第一章水輪機調(diào)速器發(fā)展2005(1)

1、水輪機調(diào)速器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢水輪機調(diào)速器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢報告人:南海鵬水輪機調(diào)速器系統(tǒng)n水輪機調(diào)速器是水電站重要的基礎自動化設備。機組空載運行時，它調(diào)節(jié)發(fā)電機的頻率；機組并網(wǎng)運行時，它調(diào)節(jié)機組輸出的有功功率；電網(wǎng)發(fā)生故障使某些機組跳閘時，它可以使備用機組迅速起動、升速和并網(wǎng)，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。由于其作用非常重要，因此一直是電力系統(tǒng)自動控制的重要內(nèi)容之一。調(diào)速器的構(gòu)成被控制系統(tǒng)水輪機控制設備（系統(tǒng)）引水和泄水系統(tǒng)水輪機發(fā)電機電網(wǎng)測量元件給定元件放大校正元件執(zhí)行機構(gòu)反饋元件調(diào)速器結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展測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測速元件綜合放大引導閥主配壓閥電液轉(zhuǎn)換器中

2、間接力器暫態(tài)反饋主接力器永態(tài)反饋機械反饋指令信號機械液壓調(diào)速器電氣液壓調(diào)速器測速元件電液轉(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+_測速元件電液轉(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+_電子調(diào)節(jié)器型電氣液壓調(diào)速器微機調(diào)速器調(diào)速器功能n轉(zhuǎn)速控制（模式）n功率控制（模式）n開度控制（模式）頻率模式 人工切換 測功異常 DL分 頻率超差 DL合 機組開機 功率模式 開度模式 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開度限制（按水頭控制）輔助功能 正常工作時三種模式之間設置跟蹤回路，可實現(xiàn)無擾動切換。在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠自動選

3、擇合適的模式運行。 調(diào)速器發(fā)展n測量系統(tǒng)的發(fā)展n控制器的發(fā)展n液壓系統(tǒng)的發(fā)展測量系統(tǒng) 1. 頻率測量 2. 水位測量 3. 功率測量 4. 位移測量 頻率測量n飛擺測頻n永磁機LC或RC測頻n齒盤測頻n殘壓測頻 殘壓測頻測頻計數(shù)可編程測頻輸入濾波整形 殘壓測頻將發(fā)電機機端電壓經(jīng)過PT采集后送入測頻輸入模塊。 測頻測相硬件原理圖CPUTPUGNDI2I1I3I4CH0CH1CH2CH3FjFwDI135CP474齒盤測速I4I3I2I112345678光電隔離光電隔離可編程計算機控制器I4I3I2I1傳感器供電及整形傳感器1傳感器2I4I3I2I1 齒盤測速系統(tǒng)由裝在水輪機主軸上的齒盤、接近開關(guān)

4、傳感器以及相應的轉(zhuǎn)速信號處理裝置構(gòu)成。 傳感器1信號傳感器2信號綜合整理信號測頻計數(shù)信號齒盤測速信號處理原理基于靜態(tài)頻差和動態(tài)頻差的測量方法（PLC）S7-200S7-200I0.0I0.1 HSC3I0.2I0.4 HSC5I0.6 HSC1I1.2 HSC2時鐘（CLK）Fg/64Fg/8反相反相正相正相放大整形機組頻率 八分頻&八分頻 SKI機組頻率動態(tài)頻率測量靜態(tài)頻率測量+頻率給定+pKSTSKVD11 pbDFSFPIDY水位測量使用方法使用方法投入式安裝特特 點點激光調(diào)阻補償零點合滿度溫度性能量量 程程01200mH2O供電電壓供電電壓1.5mADC輸出信號輸出信號70mV

5、DC精度等級精度等級0.1%FS | 0.25%FS | 0.5%FS位移傳感器n精密線繞電位器 專門用于角位移和直線位移測量的電位器，具有良好的線性度，使用壽命較長。主要用于中小型調(diào)速器，近年來大型調(diào)速器很少使用。n直線位移傳感直線位移傳感器器 導電塑料直線電位器：其線性度好，體積小，安裝方便，價格低廉。 磁致伸縮傳感器：非接觸，可靠性高在近年來開發(fā)的微機調(diào)速器中使用較多。磁致伸縮傳感器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球組成。 這種傳感器屬于非接觸式的，可動部分與電路沒有直接接觸，它體積小，使用方便；但線性度與差動變壓器線圈的的繞制工藝有關(guān)，分散性較大。差動變壓器式直線位移傳

6、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)展可以從以下幾個方面來說： 1. 硬件基礎發(fā)展 2. 控制策略的發(fā)展水 輪 發(fā) 電 機 組檢測單元執(zhí)行器接口接口接口智 能 控 制 器接口鍵盤顯示打印微機調(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頻斷路器合頻率輸入X2開機命令X3鎖錠拔出X4增加X12減少X13自動X14電網(wǎng)頻率齒盤測速功率信號水頭信號X0X1停機命令Y0調(diào)速器故障Y1調(diào)速器自動Y備用Y備用Y備用開度反饋 電位移反饋 驅(qū)動電位移轉(zhuǎn)換器手動X15急停復歸X100X101急停投入遠方減少X16X17遠方增加 通訊急停閥Y100急停投入Y100急停復歸

7、人機界面支持各種PLC，并支持多種通訊方式，并具有一定的數(shù)據(jù)處理能力?？刂破饔布l(fā)展n杠桿反饋形成控制規(guī)律n單片機nIPCnPLCnPCCnDSP單片機n基于單片機的水輪機調(diào)速控制器具有成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制策略，完成功能可以靈活設置和修改，尤其是支持了高級語言后，使得編程開發(fā)也非常容易。但是，單片機的外圍電路一般需要開發(fā)者自行設計，因此線路的抗干擾性及可靠性收到了很大影響。IPCn基于IPC的調(diào)速器使用相對來說較少，主要用于大型機組。它的成本較高。國內(nèi)主要以東方廠為主。PLC 基于PLC的水輪機調(diào)速器是目前國內(nèi)使用非常廣泛的調(diào)速器，它的可靠性較高，可以實現(xiàn)靈活多樣的控制策略。但測頻分辨率

8、低、響應時間長。PCC 基于PCC的調(diào)速器是新一代水輪機調(diào)速器，國內(nèi)很多科研與生產(chǎn)調(diào)速器單位都開始研究、生產(chǎn)，它具有靈活的分時多任務操作系統(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 人機接口面板 測頻模塊 模擬量輸入模塊 CPU 模塊 數(shù)字量混合模塊 整形電路 機組頻率 電網(wǎng)頻率 直線電位器 開機 關(guān)機 并網(wǎng) 增加 減少 電源模塊 步進電機 驅(qū)動模塊 步進電機 調(diào)速器電氣部分調(diào)速器電氣部分驅(qū)動器電位移按 鈕測 頻開關(guān)量水 頭功 率導葉主配導葉接力器通訊反 饋急停閥調(diào)速器機械液壓部調(diào)速器機械液壓部分分外部信號外部信號導葉電氣反饋PCC可編程控制器顯

9、示驅(qū)動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控制器通訊接口開關(guān)量人機接口PWS3761TPUCPU存儲單元機頻信號網(wǎng)頻信號報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導葉步進電機驅(qū)動模塊導葉步進電機輪葉步進電機驅(qū)動模塊輪葉步進電機模擬量模擬量PCC雙調(diào)的一種配置DSPn基于DSP的水輪機調(diào)速器是一種正在研究的調(diào)速器，它的處理速度很快，對于需要實現(xiàn)實時最優(yōu)控制等對速度要求很高的調(diào)速器是很合適的。傳統(tǒng) PLC 的運行模式5101520250(ms)Speed T

10、ask 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 Task D (2ms)PCC定性分時多任務操作系統(tǒng)傳 統(tǒng) 的P L CP C C內(nèi)存容量幾十 kB100kB-16MB,便于大量分析運算.編程語言指令表，梯形圖指令表，梯形圖，匯編，順序功能圖,高級語言(Aut

11、omation Basic ,C)操作系統(tǒng)特定定性多任務分時系統(tǒng)的模塊化硬件硬件，軟件I/O 處理能力開關(guān)量開關(guān)量，模擬量和回路調(diào)節(jié)技術(shù)數(shù)學運算能力差豐富的數(shù)學運算庫I/O 模塊帶電插拔不可可以系統(tǒng)擴展及組網(wǎng)能力差好. Ethernet, 現(xiàn)場總線如 CAN, ProfiBus(PA,FMS, DP), INA2000, RS485.可實現(xiàn)多層次網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(管理層,控制層和現(xiàn)場層).開放性差好。通信的兼容性強:過程顯示接口-PVI,Frame Driver (幀驅(qū)動)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。傳統(tǒng) PLC與 PCC之比較傳統(tǒng) PLC與 PCC

12、之比較傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的P P L L C CP P C C C C通用性和高度專業(yè)化的結(jié)合差好。在水電行業(yè)PCC以專用模塊的方式對如下功能進行了集成：高高速速時時間間采采集集控控制制技技術(shù)術(shù) 多CPU并行處理 TPU負責時間運算 方便的參數(shù)整定 可靠的運行性能高高精精度度運運動動控控制制技技術(shù)術(shù) 100K編碼計數(shù) 速度和位置補償 步進電機 伺服電機 電液伺服閥系統(tǒng)可靠性30萬小時50 萬小時，雙機冗余控制實現(xiàn)容錯功能?？刂撇呗缘陌l(fā)展1. 電子管、集成電路時代 PI控制到定參數(shù)PID控制2.微機控制時代 采用變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的控制策略，實現(xiàn)了系統(tǒng)的先進控制策略。 由于計算機及自動化水平的發(fā)展，調(diào)速器的

13、控制技術(shù)得到了極大發(fā)展，大約經(jīng)過了三個階段：A. 經(jīng)典控制n主要以PID控制為主，目前仍然在實際中占有主流地位。經(jīng)典控制在調(diào)速器中的應用很成熟，但由于電力系統(tǒng)對調(diào)速器的要求不斷提高，因此必須在經(jīng)典控制的基礎上開發(fā)更為先進的控制策略。B. 現(xiàn)代控制技術(shù)自適應控制：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。預測控制：通過對受控對象未來行為的預測決定控制規(guī)律的控制。魯棒控制：當受控對象模型在某一范圍變化時均能達到最優(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象的精確數(shù)學模型，因此在實際的使用中收到了很大的限制。C .智

14、能控制模糊控制：借鑒人的思維方式對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行控制，使用模糊推理完成控制功能。神經(jīng)網(wǎng)絡控制：利用神經(jīng)網(wǎng)絡的逼近能力和自學習能力完成控制。 這一階段不需要受控對象的精確數(shù)學模型，隨著模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡的理論的完善，將會在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中得到有效的應用。一種智能PID控制策略PID調(diào)節(jié)器原理框圖-+PTPT網(wǎng)頻測量機頻測量量量頻率給定PIDbp前饋饋 饋PgYn電網(wǎng)機組求E，EC，調(diào)整kp 、kI、kd控制器發(fā)展趨勢n控制器硬件朝著快速化、強抗干擾性、冗余方向發(fā)展n控制器功能隨著對調(diào)速器系統(tǒng)作用的不斷開發(fā)而逐漸增加，完善，例如內(nèi)嵌試驗系統(tǒng)集成n控制策略進一步朝著多種策略的相互融合、強魯棒性、

15、最優(yōu)性和實時性方向發(fā)展n 人機接口界面設計更為人性化液壓系統(tǒng)的發(fā)展n19世紀末葉出現(xiàn)了用液壓元件進行功率放大的液壓調(diào)速器，至20世紀30年代，已有相當完善的機械液壓型調(diào)速器。隨著微機和計算機應用技術(shù)的普及和發(fā)展，我國在傳統(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、低速運動中，能保持輸入與輸出成比例的線性關(guān)系，其動、靜態(tài)精度高 具有自動復中功能的電機式轉(zhuǎn)換器操作手輪步進電機連軸器軸承滾珠絲桿滾珠螺母活動壓塊復中彈簧連接螺母傳感器 驅(qū)動力大、不卡阻、可靠性高等特點，對油質(zhì)無任何要求大大提高機械系統(tǒng)的靈敏度，有效地防止步進電機

16、的失步，死機。 n響應速度快、控制精度高、輸出力矩大、抗油污能力強。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。步進式電液控制閥步進電機工作原理步進電機驅(qū)動控制器驅(qū)動器傳感器反饋信號步進電機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)動器以高速PWM脈沖信號驅(qū)動開機或關(guān)機側(cè)數(shù)字球閥，靜態(tài)無油耗 ,抗油污能力強 ,機械液壓系統(tǒng)零位能自保持 ，維護檢修簡單，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方向去主配開腔去主配關(guān)腔恢復機構(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

17、事故配壓閥開啟腔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 武漢長控所，由差裝閥、行程閥等標準液壓組件組合而成。油管通徑為100mm，油壓等級為2.5MPa、 4.0MPa、 6.3MPa。DXI型分段裝置 武漢三聯(lián)公司，由先導行程閥、液控單向節(jié)流閥、并聯(lián)管道和分段凸輪組成。步進式液壓結(jié)構(gòu)框圖脈沖分配功率放大步進電機引導閥輔助接力器主配壓閥主接力器YYn步進式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖局部反饋主反饋帶機械反饋機液系統(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 啟 腔至關(guān)關(guān)S不帶機械反饋自復中機液系統(tǒng)原理圖BP導葉控制部分開關(guān)123456關(guān)GN開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，兩流量平衡時位移為零。即 0fbQQQcobSKQ主配外形