1、特大型水轮机调速器特大型水轮机调速器技术方案技术方案 武汉三联水电控制设备有限公司 特大型水轮机调速器特大型水轮机调速器技术方案技术方案 第一部分：总体结构第二部分：特色控制1、三段等加速度开机2、增强PID3、本机测频算法4、一次调频5、功率调节第三部分：油压装置第一部分：总体结构调速器由电气调节系统和机械液压系统两大部分组成。电气调节系统以德国西门子（Siemens）S7-400系列PLC为控制核心构成，采用双机冗余结构，主要采集水轮发电机组的运行数据、接收来自机组控制系统的命令，并对各数据和命令进行分析和运算，产生控制信号控制机械液压系统，完成对水轮发电机组的开机、停机、紧急停机、增减负
2、荷、频率调节和功率调节等操作。机械部分主要包括两套互为热备用的比例伺服阀、冗余结构的电液转机械部分主要包括两套互为热备用的比例伺服阀、冗余结构的电液转换机构、机械手动操作机构、自动复中装置、主配压阀、紧急停机电换机构、机械手动操作机构、自动复中装置、主配压阀、紧急停机电磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动、直连结构型磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动、直连结构型的机械液压随动系统。的机械液压随动系统。可编程控制器、HMI显示屏、空开指示灯等采用德国西门子公司产品。伺服比例阀、紧急停机电磁阀和液控换向阀采用德国REXROH 公司产品。电气部分电气控制柜配备含触摸屏的面板
3、的柜门，以便进行参数调节和设备维护电缆和管道入口布置在控制柜的底部。仪表和控制设备布置在控制柜的前面板上，以便监控和操作。 调速器控制柜可以容纳调速器的所有电气部件，包括连接外部系统的端子或接口设备。 调速器控制柜尺寸：8006002260mm调速器的机械液压部分布置在油压装置回油箱上。控制器规格控制器规格S7- 400 PLC是基于PROFINET CPU的带有全新性能特征的新一代硬件，具有更高的运算及通讯速度。 1.3.1 CPU技术特点技术特点 设计：S7-400 采用模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。扩展：如果用户的自动化任务需要多个中央控制器时，可对S7-4
4、00 进行扩展， 最多21 个扩展机架:人机界面人机界面采用10.4“TFT真彩高清液晶触措屏用为人机界面，人机界面除了常规的显示操作外，还具有参数设置、故障分析、事件记录、在线试验、在线帮助等辅助功能。该HMI含有对发电机组控制和调节的重要参数特征，具备 动态图表 报警显示 过程可变趋势 变更设定值及 控制状态显示 HMI访问安全性 机械部分系统结构系统结构机械部分由比例伺服阀比例伺服阀机械手动组成机械机械部分由比例伺服阀比例伺服阀机械手动组成机械冗余结构。比例伺服阀为电液转换元件，将电气信号变成冗余结构。比例伺服阀为电液转换元件，将电气信号变成接力器行程，当比例伺服阀转换器接力器行程，当比
5、例伺服阀转换器1作为主用时，比例伺服作为主用时，比例伺服阀转换器阀转换器2作为备用，若电气控制部分检测到作为主用的电作为备用，若电气控制部分检测到作为主用的电液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另一液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另一路电液转换环节路电液转换环节 阀套与阀芯的热处理方法时，都采用高硬度，即硬对硬组合，阀套与阀芯的热处理方法时，都采用高硬度，即硬对硬组合，静止件阀套内孔硬度为静止件阀套内孔硬度为HRC58-62；运动件阀芯外圆硬度为；运动件阀芯外圆硬度为HRC60-64。由于阀套与阀。由于阀套与阀 芯的滑动配合面采用硬对硬组合，芯的滑动配合面采用硬对硬组合
6、， 在配合面为小间隙高硬度情况下，在配合面为小间隙高硬度情况下， 杂质无法进入配合间隙，即杂质无法进入配合间隙，即使小杂质进入，也会逐步被碾碎使小杂质进入，也会逐步被碾碎, 不会嵌入配合表面。不会嵌入配合表面。比例伺服阀比例伺服阀具有以下主要特点：具有以下主要特点： (1)精度高、动态响应好精度高、动态响应好 (2)驱动功率大驱动功率大 （3） 结构合理结构合理主配位置传感器采用德国主配位置传感器采用德国BOSCH产的差动变压产的差动变压器型的位置传感器，器型的位置传感器，此传感器精度高，输此传感器精度高，输出信号无漂移，是非出信号无漂移，是非接触的无磨损寿命元件接触的无磨损寿命元件三段等加速
7、度开机方式调速器的自动开机同期转速控制采用按预先设定的开机曲线和分段调速器的自动开机同期转速控制采用按预先设定的开机曲线和分段PID调节的方式调节的方式进行闭环控制，不需要根据水头设定严格的空载开度和开机启动开度等值，在任进行闭环控制，不需要根据水头设定严格的空载开度和开机启动开度等值，在任意水头的情况下有相同的快速开机同期过程。意水头的情况下有相同的快速开机同期过程。有多种加速度速率可调的闭环自动开机过程有多种加速度速率可调的闭环自动开机过程 发出开机令之前，或从开机令发出到转速信号有效这段时间内，转速给定值均跟踪实际的转发出开机令之前，或从开机令发出到转速信号有效这段时间内，转速给定值均跟
8、踪实际的转速；一旦转速信号有效，就由空载转速速；一旦转速信号有效，就由空载转速PID算法控制。一进入空载转速算法控制。一进入空载转速PID控制，转速给定值控制，转速给定值就以速率就以速率1（2 Hz3 Hz）增加，同时空载转速）增加，同时空载转速PID算法控制机组实际转速以相同速率上升；算法控制机组实际转速以相同速率上升；到速率到速率2切换点（切换点（42.5Hz），转速给定值就以速率），转速给定值就以速率2（1 Hz)增加，同时空载转速增加，同时空载转速PID算法控制算法控制机组实际转速以相同速率继续上升；到速率机组实际转速以相同速率继续上升；到速率3切换点（切换点（47.5Hz)，转速给定
9、值就以速率，转速给定值就以速率3（0.5Hz)增加，同时空载转速增加，同时空载转速PID算法控制机组实际转速以相同速率继续上升；直到转速给算法控制机组实际转速以相同速率继续上升；直到转速给定值增加到定值增加到50.25Hz，自动开机过程就完成。，自动开机过程就完成。但这种开机方式对齿盘测频的精度要求很高，因为整个过程它都要监视频率，并根据实测频但这种开机方式对齿盘测频的精度要求很高，因为整个过程它都要监视频率，并根据实测频率改变开机速度，而残压测频在低转速下经常测得不准或根本测不到，这时测频主要就是齿率改变开机速度，而残压测频在低转速下经常测得不准或根本测不到，这时测频主要就是齿盘测频方式。若
10、齿盘频率也不稳，即长时间内测的频率偏低，会使开度开的很大，实际频率盘测频方式。若齿盘频率也不稳，即长时间内测的频率偏低，会使开度开的很大，实际频率升得过快，过高。就会导致开机过程波动很大升得过快，过高。就会导致开机过程波动很大 增强PID算法 上式中i10,当输入偏差变化比较快时，比例和微分作用正常投入调节控制，随着调节的进行，输入偏差的变化比较缓慢时，在相邻的两个采样周期下被调节量的偏差之差在数值上几乎等于零，此时比例和微分几乎不参入调节了，而仅靠积分环节来调节就降低了动态性能。 增强PID算法 增强PID算法的精髓主要是在PID上增加了连续调节的PD环节。将连续十个周期采样的被调节偏差放入
11、一个数组，得到十个被控制偏差值F，即F(K), F(K-1), F(K-2) F(K-9)。在数组中同时记录了偏差的正负标志和偏差的周期数，当检测到当前偏差值与上周期偏差值相等时，选择数组中与当前偏差符号相同的最大偏差值（数组中的最大偏差值被限制在某一范围之内），并根据最大偏差的周期数相应改变微分时间常数T1v和偏差的测量周期进行PD调节。调节完成后在数组剔除此偏差值。这样就避免了在被调节量偏离目标值，但偏差变化缓慢时，比例和微分通道几乎不起作用的现象。 调速器频率（转速）测量调速器频率（转速）测量 频率测量方式为PT残压齿盘冗余式调速器具有3路频率测量回路，每路测频范围0.5Hz120.00
12、0Hz，测频采用的时基125ns，测频精度达到0.0003125Hz PT测频测频 由机组电压互感器由机组电压互感器PT送来的机频经调速器测频回路隔离、限幅、整形后的方波信号送送来的机频经调速器测频回路隔离、限幅、整形后的方波信号送到调速器高速输入端，根据到调速器高速输入端，根据PLC或者或者PCC本机测频原理进行本机测频原理进行PT频率测量频率测量齿盘测频齿盘测频双电磁式接近开关方式：为提高齿盘精度，齿盘测速设计为双电磁式接近开关，用于消双电磁式接近开关方式：为提高齿盘精度，齿盘测速设计为双电磁式接近开关，用于消除由于大轴摆度和震动、以及齿盘加工精度的误差造成测频信号的精度下降。双传感器除由
13、于大轴摆度和震动、以及齿盘加工精度的误差造成测频信号的精度下降。双传感器信号经过整形隔离后，同时送到调速器供测频使用。两个传感器经过齿盘同一个边的时信号经过整形隔离后，同时送到调速器供测频使用。两个传感器经过齿盘同一个边的时间差，只与齿盘旋转的线速度有关，而与齿盘的加工精度、摆动、振动无关，齿盘测频间差，只与齿盘旋转的线速度有关，而与齿盘的加工精度、摆动、振动无关，齿盘测频通过测量两个传感器的上升沿的时间，计算出频率，提高了齿盘测频的精度。通过测量两个传感器的上升沿的时间，计算出频率，提高了齿盘测频的精度。互为备用单电磁式接近开关方式：如果双接近开关方式工作时其中一个接近开关故障它互为备用单电
14、磁式接近开关方式：如果双接近开关方式工作时其中一个接近开关故障它自动切换到单接近开关齿盘测频方式。单接近开关方式我们在调速器内部采用了对单接自动切换到单接近开关齿盘测频方式。单接近开关方式我们在调速器内部采用了对单接近开关所测量的机组转速用一个抛物线函数进行描述，将函数带入调速器近开关所测量的机组转速用一个抛物线函数进行描述，将函数带入调速器PID运算效果良运算效果良好。好。调速器内部计算值的高精度算法调速器内部计算值的高精度算法 为了方便触摸屏编程，一般调速器内部计算值的算法为：50HZ对应频率计算值10000的算法，相当于测频精度为0.005Hz 。50HZ对频率计算值50000的算法；相
15、当于测频精度为：0.001Hz；一般算法中，当频差变化0.005Hz时，频差计算值有1个数值的变化，才能对控制输出产生改变，在频差变化小于0.005Hz时，机内计算值没有变化，故不会引起控制输出的改变。而采用高精度算法后，频差改变0.001Hz时，PID计算值就会产生相应的改变。由此可以得出在高精度的算法中，被控机组频率或电网频率的微小变化（如0.001Hz），通过调速器PID运算便能使输出值产生相应的变化。提高了控制精度和频率小偏差变化的调节能力。更有利于改善动态的调节品质和负载一次调频和小网运行能力。一次调频一次调频和二次调频的基本概念一次调频和二次调频的基本概念 一次调频就是由发电机组调
16、速系统的自身频率一次调频就是由发电机组调速系统的自身频率/功率特性对电网的控制，它主要是由发电机组功率特性对电网的控制，它主要是由发电机组调速系统的静态特性和动态调节规律来实现的；调速系统的静态特性和动态调节规律来实现的；二次调频就是由发电机组调速系统以外的设备向机组调速系统下达相应机组的目标功率值，二次调频就是由发电机组调速系统以外的设备向机组调速系统下达相应机组的目标功率值，从而产生电网范围内的功率从而产生电网范围内的功率/频率控制。它主要是由电网自动发电控制系统频率控制。它主要是由电网自动发电控制系统AGC来实现的。来实现的。 发电机组调速系统一次调频静态特性发电机组调速系统一次调频静态
17、特性机组原始工况：静特性曲线机组原始工况：静特性曲线1(Pc1)上上A点：机组目标功率点：机组目标功率Pc1；机组实际功率；机组实际功率P1；机组频率；机组频率f1；调速系统调差系数调速系统调差系数ep（速度变动率）。（速度变动率）。电网发生功率缺额，折算到机组的功率缺额：电网发生功率缺额，折算到机组的功率缺额：P3P1；1）.一次调频作用：电网功率缺额，引起电网频率降低，一次调频作用：电网功率缺额，引起电网频率降低，如果不进行调节，发电机组调速系统则按静特性曲线如果不进行调节，发电机组调速系统则按静特性曲线1（Pc1），频率应降至），频率应降至f3，各机组根据频率偏差进行一，各机组根据频率偏
18、差进行一次调频，使机组增发了功率次调频，使机组增发了功率Pf=P2P1，电网频率为，电网频率为B点点f2。虽然该机组与电网上其它机组一起进行了一次。虽然该机组与电网上其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为调频，但电网频率为f2，不可能恢复到扰动前的，不可能恢复到扰动前的f1。2).二次调频作用：若电网二次调频将该机组的目标功二次调频作用：若电网二次调频将该机组的目标功率由率由Pc1修正为修正为Pc2，则机组调速系统静特性由特性曲，则机组调速系统静特性由特性曲线线1（Pc1）变为特性曲线）变为特性曲线2（Pc2）。最后的调节结果）。最后的调节结果为特性曲线为特性曲线2（Pc2）上）上C点：调速
19、系统调差系数（速度点：调速系统调差系数（速度变动率）变动率）ep、机组目标功率、机组目标功率Pc2、机组实际功率、机组实际功率P3、机、机组频率组频率f1；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值到扰动前的数值f1。电网在负荷扰动后，电网频率产生偏差，各机组的调速系统根据频率偏差电网在负荷扰动后，电网频率产生偏差，各机组的调速系统根据频率偏差f和功率调差系数和功率调差系数ep进行一次调频，在进行一次调频，在15以内的时间弥补了系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网以内的时间弥补了系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网AGC再经过二次调
20、频重新修正相关机组的目标功率值。因此，调速系统通过两个信号输入端：再经过二次调频重新修正相关机组的目标功率值。因此，调速系统通过两个信号输入端：频率（转速）输入端频率（转速）输入端(一次调频一次调频)和机组目标功率输入端（二次调频）对电网的频率进行的调和机组目标功率输入端（二次调频）对电网的频率进行的调节，最终达到电网功率平衡和频率恢复规定的范围之内节，最终达到电网功率平衡和频率恢复规定的范围之内水电机组调速器的一次调频功能的实现水电机组调速器的一次调频功能的实现在调速器程序中设定了一次调频专用的调差系数（速度变动在调速器程序中设定了一次调频专用的调差系数（速度变动率）、频率人工失灵区（频率死
21、区）和率）、频率人工失灵区（频率死区）和PID参数，并且具有一参数，并且具有一次调频投入后调节范围的限制功能，能有效的抑制一次调频次调频投入后调节范围的限制功能，能有效的抑制一次调频过程中机组有功功率的变化幅度，转速死区设定和过程中机组有功功率的变化幅度，转速死区设定和PID参数的参数的选择能确定当电网频率波动机组由正常发电运行工况转换为选择能确定当电网频率波动机组由正常发电运行工况转换为一次调频工况运行的响应时间及调节能力。一次调频工况运行的响应时间及调节能力。调速器中仍能保留了频率调节模式和频率调节模式所对应的调速器中仍能保留了频率调节模式和频率调节模式所对应的有关参数，不影响负载小电网和
22、孤立电网的频率调节能力。有关参数，不影响负载小电网和孤立电网的频率调节能力。一次调频的投入、切除可以在调速器触摸屏上密码人为操作一次调频的投入、切除可以在调速器触摸屏上密码人为操作设定。并且，当电网频率波动机组由正常功率或开度模式转设定。并且，当电网频率波动机组由正常功率或开度模式转换为一次调频工况时，调速器输出无源接点信号到机组现地换为一次调频工况时，调速器输出无源接点信号到机组现地控制系统控制系统LCU。 油压装置系统说明 概述油压装置是向油压装置是向水轮机调速系统、水轮机调速系统、机组自动化系统及机组自动化系统及元件提供安全、可元件提供安全、可靠和稳定的工作油靠和稳定的工作油液的液压能源
23、装置，液的液压能源装置，是整个调速系统的是整个调速系统的有机组成部分，其有机组成部分，其安全性、可靠性与安全性、可靠性与调速器同等重要。调速器同等重要。因此其系统设计、因此其系统设计、结构设计以及元件结构设计以及元件的选用，都应特别的选用，都应特别重视。重视。油压装置系统设计油压装置系统设计 采用已有成熟使用经验的插装阀技术，将液采用已有成熟使用经验的插装阀技术，将液压插装与集成技术应用到油压装置中，采用两只压插装与集成技术应用到油压装置中，采用两只二通插装阀加控制盖板分别代替卸载阀、安全阀二通插装阀加控制盖板分别代替卸载阀、安全阀及止回阀。为防止停泵时的冲击和振动，止回阀及止回阀。为防止停泵
24、时的冲击和振动，止回阀采用带有阻尼功能的方向控制插件及控制盖板，采用带有阻尼功能的方向控制插件及控制盖板，其作用是当油泵工作、压力罐压力较低时打开，其作用是当油泵工作、压力罐压力较低时打开，向压力罐打油，使压力回到正常范围。当油泵停向压力罐打油，使压力回到正常范围。当油泵停止工作，或安全阀打开时，在压力罐中油压的作止工作，或安全阀打开时，在压力罐中油压的作用下关闭，阻止油液倒流。由于其主阀带有阻尼，用下关闭，阻止油液倒流。由于其主阀带有阻尼，消减了其回座时的冲击力，在保证可靠截断油路消减了其回座时的冲击力，在保证可靠截断油路的同时，提高了阀件的使用寿命。安全阀与卸载的同时，提高了阀件的使用寿命。安全阀与卸载阀由同一个二通压力控制插件加控制盖板来完成。阀由同一个二通压力控制插件加控制盖板来完成。卸载阀采用电磁卸荷方式，油泵启动时，控制盖卸载阀采用电磁卸荷方式，油泵启动时，控制盖板上的电磁阀板上的电磁阀 谢谢！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
