第一章水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展1

1、水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)水輪機(jī)調(diào)速器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)報(bào)告人:南海鵬水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)n水輪機(jī)調(diào)速器是水電站重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)，它調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的頻率；機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，它調(diào)節(jié)機(jī)組輸出的有功功率；電網(wǎng)發(fā)生故障使某些機(jī)組跳閘時(shí)，它可以使備用機(jī)組迅速起動(dòng)、升速和并網(wǎng)，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于其作用非常重要，因此一直是電力系統(tǒng)自動(dòng)控制的重要內(nèi)容之一。調(diào)速器的構(gòu)成被控制系統(tǒng)水輪機(jī)控制設(shè)備系統(tǒng)）引水和泄水系統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)電網(wǎng)測(cè)量元件給定元件放大校正元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋元件調(diào)速器結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展測(cè)速元件放大元件主配壓閥暫態(tài)反饋主接力器永態(tài)反饋局部反饋指令信號(hào)測(cè)速元件綜合放大引導(dǎo)閥主配壓閥電液轉(zhuǎn)換器中間

2、接力器暫態(tài)反饋主接力器永態(tài)反饋機(jī)械反饋指令信號(hào)機(jī)械液壓調(diào)速器電氣液壓調(diào)速器測(cè)速元件電液轉(zhuǎn)換器P放大器DI主接力器輔助接力器永態(tài)反饋硬反饋局部反饋指令信號(hào)+_測(cè)速元件電液轉(zhuǎn)換器P放大器DI主接力器輔助接力器永態(tài)反饋硬反饋局部反饋指令信號(hào)+_電子調(diào)節(jié)器型電氣液壓調(diào)速器微機(jī)調(diào)速器調(diào)速器功能n轉(zhuǎn)速控制方式）n功率控制方式）n開(kāi)度控制方式）頻率模式 人工切換 測(cè)功異常 DL分 頻率超差 DL合 機(jī)組開(kāi)機(jī) 功率模式 開(kāi)度模式 主要功能n水位控制n相位控制n浪涌控制n人工失靈區(qū)功能n開(kāi)度限制按水頭控制）輔助功能 正常工作時(shí)三種模式之間設(shè)置跟蹤回路，可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)選擇合適的模

3、式運(yùn)行。 調(diào)速器發(fā)展n測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展n控制器的發(fā)展n液壓系統(tǒng)的發(fā)展測(cè)量系統(tǒng) 1. 頻率測(cè)量 2. 水位測(cè)量 3. 功率測(cè)量 4. 位移測(cè)量 頻率測(cè)量n飛擺測(cè)頻n永磁機(jī)LC或RC測(cè)頻n齒盤(pán)測(cè)頻n殘壓測(cè)頻n 殘壓測(cè)頻測(cè)頻計(jì)數(shù)可編程測(cè)頻輸入濾波整形 殘壓測(cè)頻將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓經(jīng)過(guò)PT采集后送入測(cè)頻輸入模塊。 測(cè)頻測(cè)相硬件原理圖CPUTPUGNDI2I1I3I4CH0CH1CH2CH3FjFwDI135CP474齒盤(pán)測(cè)速I(mǎi)4I3I2I112345678光電隔離光電隔離可編程計(jì)算機(jī)控制器I4I3I2I1傳感器供電及整形傳感器1傳感器2I4I3I2I1 齒盤(pán)測(cè)速系統(tǒng)由裝在水輪機(jī)主軸上的齒盤(pán)、接近開(kāi)關(guān)傳感器以

4、及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)處理裝置構(gòu)成。 傳感器1信號(hào)傳感器2信號(hào)綜合整理信號(hào)測(cè)頻計(jì)數(shù)信號(hào)齒盤(pán)測(cè)速信號(hào)處理原理基于靜態(tài)頻差和動(dòng)態(tài)頻差的測(cè)量方法PLC）S7-200S7-200I0.0I0.0I0.1 HSC3I0.1 HSC3I0.2I0.2I0.4 HSC5I0.4 HSC5I0.6 HSC1I0.6 HSC1I1.2 HSC2I1.2 HSC2時(shí)鐘CLK）Fg/64Fg/8反相反相正相正相放大整形機(jī)組頻率 八分頻&八分頻 SKI機(jī)組頻率動(dòng)態(tài)頻率測(cè)量靜態(tài)頻率測(cè)量+頻率給定+pKSTSKVD11 pbDFSFPIDY水位測(cè)量使用方法使用方法投入式安裝特特 點(diǎn)點(diǎn)激光調(diào)阻補(bǔ)償零點(diǎn)合滿(mǎn)度溫度性能量量

5、程程01200mH2O供電電壓供電電壓1.5mADC輸出信號(hào)輸出信號(hào)70mVDC精度等級(jí)精度等級(jí)0.1%FS | 0.25%FS | 0.5%FS位移傳感器n精密線繞電位器n 專(zhuān)門(mén)用于角位移和直線位移測(cè)量的電位器，具有良好的線性度，使用壽命較長(zhǎng)。主要用于中小型調(diào)速器，近年來(lái)大型調(diào)速器很少使用。n直線位移傳感直線位移傳感器器n 導(dǎo)電塑料直導(dǎo)電塑料直線電位器：其線電位器：其線性度好，體線性度好，體積小，安裝方積小，安裝方便，價(jià)格低廉。便，價(jià)格低廉。n 磁致伸縮傳磁致伸縮傳感器：非接觸，感器：非接觸，可靠性高在近可靠性高在近年來(lái)開(kāi)發(fā)的微年來(lái)開(kāi)發(fā)的微機(jī)調(diào)速器中使機(jī)調(diào)速器中使用較多。用較多。磁致伸縮傳感

6、器主要由測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球組成。 n 這種傳感器屬于非接觸式的，可動(dòng)部分與電路沒(méi)有直接接觸，它體積小，使用方便；但線性度與差動(dòng)變壓器線圈的的繞制工藝有關(guān)，分散性較大。差動(dòng)變壓器式直線位移傳感器控制器發(fā)展 控制器在調(diào)速器中的作用非常重要，它決定了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。它的發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)： 1. 硬件基礎(chǔ)發(fā)展 2. 控制策略的發(fā)展水 輪 發(fā) 電 機(jī) 組檢測(cè)單元執(zhí)行器接口接口接口智 能 控 制 器接口鍵盤(pán)顯示打印微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)控制器原理控制器殘壓測(cè)頻斷路器合頻率輸入X2開(kāi)機(jī)命令X3鎖錠拔出X4添加X(jué)12減少X13自動(dòng)X14電網(wǎng)頻率齒盤(pán)測(cè)速功率信號(hào)水頭信號(hào)

7、X0X1停機(jī)命令Y0調(diào)速器故障Y1調(diào)速器自動(dòng)Y備用Y備用Y備用開(kāi)度反饋 電位移反饋 驅(qū)動(dòng)電位移轉(zhuǎn)換器手動(dòng)X15急停復(fù)歸X100X101急停投入遠(yuǎn)方減少X16X17遠(yuǎn)方增加 通訊急停閥Y100急停投入Y100急停復(fù)歸人機(jī)界面支持各種PLC，并支持多種通訊方式，并具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。控制器硬件發(fā)展n杠桿反饋形成控制規(guī)律n單片機(jī)nIPCnPLCnPCCnDSP單片機(jī)n基于單片機(jī)的水輪機(jī)調(diào)速控制器具有成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制策略，完成功能可以靈活設(shè)置和修改，尤其是支持了高級(jí)語(yǔ)言后，使得編程開(kāi)發(fā)也非常容易。但是，單片機(jī)的外圍電路一般需要開(kāi)發(fā)者自行設(shè)計(jì)，因此線路的抗干擾性及可靠性收到了很大影響。IP

8、Cn基于IPC的調(diào)速器使用相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，主要用于大型機(jī)組。它的成本較高。國(guó)內(nèi)主要以東方廠為主。PLC 基于PLC的水輪機(jī)調(diào)速器是目前國(guó)內(nèi)使用非常廣泛的調(diào)速器，它的可靠性較高，可以實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制策略。但測(cè)頻分辨率低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。PCC 基于PCC的調(diào)速器是新一代水輪機(jī)調(diào)速器，國(guó)內(nèi)很多科研與生產(chǎn)調(diào)速器單位都開(kāi)始研究、消費(fèi)，它具有靈活的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可靠性與PLC相同，靈活性與IPC相似。中小型PCC調(diào)速器的一種配置 10V 10V 人機(jī)接口面板 測(cè)頻模塊 模擬量輸入模塊 CPU 模塊 數(shù)字量混合模塊 整形電路 機(jī)組頻率 電網(wǎng)頻率 直線電位器 開(kāi)機(jī) 關(guān)機(jī) 并網(wǎng) 增加 減少 電源模塊 步進(jìn)電

9、機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速器電氣部分調(diào)速器電氣部分驅(qū)動(dòng)器電位移按 鈕測(cè) 頻開(kāi)關(guān)量水 頭功 率導(dǎo)葉主配導(dǎo)葉接力器通訊反 饋急停閥調(diào)速器機(jī)械液壓部調(diào)速器機(jī)械液壓部分分外部信號(hào)外部信號(hào)導(dǎo)葉電氣反饋PCC可編程控制器顯 示驅(qū)動(dòng)器電位移輪葉主配輪葉接力器反 饋輪葉電氣反饋PCC雙調(diào)節(jié)調(diào)速器PCC控制器通訊接口開(kāi)關(guān)量人機(jī)接口PWS3761TPUCPU存儲(chǔ)單元機(jī)頻信號(hào)網(wǎng)頻信號(hào)報(bào)警顯示模擬量輸入模塊AI354數(shù)字量輸出模塊DO135數(shù)字量輸入模塊DI135模擬量輸入模塊AI774數(shù)字量混合模塊DM465數(shù)字量混合模塊DM465導(dǎo)葉步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊導(dǎo)葉步進(jìn)電機(jī)輪葉步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輪葉步進(jìn)電機(jī)模擬量模擬量PCC

10、雙調(diào)的一種配置DSPn基于DSP的水輪機(jī)調(diào)速器是一種正在研究的調(diào)速器，它的處理速度很快，對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)控制等對(duì)速度要求很高的調(diào)速器是很合適的。傳統(tǒng) PLC 的運(yùn)行模式5101520250(ms)Speed Task A (1ms)Speed Task B (2ms)Logic Task C (5ms)Logic Task D (2ms)Current Scan Time10 msSpeed Task A (1ms)Speed Task B (2ms)Logic Task C (5ms)5msScanTime20msScanTimeLogicspeed5101520250(ms)Logic

11、 Task D (2ms)PCC定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)傳 統(tǒng) 的P L CP C C內(nèi)存容量幾十 kB100kB-16MB,便于大量分析運(yùn)算.編程語(yǔ)言指令表，梯形圖指令表，梯形圖，匯編，順序功能圖,高級(jí)語(yǔ)言(Automation Basic ,C)操作系統(tǒng)特定定性多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)的模塊化硬件硬件，軟件I/O 處理能力開(kāi)關(guān)量開(kāi)關(guān)量，模擬量和回路調(diào)節(jié)技術(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算能力差豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)I/O 模塊帶電插拔不可可以系統(tǒng)擴(kuò)展及組網(wǎng)能力差好. Ethernet, 現(xiàn)場(chǎng)總線如 CAN, ProfiBus(PA,FMS, DP), INA2000, RS485.可實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(管理層,控制層和現(xiàn)場(chǎng)層).開(kāi)

12、放性差好。通信的兼容性強(qiáng):過(guò)程顯示接口-PVI,Frame Driver (幀驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)的智能性差MP(多處理器)，IP(智能 I/O 模塊)，軟件的自診斷能力強(qiáng)。傳統(tǒng) PLC與 PCC之比較傳統(tǒng) PLC與 PCC之比較傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的P P L L C CP P C C C C通用性和高度專(zhuān)業(yè)化的結(jié)合差好。在水電行業(yè)PCC以專(zhuān)用模塊的方式對(duì)如下功能進(jìn)行了集成：高高速速時(shí)時(shí)間間采采集集控控制制技技術(shù)術(shù) 多CPU并行處理 TPU負(fù)責(zé)時(shí)間運(yùn)算 方便的參數(shù)整定 可靠的運(yùn)行性能高高精精度度運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)控控制制技技術(shù)術(shù) 100K編碼計(jì)數(shù) 速度和位置補(bǔ)償 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī) 電液伺服閥系統(tǒng)可靠性30萬(wàn)小時(shí)50 萬(wàn)

13、小時(shí)，雙機(jī)冗余控制實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。控制策略的發(fā)展1. 電子管、集成電路時(shí)代 PI控制到定參數(shù)PID控制2.微機(jī)控制時(shí)代 采用變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略。 由于計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化水平的發(fā)展，調(diào)速器的控制技術(shù)得到了極大發(fā)展，大約經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段：A. 經(jīng)典控制n主要以PID控制為主，目前仍然在實(shí)際中占有主流地位。經(jīng)典控制在調(diào)速器中的應(yīng)用很成熟，但由于電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)速器的要求不斷提高，因此必須在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的控制策略。B. 現(xiàn)代控制技術(shù)自適應(yīng)控制：根據(jù)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)的特性變 化而不斷調(diào)整控制器自身特性的控制。預(yù)測(cè)控制：通過(guò)對(duì)受控對(duì)象未來(lái)行為的預(yù)測(cè)決定控制規(guī)律的控制。魯棒控

14、制：當(dāng)受控對(duì)象模型在某一范圍變化時(shí)均能達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)控制效果的控制策略。最優(yōu)控制：以某種性能指標(biāo)為最優(yōu)的控制策略。 這一階段的各種控制策略均需要受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此在實(shí)際的使用中收到了很大的限制。C .智能控制模糊控制：借鑒人的思維方式對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使用模糊推理完成控制功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力和自學(xué)習(xí)能力完成控制。 這一階段不需要受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，隨著模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論的完善，將會(huì)在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用。一種智能PID控制策略PID調(diào)節(jié)器原理框圖-+PTPT網(wǎng)頻測(cè)量機(jī)頻測(cè)量量量頻率給定PIDbp前饋饋 饋PgYn電網(wǎng)機(jī)組求E，EC，

15、調(diào)整kp 、kI、kd控制器發(fā)展趨勢(shì)n控制器硬件朝著快速化、強(qiáng)抗干擾性、冗余方向發(fā)展n控制器功能隨著對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)作用的不斷開(kāi)發(fā)而逐漸增加，完善，例如內(nèi)嵌試驗(yàn)系統(tǒng)集成n控制策略進(jìn)一步朝著多種策略的相互融合、強(qiáng)魯棒性、最優(yōu)性和實(shí)時(shí)性方向發(fā)展n 人機(jī)接口界面設(shè)計(jì)更為人性化液壓系統(tǒng)的發(fā)展n19世紀(jì)末葉出現(xiàn)了用液壓元件進(jìn)行功率放大的液壓調(diào)速器，至20世紀(jì)30年代，已有相當(dāng)完善的機(jī)械液壓型調(diào)速器。隨著微機(jī)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及和發(fā)展，我國(guó)在傳統(tǒng)調(diào)速器的數(shù)字化改造和新型數(shù)字式電液隨動(dòng)系統(tǒng)方面取得了很大的成就。電液比例控制閥 連續(xù)控制，系統(tǒng)輸出平穩(wěn)，特別是微量、低速運(yùn)動(dòng)中，能保持輸入與輸出成比例的線性關(guān)系，其

16、動(dòng)、靜態(tài)精度高 具有自動(dòng)復(fù)中功能的電機(jī)式轉(zhuǎn)換器操作手輪步進(jìn)電機(jī)連軸器軸承滾珠絲桿滾珠螺母活動(dòng)壓塊復(fù)中彈簧連接螺母?jìng)鞲衅?驅(qū)動(dòng)力大、不卡阻、可靠性高等特點(diǎn)，對(duì)油質(zhì)無(wú)任何要求大大提高機(jī)械系統(tǒng)的靈敏度，有效地防止步進(jìn)電機(jī)的失步，死機(jī)。 n響應(yīng)速度快、控制精度高、輸出力矩大、抗油污能力強(qiáng)。易于加工，且成本較低，可靠性高，具有斷電自保持功能 ，并可直接用數(shù)字量控制。步進(jìn)式電液控制閥步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)器傳感器反饋信號(hào)步進(jìn)電機(jī)絲桿正向脈沖反向脈沖數(shù)字球閥球座式高速電磁閥為核心的電液轉(zhuǎn)換裝置，其驅(qū)動(dòng)器以高速PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)側(cè)數(shù)字球閥，靜態(tài)無(wú)油耗 ,抗油污能力強(qiáng) ,機(jī)械液壓系統(tǒng)零

17、位能自保持 ，維護(hù)檢修簡(jiǎn)單，主要適用于中小型調(diào)速器 。數(shù)字球閥式電液轉(zhuǎn)換器分段關(guān)閉裝置接力器壓力油開(kāi)方向去主配開(kāi)腔去主配關(guān)腔恢復(fù)機(jī)構(gòu)主軸凸 輪節(jié)流活塞分段關(guān)閉節(jié)流閥13壓力油121.5行程閥2調(diào)節(jié)螺桿接調(diào)速器或事故配壓閥開(kāi)啟腔121.5121.580控制活塞關(guān)主接力器80接調(diào)速器或事故配壓閥關(guān)閉腔關(guān)nFDG-100型分段關(guān)閉裝置n 武漢長(zhǎng)控所，由差裝閥、行程閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓組件組合而成。油管通徑為100mm，油壓等級(jí)為2.5MPa、 4.0MPa、 6.3MPa。nDXI型分段裝置n 武漢三聯(lián)公司，由先導(dǎo)行程閥、液控單向節(jié)流閥、并聯(lián)管道和分段凸輪組成。步進(jìn)式液壓結(jié)構(gòu)框圖脈沖分配功率放大步進(jìn)電機(jī)引導(dǎo)閥輔助接力器主配壓閥主接力器YYn步進(jìn)式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖局部反饋主反饋帶機(jī)械反饋機(jī)液系統(tǒng)原理圖主 接 力 器壓 力 油關(guān)DS接關(guān)腔器關(guān)閉力兩 段 關(guān) 閉 閥D至接力器至 接 力 器 開(kāi) 啟 腔至關(guān)關(guān)S不帶機(jī)械反饋?zhàn)詮?fù)中機(jī)液系統(tǒng)原理圖BP導(dǎo)葉控制部分開(kāi)關(guān)123456關(guān)GN開(kāi)POAPsKDTCA比例閥與脈沖閥冗余的電液系統(tǒng)新型主配閥比例閥流量輸入產(chǎn)生位移，位移產(chǎn)生流量，兩流量平衡時(shí)位移為零。即 0fbQQQcobSKQ主