为：几何相似的水轮机，当水头为几何相似的水轮机，当水头为1 1m m、输出的机械功率为输出的机械功率为1 1kWkW时的转速称为水轮机比转速。时的转速称为水轮机比转速。水轮机比转速的计算公式为（77）机械工业出版社31第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水轮机按照工作原理可分为:-转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均发生变化，主要是压力能的转换。机械工业出版社2.水轮机的分类水轮机的分类冲击式水轮机冲击式水轮机反击式水轮机反击式水轮机-转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换。1)冲击式水轮机冲击式水轮机冲击式水轮机根据水流喷射条件和转轮结构的不同，可分为水斗式、斜击式、双击式水斗式、斜击式、双击式三种，其中以前两种为主。32第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 图76水斗式水轮机 a）水斗式水轮发电机组 b）双喷嘴水斗式水轮机转轮 a）b）机械工业出版社水斗式水轮机又称培尔顿(Petion)水轮机，如图76所示。（1）水斗式水轮机）水斗式水轮机33第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 c）水斗式水轮机工作原理示意图1转轮室 2水轮机叶片 3射流制动器 4折向器水斗式水轮机水斗式水轮机 从喷嘴喷出来的射流沿转轮圆周切线方向射向双U型的水斗中部，然后在水斗中转向两侧排出，领先压力水，通过喷嘴形成一股强有力的高速射流射出，冲击转轮上的水斗使其旋转，实现水能向机械能的转换。机械工业出版社34第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术a）斜击式水轮发电机组b）斜击式水轮机转轮图77 斜击式水轮机a）b）机械工业出版社斜击式水轮机中的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角。如图77所示。（2）斜击式水轮机）斜击式水轮机35第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术斜击式水轮机斜击式水轮机图77 斜击式水轮机c）斜击式水轮机转轮结构1射流 2喷嘴 3转轮 4斗叶 喷嘴与转轮平面成大约22.5的角度，射流倾斜于转轮轴线，从进口平面一侧射向叶片，通过叶片后从另一侧排出。机械工业出版社36第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 双击式水轮机喷嘴中的水流首先从转轮外周进入叶片流道，其中大部分（70%80%）水流的能量转变成转轮的机械能，然后离开流道穿过转轮中心部分的自由空间，第二次从内周进入叶片流道，剩余（20%30%）的水流能量再转变为转轮的机械能，最后水流从转轮外周流出。机械工业出版社（3）双击式水轮机）双击式水轮机37第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 在反击式水轮机中，由于水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下其转轮直径小于冲击式水轮机，其最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率将受到不同程度的影响。反击式水轮机根据水轮机转轮内水流的特点和水轮机结构上的特点，可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。机械工业出版社2）反击式水轮机）反击式水轮机38第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 a）b）（1）混流式水轮机）混流式水轮机图78 混流式水轮机a）混流式水轮发电机组b）混流式水轮机转轮机械工业出版社混流式水轮机又称为弗朗西斯水轮机。如图78所示。39第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术混流式水轮机混流式水轮机c）混流式水轮机工作原理示意图1导叶 2转轮 3水轮机轴图78 混流式水轮机 水流径向进入导水机构，轴向流出转轮，带动转轮转动。机械工业出版社40第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 图79为轴流式水轮机。a）b）图79 轴流式水轮机a）轴流式水轮发电机组b）轴流式水轮机转轮机械工业出版社轴流式水轮机又可分为转桨式和定桨式水轮机。（2）轴流式水轮机）轴流式水轮机41第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术轴流式水轮机轴流式水轮机图79 轴流式水轮机c）轴流式水轮机导水机构 d）轴流式水轮机工作原理示意图1导叶 2轮叶 3转毂 在轴流式水轮机中，水流径向进入导水机构中的导叶，轴向进入和流出转轮，带动转轮转动。机械工业出版社42第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 a)贯流式水轮发电机组b）灯泡贯流式水轮发电机组剖面图机械工业出版社贯流式水轮机可分为全贯流式和半贯流式。贯流式又分为灯泡式和竖井式，灯泡式如图710所示。（3）贯流式水轮机）贯流式水轮机43第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术c）灯泡贯流式水轮机结构和原理示意图尾水管转轮活动导叶固定导叶发电机灯泡体图图7 71010 贯流式水轮机贯流式水轮机机械工业出版社44第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术斜流式水轮机如图711所示 图711 斜流式水轮机 a)斜流式水轮机转轮 b)斜流式水轮机工作原理示意图 1导叶 2轮叶 3水轮机轴a)b)机械工业出版社（4）斜流式水轮机）斜流式水轮机45第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 同步发电机是交流电机的一种，其运行特点是转子旋转速度和定子旋转磁场的速度严格同步，既电能的频率与转子转速有着严格的不变的关系；同步发电机可通过调节励磁电流来改变功率因数和稳定输出电压，以改善供电质量。小型水轮发电机多数为同步发电机，异步发电机使用较少。微型水轮发电机有异步发电机、同步发电机、永磁发电机，其中又分为单相和三相发电机。机械工业出版社7.3.2水轮同步发电机水轮同步发电机46第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术同步发电机的励磁系统主要有两大类：供给励磁电流的整个系统称为励磁系统供给励磁电流的整个系统称为励磁系统通过整流装置将交流电流整成直流电流以满足需要直流发电机供给直流励磁电流机械工业出版社同步发电机按照转子的结构来分有隐极式和凸极式两种。1同步发电机的结构同步发电机的结构2同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统47第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术（1）额定容量SN 发电机出线端额定视在功率，单位：kVA（2）额定功率PN发电机出线端额定输出的有功功率，单位：kW（3）额定电压UN发电机额定运行时定子的线电压，单位：V或kV（4）额定电流IN发电机额定运行时定子的线电流，单位：A（5）额定功率因数cosN发电机额定运行时的功率因数。（6）额定效率N发电机额定运行时的效率。（7）额定频率fN 发电机额定运行时定子电流的频率，单位：Hz。机械工业出版社3水轮同步发电机的额定值水轮同步发电机的额定值48第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 对于直流励磁系统，还有额定励磁电流IfN（A）、额定励磁电压UfN（V）。（8）额定转速nN 发电机额定运行时转子转速，单位：r/min。其中（78）机械工业出版社水轮发电机还有飞逸转速、飞轮转矩和短路比飞逸转速、飞轮转矩和短路比等参数：飞逸转速：飞逸转速：是在考虑发电机的结构和强度要求决定的。飞轮转矩：飞轮转矩：是发电机转动部分的重量与飞轮直径平方的乘积。短路比：短路比：是发电机在空载额定电压时励磁电流与三相稳态短路额定电流时励磁电流的比值。49第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性。水轮同步发电机的运行特性：空载特性、短路特性、负载空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调节特性特性、外特性和调节特性等。外特性和调节特性是主要运行特性，根据这两种特性，可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，确保电能的质量。机械工业出版社4水轮同步发电机的运行特性水轮同步发电机的运行特性50第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术同步发电机不同功率因数时的外特性如图712所示。外特性是发电机在转速为额定值、励磁电流和负载功率因数不变的条件下，发电机端电压U和负载电流I之间的关系曲线U=f（I）。图712同步发电机的外特性感性、纯电阻负载：即IU容性负载时：IU感性负载：过励状态容性负载：欠励状态为使在不同功率因数条件下发电机工作于额定点：机械工业出版社(1)外特性外特性51第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 调整特性是发电机在转速为额定值、励磁电流和端电压不变的条件下，发电机励磁电流If和负载电流I之间的关系曲线If=f（I）。图713为同步发电机的调整特性曲线。图713同步发电机的调整特性容性负载：IIf感性和纯电阻性负载：IIf为维持端电压不变：机械工业出版社（2）调整特性）调整特性52第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术机械工业出版社小水电的新技术及其应用：小水电的新技术及其应用：7.4小水电的新技术及其应用小水电的新技术及其应用7.4.1概述概述n采用新材料和新技术采用新材料和新技术n应用高科技提高发电机的性价比应用高科技提高发电机的性价比n箱式整装小水电站的应用箱式整装小水电站的应用n采用计算机远程监控新技采用计算机远程监控新技术术n水轮发电机组的自动控水轮发电机组的自动控制制53第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术其中以频率及功率控制为主。其中以频率及功率控制为主。水轮发电机组自动控制系统承担的任务有：水轮发电机组的自动并列自动调节励磁、频率和有功功率无功功率的补偿辅机的自动控制水轮发电机组的自动操作，自动保护等机械工业出版社7.4.2水轮发电机组的自动控制系统水轮发电机组的自动控制系统1.水轮发电机组自动控制系统的任务水轮发电机组自动控制系统的任务54第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术机械工业出版社n负载要求电能的电压和频率应为额定值，波动小。n发电机发出电能的电压、频率或并网电压、频率的稳定度分别取决于发电机或电网内无功与有功功率的平衡。n频率的波动是由发电机输入功率和输出功率之间的不平衡引起的。n电压的波动主要由负载大小的变化和负载性质的变化（即有功功率和无功功率的变化）引起。55第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水轮发电机组控制的基本任务水轮发电机组控制的基本任务:根据负载的变化不断调整水轮发电机组的有功和无功功率输出，并维持机组转速（频率）和输出端电压在规定的范围内。两者的调节相对独立，相互影响较小。机械工业出版社水轮发电机组频率的控制由水轮机调速器实现端电压的稳定可由发电机励磁调节器来完成56第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中 TS水轮机的动力转矩（Nm）；TL发电机阻转矩，包括发电机电磁制动转矩和摩擦等制动转矩（Nm）；J机组转动部分的转动飞轮总惯量（kgm2）；机组的角速度（rad/s），水轮发电机组的运动方程式可以表示为(79)机械工业出版社1）水轮机调速器的调节原理）水轮机调速器的调节原理2.水轮机调速器的工作原理及特性水轮机调速器的工作原理及特性水轮机调速器主要用于控制水轮发电机组转速与出力，其品质与性能直接影响到电能品质和水电站的安全可靠运行。57第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术水轮机动力转矩的表达式为（710）式中 水的密度（kg/m3）。为保证电能的频率不变，发电机的转速必须恒定，d/dt=0。控制水轮机的动力转矩TS时刻跟随着TL的变化，使TSTL=0。由式（710）可见，通过调速器改变水轮机导水机构导叶的开度，来改变水轮原动机的进水量，可达到调节转矩的目的。机械工业出版社58第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 水轮机调节的基本任务是：当负载变化时，原来的稳定平衡被破坏，动力矩和阻力矩不再相等，使转速和频率与额定值之间出现偏差，这时由频率闭环调节器的调节作用，可快速、准确地消除偏差，使机组在新的平衡条件下运行。频率调节或频率控制：频率调节或频率控制：机械工业出版社2）频率调节）频率调节59第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则较缓慢，因此系统中频率的波动是难免的。图714 电力系统负荷瞬时变动情况电力系统负荷瞬时变动情况如图714所示。机械工业出版社负荷的变动情况分解成几个分量：负荷的变动情况分解成几个分量：1）变化周期一般小于10s的随机分量，其变化幅度较小。2）变化周期在10s3min之间的脉动分量，其变化幅度比随机分量要大些。3）变化十分缓慢的持续分量并带有周期规律的负荷，为负荷变化中主体。60第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 第二种负荷变化引起的频率偏移较大，必须由调频器参与控制和调整这种调整称为频率的二次调整。第一种负荷变化引起的频率偏移，一般利用水轮发电机组上装设的调速器来控制和调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，称为频率的一次调整。第三种负荷变化可以用负荷预测的方法预先估计得到。在满足系统有功功率平衡的条件下，将这部分负荷按照经济分配原则在各发电厂间进行分配。机械工业出版社61第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术当电力系统负载系统频率调速器作用输出功率图715 同步发电机组功率频率特性机械工业出版社发电机输出的有功功率和频率之间密切相关，两者的关系称为发电机的功率频率静态特性，如图715所示。3）有功功率调节）有功功率调节62第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中K频率调差系数；f频率差，对应有功功率P时频率相应的增量（Hz）；P发电机有功功率增量（MW）；式中负号表示发电机输出功率的变化和频率变化符号相反。同步发电机组功率频率特性的斜率称为发电机的频率调差系数频率调差系数即（711）机械工业出版社63第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式中fN、PN分别为频率和功率的额定值；水轮发电机组的K*=（24）%。调差系数K的标么值表达式为（712）发电机组功率频率特性的调差系数主要决定于调速器的静态调节特性，与机组间有功功率的分配密切相关。机械工业出版社64第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术 两台发电机并联运行时其调差特性与机组间的有功功率的分配情况可用图716来说明。图716 两台发电机的并联运行曲线1号发电机组的调节特性曲线2号发电机组的调节特性系统总负荷为PL，如线段CB的长度所示，系统频率为fN，1号机组承担的负荷为P1，2号机承担的负荷为P2，于是有：P1十P2=PL。机械工业出版社65第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术当系统负荷增加，经过调速器的调节后，系统频率为f1，1号发电机组的负荷为P1，增加了Pl；2号发电机组的负荷为P2，增加了P2，两台发电机组增量之和等于PL。式（713）表明，并联运行的发电机组间功率分配与机组调差系数成反比，调差系数标么值大的机组分担的有功功率标么值反而小。由式（712）可得（713）电力系统中，机组调差系数等于零是不能并联运行的电力系统中，机组调差系数等于零是不能并联运行的。机械工业出版社66第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术调速器的静特性是机组频率调速器的静特性是机组频率f和导叶开度和导叶开度Y之间的关系曲线之间的关系曲线 如图717所示。因并网后有功功率调节的需要，其频率必须是有差调节。图 717 调节器的静特性图717中对应接力器行程(0100%)的频差相对值，称为永态转差系数bp，即：bp的值可根据要求进行设定机械工业出版社4）调速器的静特性）调速器的静特性67第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术现代水轮机的调速器（控制器）功能：机械工业出版社3.水轮机调速器的总体结构水轮机调速器的总体结构n功率调节n水轮机叶片开度调节n起停机操作及工况转换等功能不同，调速器的结构也不尽相同。n速度调节68第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术采集各种外部信号（状态和命令）实现水轮机导叶开度Y的控制。图718电子式调速器总体结构 a）模拟式综合 b）数字式综合调速器的总体结构主要有机械式和电子式两种。电子式又分为模拟式和数字式，如图718所示。电子控制器的任务：电子控制器的任务：机械工业出版社69第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术n脉冲频率频率变送器输出经信号整形和放大后，启动阀控导叶开度水轮机进水量原动机输入功率n图719为电子液压式水轮发电机组调速系统原理示意图。图719 电子液压式水轮发电机组调速 系统原理示意图装在发电机轴上的齿轮、脉冲传感器和频率变送器转速测量部分机械工业出版社70第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术1 1)微机调速系统的组成微机调速系统的组成图720 微机调速器控制系统的典型结构机械工业出版社4.水轮机微机调速系统水轮机微机调速系统微机调速器组成的水轮机自动调速系统，由被控对象水轮发电机组、检测部分、微机智能控制器、执行器等组成闭环控制系统，如图720所示。71第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术机械工业出版社2)微机调节器的控制功能微机调节器的控制功能一套为自动调节器，另一套为手动调节器。正常运行时采用自动调节器，手动调节器在自动调节器发生故障时备用。n微机调节器除了转速（频率）控制外，一般还具备水轮机的开度调节、水位控制和发电机输出有功功率的调节。n微机调节器微机调节器一般由两套调节器组成：3)微机调节器控制策略微机调节器控制策略由微机调节器组成的水轮发电机组转速(频率)闭环自动控制系统，其控制策略通过软件来实现，各种控制方法目前有许多研究，但主要还是以数字PID控制方法为主，数字PID控制器是将连续域的PID控制器离散化得到的。72第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术图721为PID调节器的框图，图中r（t）为调节器的给定输入信号，u（t）为调节器的输出信号，e（t）为调节器的偏差信号，y（t）为系统的输出。图721PID调节器框图机械工业出版社73第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术调节器的输入和输出之间的关系为式中 Kp比例系数；i积分时间常数；d微分时间常数。（714）机械工业出版社其传递函数为（715）式中Ki积分系数，Ki=Kp/i；Kd微分系数，Kd=Kpd。74第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术对式（714）离散化，可得数字PID调节器为式中T采样周期，为保证精度采样周期应可能短；采样后的积分系数，采样后的微分系数，u（kT）第k次采样周期的输出量；e（kT）、e（kT1）分别为第k次、k1次采样周期的输入误差。（716）机械工业出版社75第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式（716）称为位置式PID，其特点是调节器的输出u（kT）与过去的状态有关，系统运算工作量大，需要对e（kT）作累加，从而产生误差积累，影响控制系统的性能。在水轮发电机组的调速控制中，一般采用增量式PID，通过对式（716）取增量，可得数字式调节器的增量输出为（717）机械工业出版社76第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术PID调节器的输出可由下式求得在水轮发电机组的调速（调频）控制中，误差为式中f*给定频率；f实测的频率；f0基准频率，f0=50Hz。（718）（719）机械工业出版社77第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术为提高PID调节器的抗干扰能力，一般用实际微分环节取代理想微分环节，即用Kds/（1+ds）取代Kds，此外水轮机在并网前（空载时）按PID调节规律进行频率控制外，并网后需按稳态（永态）转差系数bp作频率的有差调节，此时式（714）中的积分项用下式代替式中bp永态转差系数；Y*接力器的行程给定；Y接力器的实际行程。（720）机械工业出版社78第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术因此，水轮发电机组调节器的传递函数为（721）式（717）中增量的积分项可表达为机械工业出版社79第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术式（717）中增量的微分项可表达为（722）；。式中可以推导出水轮发电机组调节器实用的增量型PID控制算式（723）机械工业出版社80第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术图722为带电液随动系统的增量式数字PID微机调速器控制系统的原理图，图中步进电机与机液随动系统组成数字式电液随动系统。图722增量式数字PID微机调速器控制系统的原理图机械工业出版社4)微机调节器控制系统原理框图微机调节器控制系统原理框图81第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术由PLC组成的微机调速器其频率的测量一般由单片机实现，图723为由单片机80C51组成的智能测频单元。图723 单片机测频原理框图机械工业出版社5)智能测频单元智能测频单元82第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术机械工业出版社6)微机调速器的三种调节模式及其转换微机调速器的三种调节模式及其转换n微机调速器有频率调节、功率调节和水轮机开度调节三种调节模式。n不同的工况下，微机调速器的调节模式不同：n空载状态下只能是频率模式；n并网后如调度中心要求机组担任调频任务，则调速器必须处于频率调节模式；n如果调度中心要求机组担任额定负载调节，则调速器可处于功率调节或开度调节模式下运行。83第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术当机组处于空载运行时，调速器在自动工况，频率跟踪功能退出，此时频率给定为f*，频率反馈为f，控制策略一般为PID控制。其调节框图如图724所示。图724频率自动调节原理图1)频率自动调节频率自动调节机械工业出版社（1）频率调节与跟踪）频率调节与跟踪84第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术当投入频率跟踪功能时，调节器自动地将网频作为频率给定，与频率自动调节过程一样，在调节过程终了时，机频与网频相等，实现机组频率跟踪电网频率的功能。2）频率跟踪）频率跟踪机械工业出版社3）相位控制）相位控制调速器处于频率跟踪方式运行时，即使机组频率等于电网频率，但由于可能存在相位差，也不能使机组快速并网。为此增加相位控制功能，这时调节系统框图如图725所示。725具有相位控制的调节系统框图85第第7章章 水能、小水力发电与控制技术水能、小水力发电与控制技术图726功率调节