《发电机组自动调节》实验指导书教学文稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。发电机组自动调节实验指导书-目录1调速器整机静态特性实验11.1简介11.2实验目的11.3实验条件11.4实验步骤11.5实验结果及分析22调节规律及调节系统动态仿真实验42.1简介42.2实验目的52.3实验条件52.4实验步骤52.5实验结果及分析62.6自行设计实验82.7参考方案8附录：GYWTPCC系列高油压调速器简介14一、系统结构及工作原理14二、主要功能及参数17三、参数设置及运行操作18（一）、人机界面18（二）、运行操作22附图1：GYWT-3000型调速器机械液压系统24附图2：

2、GYWT-7500型调速器机械液压系统25-1调速器整机静态特性实验1.1简介我国国家标准GB/T9652.1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件要求调速系统静态特性应符合下列规定：静态特性曲线应近似为直线；测至主接力器的转速死区不超过表1-1中的规定值。表1-1调速器转速死区规定值调速器类型项目大型中型小型特小型电调电调电调机调转速死区ix%0.040.100.150.180.20国家标准GB/T9652.2-1997水轮机调速器与油压装置试验验收规程中将调速器试验分为四类，即：出厂试验、电站试验、型式试验和验收试验，四类试验均要求做“调速器整机静特性试验”。该项试验能够全面地反映调速器

3、的整体性能。因此，无论是在调速器出厂前，还是在电站安装完成后，都十分重视对调速器整机静特性试验，尽早发现调速器可能存在的缺陷，及时调整加以解决，确保机组运行的安全稳定。1.2实验目的测取调速器整机静态特性曲线（即机组稳态转速与调速器主接力器行程之间的关系曲线），计算出调速器的永态转差系数bp和死区ix，并与永态转差系数设定值和死区规定值比较，符合水轮机调速器与油压装置技术条件规程中的要求。1.3实验条件GYWTPCC系列高油压调速器（装置说明见后附录）；XUTMII型水轮机调速器微机测试仪；钢板尺。1.4实验步骤保证调速器压油罐压力和油位在正常高位，油压装置控制柜在手动打油位置，即主接力器在走

4、完一个行程之前油泵不会自动启动打油，以防止实验过程中被机械振动和电气信号干扰，保证试验精度和可信度。调速器上电后工作在停机状态，检查调速器各部分工作情况，确保各部分正常工作。在自动情况下发出开机令，开度增大到启动开度，用稳定的频率信号源输入额定频率信号50.00Hz，待接力器稳定后，使断路器信号DL闭合，相当于并网运行情况。设置试验参数：永态转差系数bp6%，切除人工转速死区（fx=0.00Hz），KD为最小值（KD=0），KI为最大值（KI=10），KP为中间值（KP=10）。频率给定为额定值（FG=50.00Hz），开度给定为（YG=50.0%），主接力器行程应为50.0%附近。升高信号频

5、率使接力器全关，选取合适的接力器位置参考点，用钢板尺测量接力器位置，并记录接力器处于全关时的位置Ymin；降低信号频率使接力器全开，接力器位置参考点不变，用钢板尺测量接力器位置，并记录接力器处于全开时的位置Ymax；则接力器全行程YM=|Ymax-Ymin|。取频率增减步长为0.10Hz，连续按3下，相当于每次频率变化为0.30Hz。依次升高信号频率，接力器向关闭方向运动，待接力器稳定后（等待至少约20秒），测量并记录对应于该信号频率的接力器位置。当接力器到达全关位置后，依次降低信号频率，直到接力器处于全开位置。按bp6%推算，试验测量点数约为810点。每条曲线在接力器行程（595）的范围内，

6、测点不少于8点，如测点有1/4不在曲线上，则此试验无效。试验连续进行3次，试验结果取其平均值。将记录的数据表格（表1-2）进行整理后（表1-3），绘制调速器整机静特性曲线（图1-1），求出调速器的永态转差系数bp和死区ix，并与规定值比较分析。1.5实验结果及分析表1-2调速器整机静态特性试验记录数据输入信号频率f（Hz）48.5048.8049.1049.4049.7050.0050.3050.6050.9051.2051.50显示输出频率fd（Hz）接力器位置Yw（mm）输入信号频率f（Hz）48.5048.8049.1049.4049.7050.0050.3050.6050.9051.2

7、051.50显示输出频率fd（Hz）接力器位置Yw（mm）接力器行程Y=|Yw-Ymin|，整理后的数据表格见表1-3。表1-3调速器整机静态特性试验整理数据输入信号频率f（Hz）48.5048.8049.1049.4049.7050.0050.3050.6050.9051.2051.50接力器行程（mm）接力器相对行程（%）接力器行程（mm）接力器相对行程（%）根据表1-3实验数据可画出图1-1。图1-1调速器整机静态特性曲线永态转差系数bp转速死区ix两条曲线间的纵向最大区间为转速死区，即找出同一接力器开度下最大的频率偏差。但由于实验数据上无同一开度下频率偏差fmax，有同一频率下的最大的

8、开度偏差Ymax，通过关系式，可得：2调节规律及调节系统动态仿真实验2.1简介作为水轮机的控制器，调速器控制策略十分重要，虽然对各种新型控制策略研究十分踊跃，但从实用的角度来说，PID调节规律仍为调速器的基本控制策略。发电机组自动调节系统是由调速器和被调节对象（水轮机以及引水系统、发电机以及电网）组成，调节系统稳定性及动态品质不仅与调速器调节规律有关，而且调节对象动态特性密切相关。课本上第6、7章水轮机调节系统分析部分，运用经典控制理论的频率法和根轨迹法对调节系统进行了综合分析。但这种基于复频域的解析分析方法是一种间接研究控制系统的方法，比较抽象或不直观，不利于学生深入理解调节系统动态特性，造

9、成了学习自动控制理论的主要障碍。将调速器调节规律以及调节系统动态过程通过计算机仿真及辅助分析手段，可方便地得出时域中的解，即用图形曲线显示出来，来研究调节参数以及调节对象参数对调节系统动态特性的影响。研究发电机组调节系统动态过程以前有模型机组法，之后主要采用机组动态模拟的方法，即调节系统中各个部分元件通过模拟集成电路来实现，但这种方法灵活性差，而且模拟装置工作性能不够稳定，曲线输出比较麻烦。早期计算机仿真先是将数学模型转换仿真模型，然后制定计算方法及程序框图，再运用计算机语言编制程序运行保存数据，最后通过专用的图形处理软件输出曲线结果。MATLAB是近年来用于科学工程计算的高效率高级语言，应用

10、越来越广泛，通过不断的版本升级更新，其功能不断增强。现在已不仅是单一编程语言，已成为一种系统应用开发环境，其内容包含了一般的数值计算、系统动态仿真、自动控制、优化设计、系统识别、振动理论、时序分析、以及图形处理等几乎所有的科学工程计算方面。利用MATLAB中的Simulink系统动态仿真模块，采用面向对象的可视化编程手段，能够方便地将水轮机调速器及调节系统动态结构图直接绘制出来，选择合适的仿真参数和输出方式仿真运行，就可得出仿真数据或曲线结果，保存或直接打印输出。国家标准GB/T9652.1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件中要求水轮机调节系统动态特性应符合下列规定：调速器应保证机组在各

11、种工况和运行方式下的稳定性。在空载工况自动运行时，施加一阶跃型转速指令信号，观察过渡过程，以便选择调速器的运行参数。待稳定后记录转速摆动相对值，对大型电调不超过0.15，对中、小型调速器不超过0.25，特小型调速器不超过0.3。如果机组手动空载转速摆动相对值大于规定值，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。机组甩负荷后动态品质应达到甩100%额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速3%额定转速值以上的波峰不超过两次；甩100%额定负荷后，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组摆动值不超过0.5%为止所经历的时间，应不大于40s。2.2实验目的掌握运用MATLAB提供的S

12、imulink建模及仿真方法；选择不同的调节参数，仿真得出调节规律曲线，分析调节参数对PID调节规律的影响；选择不同的调节参数和对象参数，仿真得出调节系统动态过程曲线，分析调节参数和对象参数对调节系统稳定性和动态品质的影响。2.3实验条件微型计算机PC，配置P-500Hz、内存64M、硬盘40G及以上；Windows2000/XP平台，应用软件MATLAB6.5。2.4实验步骤运行MATLAB6.5，打开Simulink模块，建立新的模型文件；从SimulinkLibrary取出调速器动态结构图（图2-2）中对应的环节，并将各部分正确连接起来后，再将调速器动态结构图封装成一个模块（Create

13、subsystem），编辑调速器模块参数（EditMask），最后双击调速器模块，选择一组的调节参数；同样地，从SimulinkLibrary取出水轮发电机组动态结构图（图2-3）中对应的环节，并将各部分正确连接起来后，再将机组动态结构图封装成一个模块（Createsubsystem），编辑机组模块参数（EditMask），最后双击调速器模块，选择一组的调节对象参数；把调速器和机组、选择开关、阶跃输入信号、输出状态变量和示波器等连接成为机组调节系统仿真框图，其中调速器调节规律开环实验见图2-4，调节系统闭环实验见图2-5；设置阶跃输入信号参数（如初值为0、终值为0.1等，参考图2-6、图2-7

14、），设置仿真参数，如仿真起（0.0sec）止（50.0sec）时间、解题参数，固定步长0.01sec，算法（ode45）等，参考图2-8；编写M函数并运行，可得出仿真曲线，见图2-9或图2-10；用图2-4进行调节规律实验。选择不同的调速器调节参数，可得出不同的调节规律曲线；用图2-5进行调节系统动态过程实验，选择不同的调速器的调节参数、调节对象的参数，可得出不同的调节系统动态过程曲线。2.5实验结果及分析将调节规律实验得出的仿真曲线进行整理，取出6组典型曲线（即bt、Td、Tn各取2个值），求出曲线上对应的bt、Td、Tn实测值，并与设计值对比分析。图2-1为PID参数与调节规律曲线关系。图

15、2-1PID参数与调节规律曲线关系、PI调速器的传递函数：、PID调速器的传递函数：表2-1设计与实测PID调节参数对比编号设计bt实测bt设计Td实测Td设计Tn实测Tn123456注：可取阶跃信号幅值为c=0.1。将调节系统动态过程实验得出的仿真曲线进行整理，取出6组典型曲线（即固定调节对象参数Tw、Ta、en，bt、Td、Tn各取1个值；固定调速器调节参数bt、Td、Tn，Tw、Ta、en各取1个值；），求出仿真曲线上对应于6个参数bt、Td、Tn，Tw、Ta、en的调节时间Tp、超调量和振荡次数X，并分析6个参数对调节系统稳定性和动态过程品质的影响。表2-2调节系统参数对调节系统动态品

16、质的影响编号btTdTnTwTaenTpX123456注：可取阶跃信号幅值为c=0.2，稳定区域=1%；可将图形中曲线放大后进行观测。2.6自行设计实验调速器动态结构框图由中间接力器框图改为辅助接力器框图，对比实验结果，并进行分析；调速器动态结构框图由中间接力器框图改为电子调节器（并联PID）框图，对比实验结果与分析。通过采用不同的调速器框图进行分析对比，能够加深对调速器控制调节特性的了解，更好掌握调速器工作性能。2.7参考方案图2-2调速器动态结构框图图2-3水轮发电机组动态结构框图图2-4调速器调节规律开环仿真实验图图2-5调节系统闭环仿真实验图图2-6调节规律仿真实验时的阶跃信号/调速器

17、参数/机组参数设置界面图2-7调节系统动态仿真实验时的阶跃信号/调速器参数/机组参数设置界面图2-8系统仿真参数设置界面图2-9M函数及调节规律仿真曲线图2-10M函数及调节系统动态过程仿真曲线附录：GYWTPCC系列高油压调速器简介GYWTPCC系列高油压调速器以可编程计算机控制器（PCC）为核心，选用PowerPanelPP41集成式模块，液压放大部分选用标准液压元件，电液转换元件有电液比例阀和高速开关球阀两种，并配备具有高压气囊的压油罐，构成电液随动系统。具有控制性能优良、结构简单、操作维护方便，可靠性高等优点。一、系统结构及工作原理GYWTPCC系列高油压调速器的系统结构如图1所示。由

18、PP41模块为核心的电气部分和高油压电液随动系统两大部分组成。调速器电气部分液压随动部分外部信号驱动器随动阀组按钮测频开关量导叶接力器RS485通讯急停阀导叶电气反馈PCC可编程控制器显示手动阀组图1调速器的系统结构图1调速器电气部分GYWTPCC系列调速器电气部分采用奥地利贝加莱公司生产的B&R2000系列可编程计算机控制器PCC的各功能模块为硬件，另设有开关电源、测频整形放大电路等部分组合而成的高可靠性工业控制装置。可编程计算机控制器PCC是一种专为工业环境设计的进行数字运算和操作的电子系统。它具有以下特点：高可靠性B&R2000系列PCC的平均无故障时间为30万小时。编程容易，使用方便P

19、CC为多任务分时操作系统，可将高速与低速任务分模块编制，且采用多种编程语言AB、梯形图、指令表，特别是类似C语言的AB语言，可实现面向对象编程方式，使编程更容易。具有门时检测功能可完全由PCC模块实现频率测量，提高了调速器整体可靠性。测频时，机频与网频信号经隔离变压器降压，并整形后直接送入高速开关量输入端，该模块利用其内部的时钟信号，测量两上升沿之间的时间差，经运算求出频率值，故大大简化了测频电路，极大地提高了可靠性。图2机组频率测量基本原理电气部分主要硬件包括PP41模块为B&R公司2000年推出的适应于中、小型控制系统的集显示器、键盘、控制器为一体的控制单元，每条指令的执行速度可达0.12

20、5，用户RAM700KB，PROM1.4MB。除10个输入和9个输出开关量外，还具有一个RS232和一个CAN总线接口，同时该模块还具有六个螺钉紧固的模块槽，模拟量采集模块就固定在其上。RS-232接口用作编程接口，CAN接口用于与上位机通讯。键盘与液晶显示用于人机对话，具有功耗低，可靠性高的特点。本模块的主要功能是系统监控、程序执行等。A/D转换模块AI351为单通道12位A/D转换模块，直接固定在PP41的螺钉紧固模块槽上，并具有-10V与+10V的标准电源最大10mA输出，输入范围为-10V+10V，能自动完成模拟量采集，主机仅需读取结果，而不占用CPU时间。AI351用于接力器反馈信号

21、的A/D转换。2调速器液压放大部分该系列调速器液压放大部分，见附图1（GYWT-3000型）或附图2（GYWT-7500型）。液压系统工作油压为16Mpa，压油罐中采用皮囊式蓄能器储能，皮囊内氮气极少漏失，在检修期内一般不需补气，需要时用专门的补气装置和瓶装氮气可方便地进行补气，节省了电站高压气系统的投资成本，并降低了运行费用。而且，皮囊内所充氮气与油液不直接接触，油质不易劣化，延长压力油的使用寿命。电液转换元件采用电液比例阀或高性能高速开关阀，将电信号转换成具有压力的油流量信号。由于提高了液压等级，全面采用了液压标准元件及新型电液转换器件，基本上解决了电液转换器机械发卡和油路堵塞引起的控制失

22、灵问题，从而使电液随动放大系统的工作可靠性大大提高。油压装置（压力油源系统）由油箱1、溢流阀2、电机3、油泵4、单向阀5、双筒滤油器6、蓄能器7及电接点压力表8等组成。其中蓄能器7是一密闭的标准液压的压力容器，在其内部的橡胶皮囊中未使用前预先充有一定压力的氮气，可根据额定油压时压力容器内的油气比确定，当额定工作油压为16Mpa时，取一般为10Mpa）。当油泵启动，压力油进入压力容器压缩其内部的皮囊，使油压持续升高，达到储能的作用。油压的大小可通过溢流阀2调节，当蓄能器中的油压达到溢流阀设定压力，则溢流阀开始溢流，压力油不再进入蓄能器，保持系统的压力恒定。双筒滤油器6的过滤精度为20，保证液压阀

23、的正常工作；电接点压力表8根据压油罐压力控制油泵的启停。该油源系统取消了压力油罐，改用蓄能器储能，无需再为调速器设置专门气源，降低了电站的成本。附图1（GYWT-3000型）液压系统电液转换元件为电液比例阀10，电气部分输出的自动开机或关机电量信号分别加在电液比例阀开机或关机线圈上，电液比例阀输出油路经液压锁17、双单向节流阀14以及分段关闭装置16，连接到主接力器油缸15上，控制主接力器的开大或关小，调节机组转速或出力。手动操作时先将手自动切换阀11打到手动位置，切断电液比例阀压力油，液压锁关闭，操作手动切换阀13，控制主接力器的开大或关小。紧急停机电磁阀12动作，直接向主接力器关闭配油，使

24、主接力器以最大速度关闭。其中双单向节流阀调节主接力器开关闭时间，分段关闭装置通过主接力器位置拐点控制关机侧排油管路上的节流孔，形成接力器两段关闭规律。附图2（GYWT-7500型）液压系统电液转换元件为高速开关电磁球阀，其中9为关机电磁球阀、12为开机电磁球阀，电气部分输出两路脉宽可调的脉冲信号，分别控制开机、关机电磁球阀的动作。当电磁球阀带电时球阀开启，向液动换向阀提供压力油；当电磁球阀失电时自动关闭，向液动换向阀提供回油通路。液动换向阀在开机、关机电磁球阀的作用下位移，其输出油路经液压锁13、分段关闭装置15，连接到主接力器油缸14上，控制主接力器的开大或关小。通过控制开关机电磁球阀配合及

25、动作时间，可控制主接力器动作速度，达到连续调节机组转速或出力的目的。手动操作可直接由电磁球阀上的手动按钮来实现，人为手动操作开关按钮，通过液动换向阀，控制主接力器的开大或关小。紧急停机电磁阀11动作，使开启电磁球阀（右侧）输出接通回油，使关闭电磁球阀（左侧）输出接通压力油，液动换向阀右移，油管路A接回油，油管路B接压力油，使主接力器以最大速度关闭。其中调整液动阀两端的调节螺母，可限制液动阀芯的动作行程，即限制了液动阀输出油路开口，从而达到整定开关机时间的目的。分段关闭装置通过主接力器位置拐点控制关机侧排油管路上的节流孔，形成接力器两段关闭规律。二、主要功能及参数1主要功能频率测量与调节：可测量

26、机组和电网的频率，并实现机组频率的调节和控制。频率跟踪：当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动准同期并网。自动调整与分配负荷：机组并入电网，调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整机组出力。开停机操作：接受中控室或上位机指令，实现开停机操作。手动操作：具有机械手动操作功能，并可无条件，无扰动地实现自动运行与手动操作的相互切换。能方便地实现与上位机的通讯。2主要技术参数转速死区ix0.04%静特性曲线的非线性度5%甩25%负荷时接力器不动时间Tq0.2sec机频、网频电压范围：AC0.3110V电源：AC220V10%及DC220V10%工作油压：16Mpa3调节参数范

27、围比例系数KP020积分系数KI0101/sec微分系数KD05sec永态转差系数bp010%频率人工死区Wf01Hz频率跟踪范围FG4555Hz功率调整范围PG0100%三、参数设置及运行操作（一）、人机界面GYWTPCC调速器的显示包括液晶显示器和运行指示灯显示。GYWTPCC调速器的液晶显示器及键盘由一个1/4VGA液晶显示器和40个薄膜按键组成，如图3所示。显示画面共二幅，由PP41自动切换或通过按键切换。第一幅为等待开机或复位画面，如图4所示。第二幅为运行画面：显示运行参数，如图5所示。在运行画面中的显示“跟踪频给”位置，若设置调速器并网时为跟踪电网频率方式，则显示“跟踪网频”；若设

28、置调速器并网时为不跟踪电网频率方式时，则显示“跟踪频给”。在运行画面中的显示“自动”位置，若设置调节器为自动运行时，则显示“自动”；若设置调节器为手动运行方式时，则显示“手动”。在运行画面中的显示“开机过程”位置，依据调速器的运行状态分别显示“开机过程”、“空载状态”、“发电状态”、“停机过程”等。在需要设置参数时，按下键，则画面显示“请输入口令”，这时按数字键输入口令，再按回车键确认，则进入参数设置画面，参数设置画面如图所示。通过光标控制键、上、下、左、右移动光标至要修改的参数，然后用数字键输入参数（注意：小数点键位于四个光标键的中间），若输入出错，用回退键删除最后一个数字，最后用回车键确认

29、。设置完成后按“保存参数”键保存参数，再按键转至运行画面。图3PP41面板图4初始上电画面图5运行画面频率跟踪方式选择时，按“跟踪网频”键则该键左上方LED灯亮，则调速器设置为跟踪电网频率方式运行；按“跟踪频给”键则该键左上方LED灯亮，则调速器设置为跟踪频率给定方式运行。运行方式选择时，按“单机运行”键则该键左上方LED灯亮，则调速器设置为单机运行方式（该运行方式适合于单机或并入小网运行）；按“并网运行”键则该键左上方LED灯亮，则调速器设置为并大网运行方式。图6参数设置画面各参数设置及范围如下：比例系数:“Kp”设定范围020积分系数:“KI”设定范围0101/sec微分系数:“KD”设定

30、范围05sec永态转差系数:“bp”设定范围010%空载开限:“YL0”设定范围080%开度限制:“YLM”设定范围0100%转速死区:“Wf”设定范围01Hz开机时间：“Tkj”设定范围0100sec脉宽系数：设定范围0100随动系统死区:“MM”设定范围为010。设置随动系统死区“MM”是为了减小稳态时比例阀抖动。接力器行程最大值“Ymax”确定：按“最大行程”键则该键左上方LED灯亮，此时该画面中的数值为接力器行程的A/D转换值。置调速器于机械手动方式，转动手动手轮使接力器刚好全开，再按“最大行程”键则该键左上方LED灯灭，同时Ymax之值存入PP41。接力器行程最小值“Ymin”：按“

31、最小行程”键则该键左上方LED灯亮，此时该画面中“Ymin”后的数值为接力器行程的A/D转换值。置调速器于机械手动方式，转动手动手轮使接力器刚好全关，再按“最小行程”键则该键左上方LED灯灭，同时Ymin之值存入PP41。注意事项：Ymax、Ymin及3个参数用于机械随动与调节器的行程对准，一般在制造厂设定，现场仅在检修调整时由技术人员设定。（二）、运行操作1运行方式切换当调速器处于手动稳定运行状态时，即可操作手、自动切换开关将调速器切为自动运行；自动向手动切换可随时无条件、无扰动的进行。在自动运行时，无论何时需切为手动，都可用切换开关进行切换。2机旁开、停机操作当显示GYWT-PCC时（等待

32、开机或复位状态），按“开机”键则“开机”键左上方LED亮，进入开机状态（相当于远方开机令），当断路器闭合后LED灭。按“停机”键则“停机”键左上方LED亮，进入停机状态（相当于远方停机令）；当停机过程完成时，再次按“停机”键，则“停机”键左上方LED灭。3自动运行在空载且不跟踪网频时，增、减按钮为频率给定增加、减少，面板显示“频给”值变化。在发电且单机运行时，增、减按钮为频率给定增加、减少，面板显示“频给”值变化。在发电且并大网运行时，增、减按钮为功率给定增加、减少，面板显示“功给”值变化。4.手动运行当电气部分（调节器）不能正常工作、或不需投入电气部分、或只需电气部分起监视作用而不起控制作用时，调速器油压装置工作，可采用手动直接操作导叶开度，将手/自动转换开关在手动位置即可。手动开机向操作开机侧电磁球阀，油缸向开机方向运动，当导叶开至启动开度后松手，电磁球阀回复中位，待转速至80%后，向关机侧操作电磁球阀，使导叶关至空载开度附近，继续根据机组转速细心调整电磁球阀，使机组转速稳定在额定转速。手动增减负荷机组并网之后，向开机侧操作电磁球阀，使机组带上所要求的负荷，并根据需要增减。手动停机用电磁球阀将负荷减为零，油开关分开，然后用电磁球阀将油缸关到全关。附图1：GYWT-3000型调速器机械液压系统图附图2：GYWT-7500型调速器机械液压系统图