水轮机调节的基本概念和微机调速器讲座9.ppt

水轮机调节的基本概念 和 数字式（微机）电液调速器 1 1水轮机调节的基本概念 和数字式（微机）电液调速器一.水轮机调节的基本概念二.水轮机数字式（微机）电液调速器三.微机调节器四.机械液压系统五.微机调速器故障分析及对策 六.我国数字式（微机）调速器的现状及发展趋势七.思考题2一.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31.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(AGC)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。42.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5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、非线性特性手动水轮机调节比例操作输出与输入成比例，及时反映偏差，与时间无关；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；积分操作输出等于输入的累加，与时间有关；只有输入为零，输出才保持常数；63.水轮机数字式（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7PID结构：图1-3 微机调速器结构图 8 水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准GB/T9652.1 1997 GB/T9652.2 1997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9永态差值系数：静速死区：图1-6 转速死区ix 水轮机调节系统的静态和动态特性10随动系统不准确度：图1-7 随动系统不准确度ia 水轮机调节系统的静态和动态特性11 水轮机调节系统的静态和动态特性 GB/T 9652.11997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/%ix0.04（0.02）0.100.08（0.06）0.150.100.180.20轮叶随动系统不准确度/ia%1.5bp整定范围bp=0bPM，最小值不大于0.1%，最大值bPM不小于8%12动态特性调速器PID特性：阶跃输入响应特性：图1-8 PID调节器的阶跃输入响应特性 水轮机调节系统的静态和动态特性13 水轮机调节系统的静态和动态特性速动时间常数Tx=btTd速动时间常数Tx的物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。14 水轮机调节系统的静态和动态特性接力器响应时间常数Ty 图1-9 接力器响应时间常数Ty15调速器前向通道放大倍数的整定 图1-10 随动系统对单位阶跃输入的响应特性 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曲线1的相对阻尼系数，无超调，但过程缓慢；曲线3的相对阻尼系数，初始段反应快，但有过大的超调；曲线2的相对阻尼系数，有较理想的响应特性，其超调量约为3%。所以，应选择、调整开环放大系数Kop（也就调整了Ty），使随动系统对阶跃输入的响应特性具有3%5%的超调量。IEC 61362标准推荐：导叶接力器Ty=0.10.25s；桨叶接力器Ty=0.20.8s；冲击式折向器Ty=0.10.15s。在我国一般推荐：导叶接力器Ty=0.10.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的23倍。17 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 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%。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。18 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机组甩负荷后应保证的动态品质 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/T 9652.11997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。IEC 61362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2.54.0（8.0）（对于冲击式机组）和15（对于高水头混流式机组）。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。19 水轮机调节系统的静态和动态特性接力器不动时间试验接力器不动时间试验(公伯峡电站公伯峡电站300MW机组现场试验曲线机组现场试验曲线)20水轮机调节系统的静态和动态特性开机过程录波开机过程录波(公伯峡电站公伯峡电站300MW机组现场试验曲线机组现场试验曲线)21水轮机调节系统的静态和动态特性空载摆动试验空载摆动试验(公伯峡电站公伯峡电站300MW机组现场试验曲线机组现场试验曲线)22水轮机调节系统的静态和动态特性甩甩100%负荷试验负荷试验(公伯峡电站公伯峡电站300MW机组现场试验曲线机组现场试验曲线)23 水轮机调节系统的静态和动态特性 GB/T 9652.11997对调速器主要动态参数要求对调速器主要动态参数要求 参数参数btTd/sTn/sKPKI/s1KD/s最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值最小值最大值数值数值0.050.802.0020.000.002.000.3020.000.5010.000.005.0024 水轮机调节系统的静态和动态特性技术标准对技术标准对Ta和和Tw的规定的规定：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。25二.水轮机数字式（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26二.水轮机数字式（微机）电液调速器 双比例伺服阀系统原理框图27二.水轮机数字式（微机）电液调速器 交流伺服电机自复中系统原理框图28二.水轮机数字式（微机）电液调速器 步进电机伺服缸系统原理框图29二.水轮机数字式（微机）电液调速器 比例伺服阀自复中系统原理框图30二.水轮机数字式（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2-1 PLC水轮机微机调速器的总体框图3132二.水轮机数字式（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33 步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器34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二.水轮机数字式（微机）电液调速器35 交流伺服电机电液转换器/电液执行机构型调速器方块图二.水轮机数字式（微机）电液调速器36 二.水轮机数字式（微机）电液调速器微机调速器自动调节部分框图37二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：人工频率死区环节的特性，其数学表达式为：38二.水轮机数字式（微机）电液调速器人工频率死区取值人工频率死区取值Ef的一般取值范围相当于频率值为00.5Hz在频率转换系数Kf=25000时所对应的范围，即 Ef=0250 Ef可由程序按调速器的运行工况和调节模式自动地被设定：机组在“空载”工况运行时，设定Ef=0；机组在并入电网方式下运行，且调速器在“频率调节”模式下时，设定Ef=0；调速器在“开度调节”和“功率调节”模式下时，设定Ef=0.033Hz。39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二.水轮机数字式（微机）电液调速器40 1.水轮机微机调速器的基本调节模式二.水轮机数字式（微机）电液调速器41二.水轮机数字式（微机）电液调速器1.水轮机微机调速器的基本调节模式频率调节模式：机组空载或在孤立电网中运行；功率调节摸式：机组并入大电网运行；开度调节模式：机组并入大电网运行，功率传感器故障或未装功 率传感器；机组空载：频率调节模式；机组并入大电网：功率调节摸式或开度调节模式；机组在小电网（带孤立负荷）：频率调节模式；422.静态特性 频率给定；电网频率；机组频率；开度给定；稳态状态-积分输入为零，其表达式为(接力器开度):微机调节器的静态特性 432.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。442.静态特性稳态状态-积分输入为零，其表达式为（机组功率）:功率永态差值系数 机组功率给定 机组功率452.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接力器开度y机组功率Pg永态差值系数bp功率差值系数ep462.静态特性接力器开度给定 是机组频率 等于频率给定 时的接力器开度 ；当机组频率基本不变时（机组并入大电网），应该调节开度给定来调节机组负荷；频率给定 是接力器开度 等于接力器开度给定 时的 机组频率 ；当机组在孤立电网工况工作，bp应取为（0.51.0），机组功率由负荷决定，此时调节开度给定没有明显作用。472.静态特性空载工况下调整频率给定空载工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 导叶接力器行程变化所引起的机组频率变化为：式中：f单位是HZ，y单位是相对值（0100）；482.静态特性空载或孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定性分析的定性分析 当fc=0时，调节开度给定yc，易得：当 时，调节频率给定fc,，易得：492.静态特性空载或孤立电网工况下调整频率给定空载或孤立电网工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的的定性分析定性分析取一组具体参量的数值，用上面公式进行计算：取一组具体参量的数值，用上面公式进行计算：bp=0.02；Kyf=100（的物理概念是：导叶接力器行程变化0.01，机组频率变化1Hz）；=0.5Hz；=0.5（即开度给定变化50%）1。机组自动空载或孤立电网工况下，调整频率给定fc的作用 计算结果表明：计算结果表明：当频率给定变化0.5Hz时，被控机组的频率相应变化了0.495Hz；但是，接力器行程仅仅变化了0.495%。502.静态特性空载空载或孤立电网或孤立电网工况下调整频率给定工况下调整频率给定fc和开度给定和开度给定yc的定的定性分析性分析2。机组自动空载或孤立电网工况下，调整开度给定Yc的作用计算结果表明：计算结果表明：当变化开度给定yc达0.5(即50%)时，才能达到与变化频率给定0.5Hz的同样效果。实际上，由于bp=0.02对应于接力器全行程（y：01.0）的永态频率差值为1.0Hz，因此，只有开度给定yc变化半全行程（yc=0.5）时才能使被控机组频率变化0.5Hz。然而，由于机组在空载工况下，其空载开度一般很小（15%30%），yc向下的调整空间太小，故不能满足用调整yc的方法改变被控机组频率fg的要求。机组在自动空载工况下，一般不采用调整开度给定yc的方法来改变机组频率fg。51 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 2.静态特性522.静态特性53 的关系：微机调节器的静态特性（bp=0）2.静态特性54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2.静态特性55 Ey起作用时微机调节器的静态特性2.静态特性562.静态特性57 Ef0、Ey0微机调节器静态特性2.静态特性58协联特性：微机调节器采用的水轮机协联曲线二.水轮机数字式（微机）电液调速器59 插值节点表603.动态特性(PID传递函数表达式)613.动态特性(PID离散表达式)采样周期采样周期 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。623.动态特性(PID离散表达式)比例作用比例作用输出比例于输入输出比例于输入，输出对输入的响应没有时间差；输出对输入的响应没有时间差；离散化离散化时与采样周期时与采样周期 无关。无关。杠杆输出位移y(t)比例于（杠杆比k）其输入位移x(t):运算放大器输出Uout(t)比例于（放大系数k）其输入Uin(t):633.动态特性(PID离散表达式)比例作用分量YP 643.动态特性(PID离散表达式)积分作用积分作用输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速输入为零，输出保持常数；输入为常数，输出等速变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期变化；输出取决于输入和时间，离散化时与采样周期 有关。有关。积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。汽车行驶路程汽车行驶路程s(t)是其速度是其速度v(t)的积分：的积分：接力器位移接力器位移y(t)是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移是主配压阀活塞偏离中间平衡位置位移x(t)的的积分：分：653.动态特性(PID离散表达式)积分作用积分的物理概念：在时刻积分的物理概念：在时刻t,被积曲线与横轴之间的面积。被积曲线与横轴之间的面积。663.动态特性(PID离散表达式)积分分量 是采样周期；在时刻t,曲线与横轴之间的面积；K个矩形面积之和（）；K-1个矩形面积之和()；K时刻一个矩形面积；673.动态特性(PID离散表达式)微分作用微分作用输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离输出比例于输入的变化速度；输入为常数，输出为零，离散化时与采样周期散化时与采样周期 有关。有关。；SX(S)的原函数就是683.动态特性(PID离散表达式)微分作用分量YD式中式中 是采样周期，经整理得到：是采样周期，经整理得到：693.动态特性(PID离散表达式)微分环节离散表达式在阶跃微分环节离散表达式在阶跃 作用下的动作过程（举例）：作用下的动作过程（举例）：703.动态特性PI响应特性：PI调节器的阶跃输入响应特性二.水轮机数字式（微机）电液调速器71 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3.动态特性723.动态特性（速动时间常数Tx）物理含义是：在bp=0的条件下，若取频率变化相对值为x=1.0，则接力器走全行程的时间就是速动时间常数Tx，它在数值上等于积分增益KI的倒数，也等于暂态差值系数bt与缓冲装置时间常数Td的乘积。几个x取值下的接力器走全行程的时间：733.动态特性（速动时间常数Tx）若记t0.5和t0.1为接力器走50%和10%行程的时间，则有：743.动态特性（PID参数选择）1.5Tw/Tabt3Tw/Ta 3TwTd6Tw Tn=(0.40.6)Tw 式中：被控机组为混流式可取较小的bt、Td、Tn初始值，为轴流式时可取bt、Td、Tn范围内的中间值作为其初始值、为贯流式则要取较大的bt、Td、Tn初始值；对于同一机组，水头高时要取较大的bt、Td、Tn值。753.动态特性（PID参数选择）0.33Ta/TwKP0.67Ta/Tw0.167KP/TwKI0.33KP/Tw0.4Tw KPKD0.6 Tw KP表明:应先确定比例系数KP再据上式确定积分系数KI和微分系数KD。KP、KI和Tw呈近似反比的关系。KD与Tw呈近似正比的关系。763.动态特性（PID参数选择）例如，当Ta10s，Tw1.5s时，计算可得：0.225 bt 0.45，4.5s Td 9.0s，0.6s Tn 0.9s，2.2KP 4.47，0.11KPKI0.22KP，0.6KPKD0.9KP，774.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78三.微机调节器机组频率测量 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(0.3150V)齿盘测频的非接触式接近开关（NPN型，DC24V供电）测频范围：残压测频 (1090Hz)齿盘测频：(290Hz)测频分辨率：0.0015Hz79三.微机调节器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。80三.微机调节器机组频率测量81三.微机调节器机组频率测量F必然正比于被测的频率值。例如，取N=2106Hz，则在被测频率为50Hz时，其T=0.02s，NT=40000；若取式中的常数C=2109，则求得测量结果为F=50000。若被测频率为48Hz，则求得F=48000。82三.微机调节器双机交叉冗余83三.微机调节器双机交叉冗余全冗余双PLC调节器：CPU、输入模块、输出模块、传感器、测频单元、电源均为冗余结构，实现“主机/热备”功能。微机调节器采用两个独立的微机控制器A和B组成，通过现场总线MB+实现双机状态和数据一致；每一个微机调节器与机械液压系统相配合，能独立实现全部控制功能和保证达到全部调节性能要求；当微机调节控制器A或B之一故障时，可发出故障信号并自动、无扰动地切换到正常机工作，故障机可在线更换模块、检修。双机冗余（单元级冗余）84三.微机调节器双机交叉冗余F模块（FA、FB）：频率测量模块DI模块（DIA、DIB）：开关量输入模块DO模块（DOA、DOB）：开关量输出模块AI模块（AIA、AIB）：模拟量输入模块AO模块（AOA、AOB）：模拟量输出模块C模块（CA、CB）：通信模块交叉冗余（模块级冗余）85三.微机调节器双机交叉冗余在不増加硬件的条件下，用通信和软件构成交叉冗余控制结构，具有较强的容错能力。当双微机调节器均出现部分模块故障时，这种交叉冗余控制结构可以容忍两个单机的不同名模块故障情况（容错），交叉构成正常的调节器，使调速器能正常工作，实现真正的双机冗余容错结构，进一步提高调速器的可靠性。交叉冗余（模块级冗余）86三.微机调节器双机交叉冗余记模块变量为MY（X），Y表示A或B调节器，X表示6种模块类型F、DI、DO、AI、AO、C。设定模块1时为正常，模块0时故障。例如FA1，表示微机调节器A的频率测量模块正常；FA0表示其故障。87三.微机调节器应用软件88三.微机调节器应用软件PID调节参数的整数化89三.微机调节器应用软件90三.微机调节器应用软件例子：采样周期=0.02s(=2s)，取T1v=0.14s（T1v=14s），则式成为：91三.微机调节器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。92三.微机调节器适应式变参数调节 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93