第一张水轮机调节的基础

第一章 水轮机调节的基本概念

§1-1 水电站的生产过程

上游水位 调压井 发电机 电网 调速器 引水隧道 压力管道 下游水位 水轮机 图1-1 典型水电站示意图

从图1-1我们可以看到，为了利用河流的能量来发电，必须在建设水电站的地点集中河段的落差，用筑坝的方式实现。通过压力引水道输送水能到水轮机，将水能转变成机械能。水轮机作为交流发电机的原动力，带动发电机旋转，将机械能转变为电能。这种电能自发电机输出送往电网，然后电能又被送到用户，用户根据自己的需要，将电能转变成各种形式的能量：机械能、光能、热能等等。可以看出，水电站生产的全过程是水、机、电的联合生产过程，如图1-2所示。

变电 输电 配电 用户电能 厂用电 升压站 高电压网 降压站配电网 电器 电能 发电机 机械能 水轮机 天然水能 集中和调节水能 输送水能 蜗壳 水流 坝和水库 进水口压力管道 尾水管 水流 图1-2 水电站生产过程图

§1-2 水轮机调节系统简介

水轮机调节系统由被控制系统（调节对象）和被控制系统（调节器）所组成，对水电站而言，调节器就是调速器。由于水电站是一个水、机、电综合系统，一方面机组与压力引水道有水力上的联系，另一方面又与电力系统有电气上的联系。因而调节对象包括机组（水轮机和发电机）、引水道和电网。

根据调节对象的各组成单元和调速器之间的关系，可以画出水轮机调节系统如图1-3所示。

调节对象 水库 负载 压力引水道 电网 导叶 水轮机转轮 发电机 调速器 指令 调节器 图1-3 水轮机调节系统

§1-3 水轮机调节的任务

水轮发电机组将水能转变成电能供工业、农业、商业及人民生活等使用。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（容量大于3000MW）允许的频率偏差为±0.2Hz，小电网（容量小于3000MW）允许的频率偏差为±0.5。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的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%。电力系统负荷的变化，导致了系统频率的波动。

水轮机调节的任务就是解决如何能使机组转速（频率）保持在额定值附件的某个范围之内。

水轮发电机组能否满足上述要求呢？ 发电机组所产生的电流频率由下式确定： pnf?（1-1）

60

式（1-1）中：

f——电流的频率（Hz）；

n——发电机转速（r/min）； p——发电机磁极对数。

水轮发电机组转动部分的运动方程具有如下形式：

J

式（1-2）中：

2

J——机组转动部分的惯性矩（kg·m）；

d??Mt?Mgdt（1-2）

???n； 30——机组转动角速度（rad/s）

n——机组转动速度（r/min）；

Mt——水轮机转矩（水轮机动力矩）（N·m）； Mg——发电机负荷阻力矩（发电机阻抗力矩）（N·m）；

由式（1-2）得知，机组工作的稳定状态，即机组的角速度保持不变的状态（dω/dt＝0），只有当水轮机动力矩Mt等于发电机阻抗力矩Mg时才能得到保证。

Mt＝Mg时，dω/dt＝0，机组保持某一定值的转速，处于稳定状态； Mt＞Mg时，dω/dt＞0，机组转速就会增加； Mt＜Mg时，dω/dt＜0，机组转速就会降低。

由于发电机负载发生变化而引起阻抗力矩变化时，为了要在机组的角速度不变的情况下保持机组的平衡状态，必须相应地变更由水轮机发出的动力矩。

水轮机的动力矩由下式确定：

?QH?

Mt?（1-3） ?

式（1-3）中：

Q——通过水轮机的流量（m3/s）； H——水轮机工作水头（m）； η——水轮机效率；

ρ——水的密度（kg/m3）。

在式（1-3）中，ρ对水来说是常量，ω是我们力图保持不变的。可以变化的只有Q、H、η三个参数，而增减水头H或效率η在技术上是很难做到的，在经济上也是不合算的，最好的办法是调节流量Q来改变水轮机的动力矩。

调节进入水轮机的流量，对于混流式水轮机，采用改变导叶开度的办法；对于转桨式水轮机，采用同时协联改变导叶开度和转轮叶片角度的办法；对冲击式水轮机，采用同时协联改变喷针行程和折向器开度的办法来实现。

从上述的分析，我们可以得出，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）偏差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机机组功率与负荷功率的平衡。

以上的流量调节机构可以手动进行“人工调节”，也可以用水轮机调速器实现自动调节。 水轮机调速器是水电站水轮发电机组重要的辅助设备之一，它除了控制机组的转速之外，还与电站二次回路或微机监控系统相配合，完成如下的工作：

（1） 进行机组的正常操作：机组的开停机、增减负荷以及发电、调相等各种工况的相

互切换。 （2） 保证机组的安全运行：在各种事故情况下，机组甩掉全部负荷后，调速系统应能

保证机组迅速稳定在空载转速或根据指令信号，可靠地紧急停机。

（3） 实现机组的经济运行：按要求自动分配机组间的负荷。

§1-4 水轮机调节的特点

水轮机调节系统是一个自动调节系统，它除了具有一般闭环控制系统的共性外，还有以下一些特点：

1． 水轮机控制设备是通过水轮机导水机构和轮叶机构来调节水轮机流量及流态的。这种调节需要很大的动力，因此，即使是中小型调速器也大多要采用机械液压执行机构，且采用的常常是一级或二级液压执行机构。液压执行机构的非线性和时间滞后性会影响水轮机调节系统的动态品质。

2． 受自然条件的限制，有些水电站具有较长的引水管道。管道长，水流惯性大，水轮机突然开启或关闭导叶会在压力引水管道中产生水击，而延长关机时间，又会使机组转速过高。这些，都会对水轮机调节系统的动态品质产生不利的影响。

3． 水轮机调节系统是一个复杂的、非线性控制系统。

? 水轮机形式多样性，主要有：混流式、轴流定桨式、轴流转桨式、贯流式、冲击式、水泵/水轮机式等等。 ? 水轮机特性是非线性的。

? 水轮发电机组有多种工作状态，如：机组开机、机组停机、同期并网前和从电网解列后的空载运行、孤立电网运行、以转速控制和功率控制等控制模式并列于大电网运行、水位和/或流量控制等。

4． 电力系统容量的扩大以及自动化程度的提高，对水轮机调速器的稳定性、速动性、准确性提出了越来越高的要求，调速器的操作功能、自动控制功能不断完善，已经成为水电站综合自动化必不可少的自动装置。

§1-5 调速器的分类和型号

一、调速器的分类 1．按元件结构分类

调速器可分为机械液压型和电气液压型两大类。

（1）机械液压型调速器的构成元件是机械元件和液压元件。机械元件如：离心摆、局部反馈、调差机构等；液压元件如：辅助接力器、主配压阀、主接力器、缓冲器等。

（2）电气液压型调速器的一部分元件是电气回路，如：测频回路、缓冲回路、硬反馈回路、放大回路等；还有一部分是液压放大元件，如：配压阀、接力器等；电液调速器增加了电信号转换为机械液压信号的元件——电液转换器和将位移信号转变成电信号的反馈元件——位移传感器。

（3）数字式电液调速器习惯上也称为微机调速器。微机调速器是从最初的单板机、单片机微机调速器发展到现在的IPC（工业控制机）调速器、PLC（可编程控制器）调速器、PCC（可编程微机控制器）调速器。所谓IPC、PLC、PCC调速器是指微机调速器的微机调节器分别以IPC、PLC、PCC为核心构成的。微机调速器的液压放大部分与电液调速器基本相同，但在电/机转换部件上有重大改进，如：比例伺服阀、数字阀、液压伺服阀、控制阀等。从分类而言，微机调速器仍为电液调速器。