第一部分 数字调速器原理说明

第一章 水轮机调节

一．水轮机调节的基本任务

水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz（赫兹），大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其容量的5％～10％；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2％～3％。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动。因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。 二．水轮机调节系统的结构

水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。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称为水轮机调节系统的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定的特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合成为水轮机控制设备（系统）。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的电气控制装置和机械执行机构组成。

第二章 水轮机调速系统的标准和特性

一．水轮机调速系统的标准

1．《电气与电气工程师协会标准》IEEE/IEC60362-1998； 2．《水轮机电液调节系统及装置技术规程》DL/563-2004； 3．《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》GB/T 9652.2－2007； 4．《水轮机调速器与油压装置技术条件》GB/T 9652.1－2007；

5．《大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件》GB/T 11805-2008； 6．IEC308《水轮机调速系统试验国际规程》； 7．NEMA《美国电气制造商协会标准》。

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二．调速器总体原则

符合国家有关文件、标准的规定，充分体现先进性、合理性、完整性和高可靠性的原则。保证整个调速系统安全可靠地工作，并满足如下要求：

* 满足有关文件的要求和有关国家标准。

* 适应频繁启停，空载快捷平稳，大网运行安全可靠，小网运行响应迅速。 * 高性能和高安全可靠性。

* 各种运行工况稳定运行、相互跟踪、切换无扰动。 * 硬件配置合理，各种调节控制功能完备。 * 全中文图形、表格、数据的人机操作平台。

* 完善的试验、录波、事件记录、自诊断、帮助等辅助功能。 * 选用世界知名厂家的兼容性高的最新元器件。 三．性能指标

* 导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3～100S * 导叶接力器全开启时间调整范围为： 3～100S * 桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10～120S * 桨叶接力器全开启时间调整范围为： 10～120S * 频率调整范围： 45～55 Hz * 永态转差bp调整范围： 0～10% * 比例增益Kp调整范围： 0.5～20 * 积分增益KI调整范围： 0.05～10 1/s * 微分增益KD调整范围： 0.0～10 s * 人工失灵区调节范围： 0～±1 .5%nr * 测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 % * 水轮机甩25%负荷后，接力器不动时间不超过： 0.2 s * 静特性曲线非线性度： 不超过 0.5% * 自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过+0.15%。

* 甩100%额定负荷后转速波动超过3%的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机组转速持续波动相对值不大于：±0.15％。

从机组甩负荷时起，导机组转速相对偏差小于±1％为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间tM的比值，对中、低水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9。

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四．调速系统的可靠性

自动工况可利用率： >99.99% 自动＋手动可利用率： 100% 首次无故障间隔时间（自现场验收起） 不小于35000小时 大修间隔时间： 10年 退役前的使用期限： >20年

第三章 调节规律

补偿PID：具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、PID调

节参数及整机放大系数，使调速系统始终工作在较佳的工况点。

在空载、负载开度、负载功率、负载转速运行工况下都有相应的PID调节控制参数与之对应，确保优良的控制效果和机组安全稳定地运行。

在空载工况下，网频正常且为跟踪状态时的频差为： △F = FW-FJ 机组并网运行后，空载无网频，或在不跟踪工况下，频差为： △F = FG-FJ

其中：FW电网频率，FJ机组频率， FG为频率给定值。

通过对频率差值，或开度差值或功率差值进行PID运算后，得到一个与该差值所对应的开度输出信号，经过开度限制环节输出到液压随动系统来控制导水叶的开度，则导水叶的开度经AD转换后与PID调节器的输出信号进行综合比较，放大输出，直到调整输出信号和导水叶开度所对应的信号之差为零。

水轮机调节系统的工作点可以由水头和接力器行程来确定，工况可以由工况回路来确定。

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在空载工况下: 调节△F=0；

在负载开度调节时: 调节开度差值△YG＝YG-Ya=0； 在功率闭环调节工况下: 调节功率差值△PG=PG-Pa=0。 其中：YG开度给定，Ya机组实际开度，PG有功功率给定，Pa 机组实际功率。 PID控制算法的模拟表达式如下：

Y（t）=KP[e（t）+1/T1∫e（t）dt + TD de（t）/dt] 离散后得到第n次输出值为：

n

Y（n）=KP{e（n）+τ/TI∑e（j）+TD/TI[e（n）-e（n-1）]} j=0

式中Y（t）为调节输出；e（t）为t时刻的输入偏差值；τ为采用周期（τ =△t）；e（n）为第n次输入偏差值；e（n-1）为第n-1次输入的偏差值；n为采样序号（n=0，1，2?）；KP为比例系数；TI为积分时间；TD为微分时间。 第n-1次输出值为：

n-1

Y（n-1）=KP{e（n-1）+τ/TI ∑ e（j）+ TD/TI[e（n-1）-e（n-2）]} j=0 PID算法的增量表达式为： 将Y（n）Y减去（n-1）：

Y（n）-Y（n-1）=KP{e（n）-e（n-1）+τ/TI e（n）+ TD/TI[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]} 整理后关系式为：

Y（n）= Y（n-1）+ KP{e（n）-e（n-1）+τ/TI e（n）+ TD/TI[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}

= Y（n-1）+KP[e（n）-e（n-1）]+ KI e（n）+ KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）] 增量式PID算法表达式为：

△Y（n）= Y（n）- Y（n-1）

= KP[e（n）-e（n-1）]+ KI e（n）+ KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]

调速器的内部PID计算公式

Y(K)=YPIYG(K-1)+ △YP(K)+ △YI(K) +YD(K) + △YYG(K)

(1)．内部计算值：频差 △F(K)=F电网－F机组 分辨率500/HZ，25000对应50HZ PID计算最大值32767对应100％输出，计算系数 32767/25000=1.31 (2)．输入值： bp扩大100倍 bp=bp′/100

bt扩大100倍 bt=bt′/100 Tn扩大10倍 Tn=Tn′/10 Td扩大1倍 Td=Td′

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