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武汉三联水电控制设备有限公司

调速器培训资料

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二OO五年六月

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目 录

一 水电站及其系统........................................................................................................................................4 1.1 电厂的分类 ...........................................................................................................................................4 1.2 水电厂分类 ...........................................................................................................................................5 1.3 水轮机的类型 .......................................................................................................................................6 1.4 水电站关键设备介绍..........................................................................................................................8 二 调速器概况.................................................................................................................................................9 2.1 调速器在水电站的作用和地位 ........................................................................................................9 2.2 水轮机调速器的类型........................................................................................................................10 2.3 水轮机调速器的发展历史...............................................................................................................11 2.4 新型调速器的标准和特性...............................................................................................................12 2.4.1 水轮机调速系统的标准...........................................................................................................12 2.4.2 调速器总体原则 ........................................................................................................................13 2.4.3 性能指标 .....................................................................................................................................13 2.4.4 调速系统的可靠性....................................................................................................................14 三 调速器的控制原理 .................................................................................................................................14 3.1 水轮机调节的基本原理 ...................................................................................................................14 3.2 调速器系统的结构 ............................................................................................................................17 3.2.1 电气控制系统.............................................................................................................................17 3.2.2 电液转换环节.............................................................................................................................19 3.2.3 液压放大机构.............................................................................................................................21 3.2.4 机械执行机构.............................................................................................................................22 3.2.5 必要的辅助设备 ........................................................................................................................22 3.3 调速器的运行及流程控制...............................................................................................................22 3.3.1 调速器运行流程 ........................................................................................................................23 3.3.2 自动运行工况.............................................................................................................................24 3.3.3 电手动运行工况 ........................................................................................................................28 3.3.4 机械手动运行工况....................................................................................................................29 3.4 调节规律 ..............................................................................................................................................29 四 典型调速器产品介绍.............................................................................................................................32 4.1 数字式调速器 .....................................................................................................................................33 4.2 步进式调速器 .....................................................................................................................................33 4.2.1 产品简介 .....................................................................................................................................33 4.2.2系统结构.......................................................................................................................................34 4.3 比例数字式冗余调速器 ...................................................................................................................36 4.3.1 产品简介 .....................................................................................................................................36 4.3.2 系统结构 .....................................................................................................................................37 五 调速器的调试步骤 .................................................................................................................................39 5.1 通电检查 ..............................................................................................................................................39

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5.2 试验准备工作 .....................................................................................................................................39 5.2.1 接力器的反馈调整....................................................................................................................39 5.2.2 开关机时间整定 ........................................................................................................................40 5.2.3 电机反馈调整（仅步进式和比例式） ................................................................................40 5.2.4 功率反馈调整.............................................................................................................................40 5.2.5 水头反馈调整.............................................................................................................................41 5.2.6 电机驱动调整（仅步进式） ..................................................................................................41 5.2.7 测频检查 .....................................................................................................................................41 5.3 无水试验 ..............................................................................................................................................41 5.3.1 静特性试验 .................................................................................................................................41 5.3.2 调速器运行状态切换试验 ......................................................................................................42 5.3.3 故障冗错试验.............................................................................................................................42 5.3.4 模拟紧急停机试验....................................................................................................................43 5.4 动态调试 ..............................................................................................................................................43 5.4.1 手动开机 .....................................................................................................................................43 5.4.2 空载频率摆动.............................................................................................................................43 5.4.3 空载频率扰动.............................................................................................................................44 5.4.4 自动开、停机.............................................................................................................................44 5.4.5 甩负荷试验 .................................................................................................................................45 六 一次调频功能 ..........................................................................................................................................45 6.1 一次调频和二次调频的基本概念 .................................................................................................45 6.2 发电机组调速系统一次调频静态特性.........................................................................................45 6.3 水电机组调速器的一次调频功能的实现 ....................................................................................46 6.4 国家电网对参与一次调频机组的要求.........................................................................................46 6.5 水电机组调速系统一次调频功能的试验 ....................................................................................47 七 常见故障分析及处理.............................................................................................................................48 7.1 空载运行 ..............................................................................................................................................49 7.2 负载运行 ..............................................................................................................................................49 7.3 接力器 ..................................................................................................................................................50 7.4 甩负荷 ..................................................................................................................................................50 7.5 参数和水头 .........................................................................................................................................51 7.6 关键输入信号 .....................................................................................................................................51 7.7 监视关键参数 .....................................................................................................................................51

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一 水电站及其系统

1.1 电厂的分类

电力工业是国民经济的一项基础工业，其发展速度必须超前于国民经济发展的速度。否则其他各项工业必将受到制约。目前，我国缺电严重，2004年上半年全国性缺电，东南及沿海尤为严重。因此，电力工业的发展有严峻的任务和巨大的潜力。

发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”不同，发电厂的种类有：火力发电厂、水力发电厂、核电厂、风力发电厂以及地热发电厂、太阳能发电厂、磁流体发电厂等，世界各国以前三类发电厂居多。

1) 火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃烧的化学能生产电能的工厂。其能量转换过程是：燃料的化学能→热能→机械能→电能。火力发电厂又分为凝汽式电厂和热电厂。一般凝汽式电厂的效率大约在30%—40%，大部分的能量被浪费掉。而热电厂生产电能的同时，剩余的热能用于北方居民的取暖，现代化大型的火电厂总体效率在60%—70%。用于发电的效率也只是30%—40%。而且由于热负荷条件的限制以及矿产燃料的过度开采，热电厂不可能大量兴建。

2) 水力发电厂是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能差进行发电的。它的基本过程是：从河流较高处或水库引水，利用水的压力或流速冲动水轮机转动，将水能转变成机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转化为电能。

与火力发电厂相比，水电厂具有以下优点：

◆利用循环不息的水能发电，可节省大量燃料，而且没有环境污染。 ◆生产过程较简单，所需的运行维护人员较少，容易实现电能生产自动化。 ◆生产效率高，发电成本低，大中型水电厂的发电效率约为80%—90%，成本约为火电厂的1/3～1/4。

◆水电机组从静止状态启动到满负荷运行，正常时只需4～5分钟，事故时可以缩短到1分钟左右。而火电厂则需数小时，故水电厂能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及作为备用。在水电机组快速开机、停机以及灵活调节负荷的过程中，水轮机调速器作为执行及控制设备有着至关重要的作用。

另外，水力发电厂仍存在下面一些缺点：

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◆投资较大，工期较长。

◆受气象，水文等自然条件的影响，有丰水期与枯水期的区别，因而发电不均衡。 ◆由于水库的兴建将淹没一部门土地，给农业生产带来一些不利的影响。 ◆此外，还可能在一定程度上破坏自然界的生态平衡。

3) 核电厂也属于火力发电厂的一种形式，它们的区别在于燃料不同，核电厂的主要优点是可以节省大量的煤、石油等燃料，造价虽高，但发电成本比火力发电厂要低30%～50%。

4) 风力发电厂利用风能发电，利用地区的气候优势开发新能源。风能洁净无污染，占地面积小。但是风力发电投资较大，地域选择性强，不能大范围推广。

1.2 水电厂分类

◆坝式水电站

在河流峡谷处，拦河筑坝，在坝址处集中落差形成水头，这种水能开发方式称为坝式开发。采用坝式开发的水电站称为坝式水电站。按照大坝和水电站厂房位相对置的不同又可分为河床式、闸墩式、坝后式、坝内式、溢流式等。

坝式开发的优点是形成蓄水库，可以用来调节流量，水电站引用流量大，水能利用程度比较充分。此外，坝式开发因有蓄水库，故综合利用效益高，可以同时解决防洪和其他兴利部门的水利问题。目前，世界上装机规模超过200万kw的巨型水电站大都是坝式开发。

◆引水式水电站

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在河流坡降较陡的河道上游，通过人工建造的引水道（明渠、隧洞、管道等）引水到河段下游来集中落差，再经高压管道引水至厂房，这种开发方式称为引水式开发。引水式又分为有压和无压引水式电站。

与坝式开发相比，引水式开发集中落差形成的水头相对较高，目前最大水头已达2030m（意大利劳累斯引水式水电站）；由于引水流量一般较小，又无蓄水库调节径流，故水量利用率及综合利用价值较低，装机规模相对比较小（最大达几十万kw）。

◆混合式电站

在一个河段上，同时才采用坝式和有压引水管道共同集中落差形

成水头的开发方式称为混合式开发。相应的电站称为混合式电站。

◆抽水蓄能

抽水蓄能电站是装设具有抽水和发电两种功能的机组，利用电力低谷负荷期间的剩余电能向上水库抽水储蓄电能，然后在系统高峰负荷期间从上水库放水发电的水电站。

◆潮汐水能开发

潮汐水电站是利用大海涨潮和退潮的时所形成的水头进行发电的。

1.3 水轮机的类型

由于河川水能的具体开发条件不同，出现了各种不同类型的水轮机。根据能量转换特征不同，近代水轮机可分为两大类：

反击式水轮机

主要利用水流的压力能转换为机械能的水轮机称反击式水轮机，它的特点是水流在压力流状态下经过转轮，水流充满整个流道。根据水流流经转轮的方式不同又可分为以下几类。

1） 轴流式水轮机

水流沿轴向进入转轮，轴向流出转轮的水轮机称为轴流式水轮机，如图（a）所示。根据转轮轮叶结构不同，轴流式水轮机又可分为定浆式（ZD）和转浆式（ZZ）两种。定

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浆式水轮机的轮叶装置角固定不变；转浆式水轮机的轮叶装置角可随水轮机工作状况的改变自动调整。转浆式水轮机高效率区较宽，能适应出力的变化，但结构复杂。

轴流式水轮机多用于低水头大流量的水电站，适用水头3～88m，多用于50m以下水头。

2） 混流式水轮机

水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮的水轮机称为混流式水轮机，又称轴向轴流式水轮机，如图（b）所示。

混流式水轮机适用水头范围30～700m，是应用最多的机型之一。我国目前混流式机组的水头最高达302m。

3） 贯流式水轮机 水流由管道进口导尾水管出口均为轴向流动，转轮与轴流式机组相同，称为贯流式机组，如图（d）所示。根据轮叶结构不同，有贯流定浆式和贯流转浆式两种。贯流式机组过流能力较好，适用于水头范围为1～30m的低水头与微水头开发，多用于河床式与潮汐式水电站中。

4） 斜流式水轮机

水流斜向流经转轮，叶片轴线与水轮机轴线有一夹角，称为斜流式水轮机，如图（c）所示。斜流式水轮机转轮叶片装置角可调整，高效率区较宽，其性能界于轴流式与混流式之间，适用水头范围在20～150m，可作为水泵—水轮机（可逆式机组）用于抽水蓄能电站。

冲击式水轮机

通过喷嘴将水流能量全部转换成高速射流的动能，冲击安装在转轮外围轮盘上的部分勺斗使转轮转动，将水能转换成机械能的水轮机称为冲击式水轮机。转轮在大气中工作，水流流经叶片（勺斗）时均为自由水面。

按射流是否在转轮平面内分，可有以下三种不同形式。 1） 切击式（水斗式）水轮机

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射流在转轮旋转平面之内，如图（a）所示。转轮旋转时，后续勺斗背面会对射流产生一定阻隔作用。

2） 斜击式水轮机 射流与转轮旋转

平面成一斜角α，射流由勺斗一侧进入，另一侧流出，增加了水轮机的过流量，如图（b）所示。由于射流避开了水斗背面的阻隔，提高了水能利用效率，但相应产生了轴向水推力。

3） 双击式水轮机

射流具有一个很宽的长方形截面，与主轴垂直。射流先从转轮外周流向中心，穿过中心空腔后再从内向外流出，二次对叶片发生作用，故称双击式，如图（c）所示。

1.4 水电站关键设备介绍

主机：包括水轮机、发电机。水能作用在水轮机的导叶和桨叶上，带动转轮转动，从而带动发电机旋转产生电能。

主机辅助系统：有一些必要的系统是水轮机组运行所必需的，以保证它安全可靠地运行，包括水、油、气系统。水系统一般指冷却水系统，它保证水轮机组的各个推力瓦以及水导瓦的温度不超过规定的安全运行范围；油系统来保证轴瓦之间的润滑；气系统一般用于刹车装置，使机组尽可能在额定转速下运转，避免在关机过程中长时间的低速运转。

直流屏和UPS：电站的后备电源。

励磁装置：调节励磁电流改变磁场，调整机端电压、配合调速器改变发电机的输出功率。

水机保护和线路保护：水机保护主要监视水轮机组运行中各辅助系统的状况以及各辅助设备的工作状态，当某环节出现故障时根据实际情况来进行相应的动作；线路保护监视电网的状况以及监测电网的各种参数，判断是否正常工作状态，发生状况时及时把水轮机发电机的输出端和电网断开。

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调速器：调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。辅助设备包括油压装置和自动补气装置（常规油压）。

监控系统：整体统筹各个设备的运行，监视各设备的运行情况和参数，根据各种需要对各个设备发送控制关命令。

二 调速器概况

2.1 调速器在水电站的作用和地位

电能是一种特殊的商品，电能是一种能量形式的转换，它要求生产与消费同时完成，从这个特点出发，在运行时就要求经常保护电源和负荷之间的平衡。另外保证电能的良好质量也是电能生产过程中的重要任务。通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率，其次是波形。频率的偏差将严重影响电力用户的正常工作。对电动机来说，频率降低将使电动机的转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。另外频率偏差将对发电厂本身造成更为严重的影响。例如，在火电厂对锅炉的给水泵和风

机之类的离心式机械，当频率降低时其出力将急剧下降，从而迫使锅炉的出力大大见小，甚至引起紧急停炉，这样势必进一步减少系统电源的出力，导致系统频率进一步下降。另外，在频率降低的情况下运行时，汽轮机叶片将因震动加大而产生裂纹，以至缩短汽

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轮机的寿命。因此，如果系统频率急剧下降的趋势不能及时制止，势必造成恶性循环以致整个电力系统发生崩溃。

按我国电力部门的规定，电网的额定频率为50Hz，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%。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此不断得调节水轮机发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。

总之，水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路以及计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以去其他装置一起完成自动发电控制、成组控制、按水位调节等任务。另外在电网发生故障时，配合断路器跳闸快速稳定完成甩负荷过程，保护水轮机组使其尽快恢复额定转速。

总之，水轮机调速器的基本任务归纳如下： ◆机组的正常操作 ◆保证机组的安全运行 ◆合理分配并联机组的负荷

2.2 水轮机调速器的类型

1） 从被控制对象的多少来分，可分为单调调速器和双调调速器。一般单调调速器用于反击式机组中各类型的定浆式机组。被控对象只有导叶，靠调节导叶的开度大小来控制经过水轮机叶片的水流量。双调调速器用于各类反击式转浆机组类型。被控制对象为导叶和浆叶，依靠调节导叶的开度以及浆叶的角度来控制水流对水轮机的出力，一般来说，转浆类机组存在导叶与浆叶的协联控制。

此外，冲击式机组被控制对象比较多，我们归其为另一类n喷n折或者n喷1折型调速器，专门用于冲击式机组。根据冲击式机组的喷针数量以及折向器的数量不同，调速器的控制对象也不同。

2） 水轮机调速器从整体上讲是一种机电一体化产品，机械执行部分我们采用液压控制。根据电液转换方式来划分，可分为数字式（SLT）、步进式（BWT）、比例数字式（PSWT）调速器，一般数字式和比例式结合在一起使用。数字式调速器利用电磁阀用数

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字脉冲控制阀的开关，达到控制接力器开关的效果。而步进式调速器利用电流驱动步进电机正反转，产生竖直方向位移，协同引导阀、主配压阀控制接力器的开关。比例伺服阀通过比例控制器和主配压阀完成电液转换。

3） 根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器。 常规油压有：2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa 高油压一般为16MPa

其中压力油罐的容量根据接力器油腔的大小而定。

4） 根据所控制机组容量的大小可分为大型调速器和中型、小型调速器。一般来说，小型调速器都采用数字式，三联公司有以下型号产品：SLT—300，SLT—600，SLT—1000。中型调速器客户要求以及实际情况有多种形式，如果用X代替形式，如数字式，步进式以及比例式或者各种形式的结合。有以下几种型号：X—1800，X—3000，X—5000，X—7000。大型调速器有以下型号：X—80，X—100，X—150。

5） 根据控制部分的可编程控制器plc模块来区分，就目前我公司的使用情况来讲，有三菱FX2N系列，一般用于中小型数字式调速器，也有部分使用Siemens系列模块；有Omron系列模块，一般用于中型步进式或者小型冲击式调速器；另外有部分大型调速器，我们使用施耐德公司的Modicon系列或者Quantum系列模块。

2.3 水轮机调速器的发展历史

机械液压调速器

最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，它是随着水电建设发展在20世纪初发展起来的，它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要，有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化的要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就露出明显的缺陷。现在，新建的大型水轮发电机组几乎均步采用机械液压调速器，只有中小型机组仍有相当一部分采用机械液压调速器，而且大部分电厂已经改造为现代新型调速器。

电气液压调速器

测速稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机导叶控制接力器的调速器，称为电气液压调速器。

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20世纪50年代以后，电气液压调速器获得了较为广泛的应用。从采用的元件来看，它又经历了电子管、磁放大器、集成电路等几个发展阶段。20世纪80年代末期，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用。

数字式电液调速器

随着1971年微处理机的问世，世界各国在20世纪80年代初都开始研制微机液压调速器。华中科技大学（原华中工学院）在国内率先研制成功了适应式变参数微机调速器，于1984年11月在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行，其后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双微机双调节微机调速器，据不完全统计，已有100多台产品在水电站运行。

针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生产、批量过少而导致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，1993年率先提出并完成了可编程控制器调速器的开发和生产，至2000年底，据不完全统计已有近600台可编程控制器调速器在国内外水电站运行。成为我国当前水轮机微机调速器的微机调节器主导产品。

从2000年下半年开始，华中科技大学已开始研制新一代的水轮机调速器的微机调节器——基于现场总线的全数字微机调节器。显然，随着微机技术、网络技术、总线技术的发展，水轮机微机调速器的微机调节器将会得到不断的完善和发展。

与微机调节器的发展同步，水轮机调速器的电液转换装置也由原来的单一的电液转换器和电液伺服阀，发展成为由电磁阀、比例阀或者步进电机/伺服电机构成的电液转换装置。同时，还研制成功了三态/多态阀式的机械液压系统。

2.4 新型调速器的标准和特性

以下所述标准和性能指标以我公司的产品为参考。

2.4.1 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/563-1995；

3．《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》GB/T 9652.2－1997； 4．《水轮机调速器与油压装置技术条件》GB/T 9652.1－1997；

5．《大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件》GB/T 11805-89；

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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》。

2.4.2 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。

2.4.3 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％。

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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。

2.4.4 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

三 调速器的控制原理

3.1 水轮机调节的基本原理

水轮机调节系统是由水轮机控制设备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中的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制系统。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。

其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率P，水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构、执行机构操纵水轮机导水机构和浆叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。

以上为电气控制部分的基本原理。它的执行部分由机械液压装置来实现。它包括压力产生装置（压力罐）和压力动作装置（接力器）。压力罐的首先充入高压气体，常规油压调速器一般充入空气，高油压调速器使用氮气。然后利用螺杆泵将压力油抽入压力罐体。由于气体被进一步压缩，从而产生一定的压强，作用在油面上产生压力油。

电液转换装置受电气控制信号驱动，转换为机械位移，借助压力油的做功进行液压

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放大，产生较大的力改变接力器的开度，从而改变导叶开度以及浆叶角度，调节导水机构的流量、流态，达到对水轮机调节系统种各被控制机构的控制。

水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，它与电站那二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。

水轮发电机组转动部分的运动方程为：

Jdω/dt=Mt-Mg

式中：

J—机组转动部分的惯性矩（kg·㎡）； ω＝πn/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（N·m）；

Mg—发电机负荷阻力矩（负载转矩）（N·m）。

上式表明，保持机组转速（频率）为恒值的条件是dω/dt＝0，即要求Mt＝Mg，否则就会导致机组转速（频率）偏离额定值，从而出现转速（频率）偏差。

水轮机转矩

Mt＝ρQHηt /ω

式中：

Q—通过水轮机的流量（m3/s）; H—水轮机净水头（m）； ηt—水轮机效率； ρ—水的密度（kg/m）

因此只有调节流量Q和效率ηt，才能调节水轮机转矩Mt，达到Mt＝Mg的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量Q）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率ηt），使Mt＝Mg，才能使机组在一个允许的规定转速（频率）下运行。从这个意义上讲，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，不但地调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。

水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮

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机流量及其流态的，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，且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行机构。

水轮机过水管道存在这水流惯性，通常用水流惯性常数Tw来表述：

Tw＝(Qr/gHr)ΣL/A=ΣLv/gH

式中：

每段过水管道的截面积（㎡）； L—相应每段过水管道的长度（m） v—相应每段过水管道内的流速（m/s） g—重力加速度（m/s） Tw—水流惯性时间常数（s）

从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统(非极小相响应)，其特点为，由于水的惯性，当改变导叶方向时，首先引起水轮机转矩在反方向作用，然后再回到与导叶运动相同的方向。对系统的动态稳定和响应特征会带来十分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。

水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。

水轮发电机组存在着机械惯性，可利用机组惯性时间常数Ta来表述：

Ta＝Jωr/Mr=GD2·Nr2/3580Pr

式中：

Jωr—额定转速时机组的惯性矩（kg·㎡） Mr—机组额定转矩（N·m） GD2—机组飞轮力矩（kN·㎡） nr—机组额定转速（r/min） Pr—机组额定功率（kW） Ta—机组惯性时间常数（s）

机组惯性时间常数Ta的物理概念是：在额定力矩Mr作用下，机组转速n由0上升至额定转速nr所需要的时间。

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。

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水轮机调节系统的工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率Pg、水头H 、流量Q等反映机组运行工况的参数测量出来作为水轮机调速器的反馈信号，与给定信号闭环综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构。

3.2 调速器系统的结构 3.2.1 电气控制系统

水轮机调速系统的电气控制部分采用高性能法国施耐德MODICON TSX系列或者日本三菱FX2N、A系列可编程控制器PLC，可根据用户要求配备成单机系统或双机系统，电气输出具有步进电机、比例伺服阀、数字阀、伺服阀四种可兼容的输出型式以及电气导叶的电气开度限制。

电气调节器采用可编程控制器PLC，可根据用户要求配置单机或冗余双机电气控制系统，如果是双机结构，那么两套从输入至输出以及电源配置完全相同 , 相互完全独立 。双机间采用智能全容错冗余热备方式 ，在运行过程中，未参与控制的备用通道退出而不影响调速系统的正常工作，且退出的通道能进行停电检修。

电气控制部分采集导叶位置、水头、功率等模拟量信号，机频、网频信号，来自监控系统的开关量指令信号以及断路器位置信号来进行调速器工作状况的判断和对导叶进行闭环的控制。

两套完全独立的冗余系统的运行方式为：

全容错在线热备，自动无扰切换

单机后备式运行，人为切换 采用一种归零式的系统结构，在稳定运行或故障情况下自动复中零输出。以保证在调速器内部发生

故障时，不造成水轮机运行不稳定和出力波动，在外部系统事故时，能保证机组安全停机。调速器具有远方控制和现地控制功能，并有相应接点输出，能与电站计算机监控系统进行数字信号、模拟信号以及开关输入输出信号的通讯和数据交换 。

水轮机调速系统的测频环节 ◆残压测频

测频装置是决定水轮发电机组及调速器安全、稳定运行极为关键的部件。目前，国内水轮发电机组微机调速器的测频信号均取自于发电机机端电压互感器(PT)信号。优点

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是成本低、安装简单，但也存在着缺点，主要体现在如下几个方面：

第一，干扰源复杂，部分表计、励磁调节器、保护装置大多与测频装置取自于同一PT的信号，无法隔开，而且各个部分引入PT信号的线路环境各异，走线复杂，彼此间相互干扰。即使采用屏蔽线、硬件抗干扰、软件滤波等措施均难有效地消除干扰，特别是在残压比较低时更是如此。

第二，低转速时残压信号严重失真，根本无法通过残压信号正确测量出机组频率，若调速器处理不当将会造成机组过速，调节不稳定等。

第三，若PT的保险炸裂、接触不良或断线等，此时调速器接受到的残压信号完全是一个干扰信号，这个干扰信号通过硬件电路根本无法消除，因而此时调速器难以准确、及时地判断出断线等故障，仍然以错误信号加以调节，引起接力器大幅度抽动，机组转速将会大幅度变化，严重时，引起低油压事故等，严重威胁机组安全、经济运行、造成极其严重后果。

第四，电力系统污染。由于大量的水电站近区都建有用电大户(如电炉)，当用电大户负荷变化较大时，引起一次电压波形畸变，当机组并网后，由机端PT引入的频率信号自然在跟着发生畸变。由于用电大户负荷变化时间较长，在负荷变化的时间内由PT引入的频率信号根本不能反映真实的机组频率，所以残压测频方式也不可能测得真实的机组频率。从机组实际运行中可以观察到：调速器一般运行的都正常，而在某段时间内，机组抽动频繁，有时导叶开度大幅度波动，此时用示波器观察PT引入的测频信号，可明显地观察到在频率信号的交流波形上叠加了一个频率高于机频的交流波，该波的幅值一般随用电大户的负荷增加而增大。由于该波是连续的，而且幅值较大，所以无论是从硬件上还是从软件上都不可能过滤掉这个叠加的波而测得真实机频。

◆齿盘测频

采用齿盘测频(即采用接近开关和齿盘)检测机组频率，其信号的电压幅值稳定，且为独立的系统，不易受现场干扰，是可靠的测频信号源。目前，数字式齿盘测频方式在测频精度要求不高的场合中已经得到了大量应用。但在国内水轮机微机调速器领域中还很少采用，其原因是调速器对频率测量的精度要求高，而齿盘的加工精度、机组摆动、齿距的不均匀度都会影响测频精度，从而无法满足水轮机调速器的要求。但我们通过选择恰当的测量方式和处理，可以准确的测量出机组频率，其测量精度和实时性均可以充分保证调速器对测频精度和实时性要求，使得齿盘测频装置产生的频率信号能运用于调速器。

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盘测频是我公司研制的为水轮发电机组调速器提供高可靠、高精度频率信号的专用装置。其频率信号源是通过一对电磁感应式的进口的接近开关取自于安装在机组大轴上齿盘装置，该信号系统是一个独立系统，其幅值与机组转速无关，可靠性高。该装置从根本上解决了频率信号的干扰问题。

齿盘测频由齿盘、接近开关和微机测频单元组成，如图示：

安装在水轮发电机组大轴上的齿盘与一对电磁式接近开关一起组成了频率信号产生单元。由信号整形电路、滤波电路、单片机和机频信号输出电路一起构成了频率信号测量单元。频率测量单元将测量出的机组频率以方波或数字量形式送到调速器。

3.2.2 电液转换环节

目前我公司的产品，主要存在以下三种基本的电液转换结构：数字式、步进式、比例伺服阀式。根据不同需要，这三种结构可以自由组合构成冗余系统。

数字式

采用脉冲控制控制电磁数字球阀，输出高电平和低电平控制线圈动作和复位，从而控制油路（包括开方向和关方向）的通和断。

随着液压技术的发展，高速数字球阀成为近年来液压传动领域中发展起来的一种新的液压元件，它具有工作压力高，密封性能好，换向频率高（≤3ms），可靠性高，寿命长。

它采用钢球线接触形式密封，抗油污和防卡能力强它是一般先导控制和小功率液压控制回路最理想的

元件。因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由三联公司在98年率先推出，并获得国家专利，它采用非线搭叠窗口和脉冲补偿的结构，无油压冲击，动作平稳可靠。

采用全数字高速电子球阀组成机械液压系统的手动或者自动的前置级，高速电子球

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阀可实现手动调节和自动控制。其速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低、油过滤>140μ，静态无油耗、无机械零位调整和飘移。性能可靠、死区小、灵敏度高、安装调试方便、免维护。

步进式

由调速器电气系统输出高、低电平开关信号到驱动器的正转/反转端，使步进电机正、反方向的旋转控制接力器的开或关。输出脉宽调制信号占空比PWM到驱动器的停止/运行端，控制步进电机的旋转角度来调节接力器的速度。驱动器的速度控制端加一恒定的电压2V-3.5V控制步进电机的最高转速。

电-位移转换器是水电站调速器中联接电气部分和机械液压部分的关键元件。将电机的转矩和转角转换成为具有一定操作力的位移输出，并具有断电自动复中回零的功能。它的作用是将调节器电气部分输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号，从而驱动末级液压放大系统，完成对水轮发电机组进行调节的任务。

该装置包括筒体，与筒体连接的电机，电机轴通过连结装置与滚珠丝杆副穿入筒体中，滚珠丝杆通过丝杆螺母与联结套连接。联结套穿过两彼此分开的具有一段行程的弹簧套，复中弹簧设在弹簧套中，筒体设有两弹簧套的限位装置。电一位移转换

过程由纯机械传动完成，滚珠丝杆运动灵活、可靠、摩擦阻力小，并且能可逆运行。传动部分无液压件，无油耗。

采用弹簧力直接作用在高精度大导程滚珠丝杆上，当电源消失后,能迅速使联接套回到中位,使与之相连的主配引导阀自动准确回复到中间位置,保持接力器在原开度位置不变。复中机构仅为一根弹簧, 结构简单,动作可靠,调节维护方便。

比例伺服阀式

由调速器电气D/A输出-10V

+10V的模拟电压信号控制

比例阀的阀芯位移，达到调节比例阀输出流量的目的。

比例伺服阀为四位四通阀，包括开、关、中间封油及断电复中安全位。放大器的供电电源为+21

+40V,最大电流为2.7A，当放

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大器的供电电源消失后，比例伺服阀处于断电复中安全位。

3.2.3 液压放大机构

对于数字式小型调速器，采用换向阀结构作为液压放大级，有16mm、25mm通径两个型号，根据最大通油量的不同来对不同容量的接力器进行控制；对于大型的数字式调速器，采用插阀装阀结构作为液压放大级，一般为32mm通径。

对于步进式和比例伺服阀式调速器，采用引导阀和主配压阀作为液压放大级，构成二级放大机构。电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动。根据所需操作功的不同，主配压阀的直径有80mm、100mm、150mm、200mm、250mm几种型号。

主配压阀为锻件整体加工件料均优质合金钢

40CrM，粗加工后进行高温时效处理（消除心部应力，提高切削性能），半精加工后进行渗碳、淬火处理（提高表面硬度和耐磨性），最后进行精加工和表面防锈处理或手动研磨。这样加工出的零件既具有好的心部韧性，又有高的表面硬度和耐磨性，表面洛氏硬度处理可达HRC:60-64度。主配压阀加工精度高，无泄漏，外形美观，耐磨损、抗油污。

数字阀液压系统原理图：

如图，开、关数字球阀作为系统的控制油路，以其动作和复位来操作液控换向阀的动作方向，从而控制接力器的开、关。

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3.2.4 机械执行机构

机械执行机构为主接力器，它直接操作导叶或桨叶动作，改变导叶的开度（及桨叶的角度）以改变水流对机组的出力。它属于液压放大系统的末级装置。

3.2.5 必要的辅助设备

压油装置：由压力油罐、回油箱组成。提供液压原动力，通过液压放大级放大来达到操作导叶所需要的极大操作力。目前我们所采用的压油装置有以下等级：常规油压包括2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa；高油压有16MPa。

补气装置：油压主要靠压缩空气或者气囊式氮气来产生。常规油压的油气比一般为1：2，可手动或自动补气来保持这一油气比。

滤油器：双联滤油器有两组滤网，运行时可用旋塞进行快速切换而不中断供油。每组滤网有粗滤网及细滤网各一个，经粗滤的油供引导阀、辅助接力器。

调速器配置油过滤装置---双联滤油器，过滤精度20μm，该过滤装置能在正常运行中进行清洗。

滤油器滤网为并联两组，互为备用，能自动切换，切换时不影响液压系统正常工作。采用不锈钢折叠式滤网，强度高、过流面积大，便于在运行中取出清扫，清扫时不造成油路系统污染。

分段关闭装置（可选）：根据用户要求可以配置机械液压传动的导叶分段关闭装置，分段关闭装置采用三联公司的专利产品：DX-1型 (专利号：ZL 00 2 32366.4)

3.3 调速器的运行及流程控制

调速系统有三种控制模式：远方自动、现地自动和现地手动(现地手动分为现地电手动和现地机械手动)，三种控制模式的优先级依次为：现地手动（机械手动、电手动）、现地自动和远方自动。

自动运行、电手动和机械纯手动三种控制模式，任意切换方便可靠，三种控制模式完全无扰动地切换。当电气部分发生

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故障时，可自动切换至机械手动状态。

各种工况之间相互跟踪，因此无论是自动还是手动改变调速器的控制模式均无扰动，当采用负荷跟踪切换运行方式时无波动。频率调节、功率调节、开度调节、水位调节运行模式可手动或自动转换，无任何扰动。

调速器设有可调的电气型导叶开度限制功能，导叶电气开度限制能按水头自动改变空载开度给定值及限制负载机组出力。导叶限制可在远地、远方进行调整及数值显示。

3.3.1 调速器运行流程

提供合适的系统软件和应用软件去完成规定的工作。软件按模块化设计并允许从规定的程序接口设备去改变程序运行方式或控制参数。软件使用方便，维护容易，并使用户能通过PC机对软件程序进行检查调整，重新配置和开发程序软件采用模块化设计，采用通用的梯形图逻辑编程方法，使用方便，维护容易。

调速系统软件采用模块化设计，由多个运行工况子程序和通用程序组成常驻运行程序和过程程序，常驻运行程序由外部条件经过一个过程程序到另一个常驻运行程序，实 现运行工况的转换。配备一个断电保持的数据寄存器区存放调速器的各种参数和机组的

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参数，对每个输入开关量进行数字滤波，对测频和A/D转换采用逐次逼近方式。用户能通过计算机对软件程序进行阅读和检查，不需修改程序，只需根据实际情况改变数据寄存器区的内容，就可以进行日常的维护、检修和调试。

3.3.2 自动运行工况

1）停机备用

调速器自动运行运行时，在停机备用工况设置有停机联锁保护功能。

停机联锁的动作条件 :无开机令 、无油开关令 、转速小于70%

当停机联锁动作时调速器电气输出一个约10～20%的最大关机信号到机械液压系统,使接力器关闭腔始终保持压力油,确保机组关闭。

当接力器的开度大于5%(主令开关接点), 紧急停机电磁阀动作。 2）自动开机过程

机组处于停机等待工况，由中控室发开机令，调速器将接力器开启到1.5倍空载位置，等待机组转速上升，如果这时机频断线，自动将开度关至最低空载开度位置。当机组转速上升到90%以上，调速器自动将开度回到空载位置(该空载位置随水头改变而改变)，投入PID运算，进入空载循环，自动跟踪电网频率。当网频故障或者孤立小电网运行，自动处于不跟踪状态，这时跟踪机内频率给定。

调速器可实现现地开机或由电站计算机监控系统远方控制机组开机。 * 现地自动开机；

* 计算机监控系统远方自动开机；

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* 现地电手动开机； * 现地纯手动开机；

3) 空载运行工况

用线性差值法根据水头输入信号自动修改空载开度给定值和负载出力限制，水头信号可自动输入或人为手动设置。

调速器能控制机组在设定的转速和空载下稳定运行。在自动控制方式下，调速器能控制机组自动跟踪电网频率。当接受同期命令后，调速器应能快速进入同期控制方式。在空载运行方式下，导叶开度限制应稍大于空载开度。

机组在空载运行时使机组频率按预先设定的频差自动跟踪系统频率或自动跟踪频率给定值(“频率给定”调整范围：45HZ～55HZ)。

可自动或人为选择频率跟踪或不跟踪的状态，更利于机组与电网同步，调

速器根据网频和孤立电网来自动选择设置频率跟踪或不跟踪状态(也可以人为手动设置)。它能控制机组发电机频率与电网频率(或频率给定)相接近。 空载工况下的参数：

(1) PID调节参数：bt,Td,Tn bp=6(可人为修改) E=0

(2) 运行参数： 最大及最小空载开度

最高及最低水头

导叶开及关放大系数（一般为5－30倍） 主配位置放大系数 （ 一般为2－15倍） 4）负载运行工况

负载调频、调功、定开度运行工况

在负载运行工况下调速器控制机组出力的大小，电气导叶开度限制位导叶的最大位置并接受电站计算机监控系统的控制信号，有负载开度、功率、频率三种调节模式。

现地（机旁手动）或远方（手动或

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自动）有功调节能满足闭环控制和开环控制来调整负荷。现地/远方具有互锁功能，在远方方式下能够接受电站计算机监控系统发出的负荷增减调节命令，具有脉宽调节(调速器开环控制)、数字量、模拟量定值调节有功功率和机组开度的功能。

当功率调节模式下功率反馈故障自动切换到开度调节模式下运行。 当在开度调节或功率调节模式下，自动判断大小电网，当判断为小电网或电网故障（线路开关跳闸而出口开关未跳）自动切换到频率调节模式运行。

根据频率的变化以及负荷或开度的调整对频率引起得变化作为判断大小电网的依据，自动改变运行模式：当在开度调节或功率调节模式下，当判断为小电网或电网故障自动切换到频率调节模式运行。

当机组出口开关闭合而电网频率连续上升变化超过整定值时(整定值与用户协商，缺省值50.3Hz) 和机组功率突然大幅度下降时(突降10%以上)，可确定机组进入甩负荷或孤立电网工况，调速器自动切换到频率调节模式，迅速将导叶压到空载开度，机组转速稳定在额定转速运行。

负载工况下的参数： * 运行模式： 开度调节模式 功率调节模式 频率调节模式 * PID调节参数： 开度模式bt,Td,Tn 功率模式bt,Td,Tn 频率模式bt,Td,Tn bp，E

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* 运行参数： 最大电气开限 最小电气开限 导叶开及关放大系数 主配位置放大系数 调相运行

当机组并网后,中控室发调相令,调速器按两段关闭将接力器关回,先快速将接力器关到15%,然后慢速关到零,处于调相循环状态,如调相令解除,则自动将电开限按水头值打开到某开度,开度给定回到空载位置。 5) 运行工况切换

冗余电气系统双机之间的切换、控制或操作方式的切换（包括机械手动操作）、事故等切换无扰动。

自动、电手动、机手动之间任意切换，无扰动。 两套电源无缝切换 。 电源消失时，保持开度不变。

当电源恢复后，自动跟踪当前开度，无扰动的恢复到当前运行工况。 运行方式切换

(1) 现地、远方之间任意的切换；

(2) 自动、电手动、机手动之间意切换 (3) 频率、功率、开度调节模式之间的切换； (4) 频率跟踪功能的投入、切除； (5) 人工频率死区的投入、切除； (6) 自动水头、人工水头之间任意的切换； (7) 残压PT、齿盘任意切除；

(8) 交流、直流电源的投入、切除； 6) 自动停机

主接力器在机组停机时有10～15mm的压

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紧行程，机组在正常停机状态下由调速器输出相应信号，使主接力器的关腔保持压力油以保证机组的导叶全关。

调速系统在接收停机令后（停机令必须保持到机组转速小于70％以下）在下列情况下使机组停机： (1) 正常停机

* 一般停机：在电手动或自动运行工况能实现现地或远方操 作停机，断路器在零出力跳闸后，接受停机令停。

* 停机连跳：并网运行时可接收停机令。当关至空载开度（并网瞬间值）或机组零出力时由监控系统控制断路器跳闸后完全关闭导叶。当断路器末跳闸时，保持空载和零出力状态。 (2）紧急停机

机组紧急停机时，外部系统下发紧急停机令或操作员手动操作紧急停机按钮时紧急停机电磁阀动作，调速器以允许的最大速率（调保计算的关机时间）关闭导叶。

机组在事故情况下可由外部回路快速、可靠地动作紧急停机电磁阀，当紧急停机电磁阀动作后有位置接点输出至指示灯和上送计算机监控系统，并同时由计算机监控系统启动紧急停机流程。 (3）事故配压阀停机

当调速器失灵时，事故配压阀动作，确保机组可靠停机。 (4) 机械过速保护装置

设计有机械过速保护装置的调速系统，由机组转速上升值控制机组可靠停机。 (5) 闭锁

在找到事故原因并加以消除以前，事故停机和紧急停机回路一直保持闭锁状态，只有通过手动操作复归程序才能复归。

3.3.3 电手动运行工况

电手动操作流程见下图：电手动控制模式的增减导叶开度的精度（0.1％接力器全行程）高于机械手动。

一般适用于

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检查、判断和调整机械液压系统零位，校对导叶开度的零点和满度。当机组转速信号全部故障时，可人为启、停机组，增减负荷；当系统甩负荷时，自动关到最小空载开度并接受紧急停机信号。

3.3.4 机械手动运行工况

机械纯手动操作流程：机械纯手动控制模式的增减导叶开度的精度（0.3％接力器全行程）一般用于检验机械液压系统的动作情况，适用于大修后第一次启动机组。

当全厂供电电源消失后，可人为手动操作，启、停机组，增减负荷；并接受紧急停机信号。

3.4 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。

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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。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)

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(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′

(3)．算法： 运算周期取 T＝0.04秒，微分时间常数T1V取7*T 即T1V =7*0.04=0.28

比例项：△YP(K) ＝1.31(Td+Tn)*[ △F(K)- △F(K-1)]/( bt*Td)

＝13.1(10Td′+Tn′)*[ △F(K)- △F(K-1)]/( bt′*Td′)

积分项：△YI(K) ＝1.31 T *{ △F(K)＋bp*[YYG(K)－Y(K－1)]/ 1.31}/( bt*Td)

＝5.24*{ △F(K)＋bp′*[YG(K)－Y(K－1)]/ 131}/( bt′*Td′)

微分项：YD(K)＝T1V* YD(K-1) /{( T+ T1V)+1.31 Tn/ [bt*( T+ T1V)]} *[ △F(K)-

△F(K-1)]

＝(7/8)* YD(K-1) +(41Tn′/ bt′)*[ △F(K)- △F(K-1)]

开度给定项：△YG(K) ＝YG(K) - YG(K-1)

PID控制输出：Y(K)=YPIYG(K-1)+ 13.1(10Td′+Tn′)*[ △F(K)- △F(K-1)]/( bt′

*Td′)

+5.24*{ △F(K)＋bp′*[YYG(K)－Y(K－1)]/

131}/( bt′*Td′)

+(7/8)* YD(K-1) +(41 Tn′/ bt′)*[ △F(K)- △

F(K-1)]

+ [YG(K) － YG (K-1)]

当△F(K) >Ef为频率调节，当△F(K)

其中： KP为以比例阀电转控制的系统放大系数（开、关的放大系数不同）

K1为比例阀电转的主配位置放大系数

KD为以数字阀电转控制的系统放大系数（开、关的放大系数不同）

Y(K)为当前PID控制输出值，Ya(K) 为当前实际导叶开度值 Yz(K) 为以比例阀电转控制的主配位置反馈值

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多点偏差增益控制法：利用高速开关非线性控制PWM方式，将系统状态的运动轨迹驱动

到预先确定的滑行面（开关面）上，系统状态在这个滑行面上滑行至系统的平衡点。

基本原理：根据系统状态和某些预先确定的超平面之间的关系来改变系统控制结构，当系统（受控对象）状态穿越系统状态方向空间的预先设定的切换超平面时，控制系统从一个结构自动转向另外一个确定的结构，以保证系统状态变量达到并约束在给定的滑模流形上，并使之自始自终沿着滑模流形滑行至系统状态空间的平衡点，从而使系统达到某个期望的指标。

依据偏差和偏差变化率来调整输出的多点偏差增益控制法；系统的运行特性表征为系统偏差及偏差变化率的大小。将系统偏差及偏差变化率的大小各自进行分类。这样的组合变化就有多种情况,每种情况都代表系统的一种工况。根据工况的不同采用相应的控制策略。根据这些由偏差、偏差变化率的组合而形成的多种工况采取相应的控制策略,

及时向控制对象进行增益增加

或减少,从而达到控制目的和跟

踪性能要求。而每一时刻仅对应一种控制策略;因此根据偏差和偏差率实时变化所确定的工况,不断在多种控制策略中切换,直至系统的偏差被控制在预定的范围内。 浆叶协联函数发生器

调速器可预置15条水头的协联曲线，每条曲线按导叶开度间隔10%取11点，按水头大小从小到大将协联曲线关系图中选定的15条水头列于表中，按当前水头值和当前导叶开度采用插值计算浆叶协联开度。

若机组设计协联曲线不足15条，不足部分按最高水头曲线处理。

四 典型调速器产品介绍

根据不同的标准，有很多种调速器类型。在此我们主要根据电液转换环节的区别，

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主要介绍几种基本的调速器类型。

4.1 数字式调速器

数字式调速器广泛应用于小型混流式水轮机组和冲击式水轮机组。本系列调速器的额定（常规）工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa；高油压为16.0 MPa。采用换向阀结构作为液压放大级，有16mm、25mm通径两个型号，根据最大通油量的不同来对不同容量的接力器进行控制；对于大型的数字式调速器，采用插阀装阀结构作为液压放大级，一般为32mm通径。

采用全数字高速电子球阀组成机械液压系统的手动或者自动的前置级，高速电子球阀可实现手动调节和自动控制。其速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低、油过滤>140μ，静态无油耗、无机械零位调整和飘移。性能可靠、死区小、灵敏度高、安装调试方便、免维护。

采用脉冲控制控制电磁数字球阀，输出高电平和低电平控制线圈动作和复位，从而控制油路（包括开方向和关方向）的通和断。

随着液压技术的发展，高速数字球阀成为近年来液压传动领域中发展起来的一种新的液压元件，它具有工作压力高，密封性能好，换向频率高（≤3ms），可靠性高，寿命长。

它采用钢球线接触形式密封，抗油污和防卡能力强它是一般先导控制和小功率液压控制回路最理想的元件。因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由三联公司在98年率先推出，并获得国家专利，它采用非线搭叠窗口和脉冲补偿的结构，无油压冲击，动作平稳可靠。

高油压型数字式调速器压力油源采用蘘式蓄能器蓄能，不需要另设高压压缩空气系统对调速器进行充气和补气，高压气罐引进美国巴克公司技术。油压装置、调速器电气、机械液压部分组合成一体。调速器的性能优良、可靠性高、检修维护方便，能够适合大、小电网等各种运行工况。

4.2 步进式调速器 4.2.1 产品简介

步进式水轮机调速器适用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组的自动调节与控制。本系列调速器的额定工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa，主配压阀直径为80mm、100mm、150mm、200mm、250 mm。它能使水轮发电机组在各种工况下稳定运行，

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可实现机组的自动或手动开、停机，并网运行，调节机组负荷，事故紧急停机等。

机械部分主要包括无油电－位移转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的PWM脉宽控制型式。

BWT型为单调节型。只有导叶控制部分,BW(S)T型为双重调节型，具有导叶控制和桨叶控制两部分，二者之间由电气协联。机械部分不设协联装置，二者原理和结构基本相同。其中导叶控制部分具有紧急停机装置，并可根据用户要求提供分段关闭装置。而桨叶控制部分没有紧急停机装置和分段关闭装置。 其工作原理如下：

电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，输出PWM信号，步进电转旋转的角度使滚珠丝杆付产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。

4.2.2系统结构

1）结构说明

机械部分主要包括电转机构、机械手动操作机构、引导阀、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、直连结构型的机械液压随动系统。

2）无油单簧自复中电-位移转换器 电-位移转换器是水电站调速器中联接电气部分和机械液压部分的关键元件。将电机的转矩和转角转换成为具有一定操作力的位移输出，并具有断电自动复中回零的功能。它的作用是将调节器电气部分输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的机械位移信号，从而驱动末级液压放大系统，完成对水轮发电机组进行调节的任务。

该装置包括筒体，与筒体连接的电机，电机轴通过连结装置与滚珠丝杆副穿入筒体中，滚珠丝杆通过丝杆螺母与联结套连接。联结套穿过两彼此分开的具有一段行程的弹簧套，复

中弹簧设在弹簧套中，筒体设有两弹簧套的限位装置。电一位移转换过程由纯机械传动

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完成，滚珠丝杆运动灵活、可靠、摩擦阻力小，并且能可逆运行。传动部分无液压件，无油耗。

采用弹簧力直接作用在高精度大导程滚珠丝杆上，当电源消失后,能迅速使联接套回到中位,使与之相连的主配引导阀自动准确回复到中间位置,保持接力器在原开度位置不变。复中机构仅为一根弹簧, 结构简单,动作可靠,调节维护方便。

3) 步进电机与驱动器 (1) 连线

驱动器与步进电机的连线必须按图接好，线的颜色不能接错。

(2）驱动器供电

驱动器的供电电源为＋24V,电流为3A，当驱动器的供电电源消失后，步进电机处于自由状态，复中弹簧张力作用于上、下弹簧套限位复中。这时，可以 人为操作电机上的手柄来控制机组接力器的开、关。

(3）电机的控制

由调速器电气系统输出高、低电平开关信号到驱动器的正转/反转端，使步进电机正、反方向的旋转控制接力器的开或关。输出脉宽调制信号占空比PWM到驱动器的停止/运行端，控制步进电机的旋转角度来调节接力器的速度。驱动器的速度控制端加一恒定的电压2V-3.5V控制步进电机的最高转速。

(4）驱动器的调整

调整驱动电流的拨码开关出厂已经调好不需要调整。

* 运行电流：顺时针逐渐增大，决定步进电机旋转时的扭力，一般调到8刻度左右。 * 停止电流：顺时针逐渐增大，决定步进电机停止时的扭力，一般调到8刻度左右。 * 高速：顺时针逐渐增大，决定步进电机的高速特性，一般调到4刻度左右。 * 低速：顺时针逐渐增大，决定步进电机的低速特性，一般调到4刻度左右。 * 响应：顺时针逐渐增大，决定步进电机由静止到最高速的时间，一般调到2－4刻度。

在稳态接力器不动的工况下，微调驱动器低速及响应电位器使得步进电机上的操作手柄有明显的微微颤动，以克服机械响应的滞后和死区。

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4.3 比例数字式冗余调速器 4.3.1 产品简介

比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器，是三联公司将大中小型调速器中取得的丰富经验移植、优化而开发出来的新一代调速器；适用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组的自动调节与控制。本系列调速器的额定工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa，主配压阀直径为80mm、100mm、150mm、200mm、250 mm。它能使水轮发电机组在各种工况下稳定运行，可实现机组的自

动或手动开、停机，并网运行，调节机组负荷，事故紧急停机等。

机械部分主要包括冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成无明管、静态无油耗的脉宽、脉幅脉宽的控制型式。

PSWT型为单调节型。只有导叶控制部分,PSW（S）T型为双重调节型，具有导叶控制和桨叶控制两部分，二者之间由电气协联。机械部分不设协联装置，二者原理和结构基本相同。其中导叶控制部分具有紧急停机装置，并可根据用户要求提供分段关闭装置。而桨叶控制部分没有紧急停机装置和分段关闭装置。

其工作原理如下：

电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，放大器输出模拟量（-10V～10V）信号使比例阀产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，而数字阀控制的时候是由放大器输出脉冲信号到高速数字球阀，改变油路来推动引导阀动作，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相

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等为止。

4.3.2 系统结构

1）结构说明

机械部分主要包括两套互为热备用的电液转换机构、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。

机械部分由比例伺服阀＋数字阀＋机械手动组成机械冗余结构。比例伺服阀以及数字阀都起电液转换作用，将电气信号变成接力器行程，当比例伺服阀转换器作为主用时，数字阀转换器作为备用，也可以作为机械手动。当数字阀作为主用时，比例伺服阀转换器作为备用，如果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路电液转换环节。

随着液压技术的发展，高速数字球阀成为近年来液压传动领域中发展起来的一种新的液压元件，它具有工作压力高，密封性能好，换向频率高（≤3ms），可靠性高，寿命长。

它采用钢球线接触形式密封，抗油污和防卡能力强它是一般先导控制和小功率液压控制回路最理想的元件。因此用它作为前置级控制的调速器机械液压系统由三联公

司在98年率先推出，并获得国家专利，它采用非线搭叠窗口和脉冲补偿的结构，无油压冲击，动作平稳可靠。

采用全数字高速电子球阀组成机械液压系统的手动或

者自动的前置级，高速电子球阀可实现手动调节和自动控制。其速动性好、机械防卡性能好、对油质要求低、油过滤>140μ，静态无油耗、无机械零位调整和飘移。性能可靠、死区小、灵敏度高、安装调试方便、免维护。

将比例阀伺服阀与高速数字球阀容于一体，它的最大特点就是实现了机械液压系统

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前置级的冗余容错控制，两者间可互为手、自动，一般调速器的机械液压系统普遍采用自动运行方式和手动运行方式。而机械手动一般用在电气事故、停电、电液转换环节故障、试验、大修后第一次开机等工况，使用率非常低，而且需要人为监护操作，难以准确定位，操作很不方便。

所以我们将机械手动改为数字球阀来实现开、关机操作，它不但可以用高速数字球阀上的手动按钮实现人为操作，也可以用电流信号来进行自动控制，以及远方操作，实际上它也是一个电液转换环节。

2）电液转换环节

主要性能满足本技术规范要求中的调速系统性能指标要求，具有良好的抗油污能力。 （1） 德国BOSCH比例伺服阀；

德国HAWE高速数字球阀， 型号：DC-C400MM，工作电源；DC24V 1.2A。 滞环 <0.2% 重复性 <0.1%

阶跃信号调节时间<10ms 响应频宽20～70Hz

（2）机械部分具有以下几种操作方式： 比例阀伺服阀自动，高速数字球阀为备用方式

当电气检测到比例阀伺服阀电转出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将数字球阀作为自动方式运行。

高速数字球阀自动，比例阀伺服阀备用方式

当电气检测到数字球阀出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将比例阀伺服阀作为自动方式运行，数字球阀作为备用运行方式。

（3）机械手动方式

由高速数字球阀上的手动操作按钮构成的机械手动满足黑启动和黑操作的手动运行要求。

因此这种冗余容错的机械液压系统将传统的机械手动操作赋予一个全新的概念和功能，实现了引导阀的位移控制和流量控制(比例阀伺服阀是位移控制，数字球阀是流量控制)，两者之间既可人为选择，也可由电气自动切换。

PSW（S）T调速器额定工作油压为2.5 Mpa 、4.0 Mpa 、6.3Mpa，导叶接力器的全关和全开时间3～100s范围内独立可调。并采用双螺母互锁和两螺钉固定的方式锁定接力器开启和关闭时间的整定值，安全可靠，一经调定不会改变。

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五 调速器的调试步骤

5.1 通电检查

试验条件：电气控制柜配线完成。

根据图纸检查柜内配线正确无误，端子外接线正确。检查工作电源和供电回路。 AC220V、DC220V（或DC110V）回路配线不得与DC24V、DC±12V、AV5V回路串接，否则会损坏元器件。

5.2 试验准备工作 5.2.1 接力器的反馈调整

试验条件：电气控制柜接入工作电源；电气柜到机械柜的配线完成；接力器与调速器连接油路配管完成；调速器油压装置具备工作压力。

接力器反馈调整的目的是使电气采集数据换算后能够准确反映接力器的实际位置，而导叶位置反馈是调速器调节系统重要的调节依据。

我们生产的通用型导叶位置传感器利用用两个电位器组合把位移转化为电压信号，输入到AD转换模块转换为接力器的位置数据。原理如下图，电位器1为反馈增益调整，电位器2输出反映接力器位置，调整反馈零点。 输出+15V电位器 1电位器 2 具体方法是： a 开、关接力器，确认反馈接线正确，观察导叶反馈值变化是否与动作相符。若指示与运动方向相反，把电位器2的1、3两脚互换。

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b 机手动把接力器全关，松开电位器2与接力器的连接。调整反馈电位器2，使电位器2的2脚输出电压在0.08～0.15V，固定电位器2与接力器的连接，使电位器输出可以随接力器的开关相应变化。在触摸屏上导叶反馈调整画面设置测量零点（对应导叶全关时PLC实测值）和显示零点值（0.00%）。调整开度表面板螺丝，使指针指示0.00%位置。

c 手动把接力器全开，调整电位器1使2脚输出在9.85～9.90V之间，在触摸屏上导叶反馈调整画面设置导叶测量增益（对应导叶全开时PLC实测值）和显示增益（99.99%或100%）。调整开度表后电位器，使指针指示在100%位置。

重复b、c操作，观察反馈显示是否正确。

另外采用其他厂家生产的位置传感器则参照说明书进行调整。

5.2.2 开关机时间整定

试验条件：接力器与调速器连接油路配管完成；调速器油压装置具备工作压力；接力器与导水机构连接安装调整结束。

根据设计院或者主机厂家提供的数据，整定最快开关机时间。方法是调整机械开关调整螺母，原理是调整回油油路的节流阀。数字式调速器和步进式以及比例式调速器调整螺母的位置不同（见实物）。

5.2.3 电机反馈调整（仅步进式和比例式）

引导阀带动传感器轴上下移动，改变传感器输出电阻，把位移转换成电压信号输出。 机手动使接力器位于中间任意位置，调整传感器移动轴与引导阀的连接螺母，使传感器输出为4.95V～5.05V之间（若传感器输入为0V—10V）或者0V（对地）左右（传感器输入为－10V—10V）。后来生产的调速器对电压数值无要求，只需调整在一中间位置，原则是满足引导阀所有的行程在传感器的可用范围内，然后在触摸屏上小反馈调整画面设置对应于实际测量值的中间值。

5.2.4 功率反馈调整

一般功率信号采用4～20mA输入，和导叶反馈调整同理设置相应的测量值与显示值。

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5.2.5 水头反馈调整

水头测量切自动，和导叶以及功率反馈调整同理设置相应的测量值与显示值。

5.2.6 电机驱动调整（仅步进式）

调整开度表后W2使驱动器speed对Gnd端电压为3.3～3.5V。 调整驱动器stop current旋钮（停止电流）在7 调整驱动器run current旋钮（启动电流）在7 调整驱动器low speed（0V对应的转速）在4～5 调整驱动器high speed（5V对应的转速）在4～5

调整驱动器grow time旋钮（转速上升时间），一般在2～4

在稳态接力器不动的自动或电手动工况下，微调驱动器low speed及grow time电位器使得步进电机上的操作手柄有明显的微微颤动，以克服机械响应的滞后和死区。

5.2.7 测频检查

用端子AC5V作为网频信号源，用频率信号发生器作为机频信号源，改变发出的信号频率，检查测频是否正确。

把调速器切换到自动跟踪工况，观察机频显示是否有变化。

在不跟踪状态，机频显示应与实际频率一致，在跟踪状态，网频变化会导致机频显示与实际频率不一致。

5.3 无水试验

试验条件：除试验准备工作完成外，需具备油压装置自动工作；现场水机部分安装完成，允许接力器动作；完成电气柜端子所有的外部接线。

5.3.1 静特性试验

①置调速器于空载状态或负载状态（模拟断路器合）频率调节模式。设置永态转差系数bp=6%，PID调节参数最小值bt=3%，td=3%，tn=0s，频率给定fg=50Hz，频率死区Ef=0Hz，调速器不跟踪状态。

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②把电气开限放到最大，导叶开度给定0%使接力器全关。

③打开触摸屏静特性试验画面，按开始按钮使其自动试验。频给将从50Hz开始每0.3Hz变化一次，先增加到53Hz，然后再下降到50Hz，使接力器单调上升或下降，接力器每次变化稳定后，自动记录本次信号频率给定值及相应的接力器开度，自动生成频给升高和降低时的静态特性曲线。试验结束后自动计算转速死区及实测bp值。

④试验数据表：

fg（Hz） 50.0 50.3 50.6 50.9 51.2 51.5 51.8 52.1 52.4 52.7 53.0 导叶Y↑ 导叶Y↓ ⑤试验结果：

转速死区：Ix= %% 实测bp值：bp= %

国家标准：GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.3.2规定：对于大型调速器转速死区Ix≤0.04%，中小型调速器转速死区Ix≤0.1%。

5.3.2 调速器运行状态切换试验

将调速器端子的5V工频信号作为模拟机频和网频输入，将接力器开到任意开度，模拟机组断路器合，调速器负载运行状态；操作调速器使其在机手动—电手动—自动相互切换，观察切换前后接力器开度是否稳定。

在同样的工作条件下，切换调速器工作电源：

分别记录交直流同时工作，交流单独工作，直流单独工作时接力器开度的稳定值。观察几个值之间的差值。

国家标准：GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.6.10.1电气装置的工作电源和备用电源相互切换时或多微机电调的工作机和备用机切换时，接力器的行程变化相对值不得超过1%。

5.3.3 故障冗错试验

将调速器端子的5V工频信号作为模拟机频和网频输入，将接力器开到任意开度，模拟机组断路器合，调速器负载运行状态。分别断开机频信号、网频信号、接力器反馈

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信号模拟机频故障、网频故障以及导叶反馈断线故障。观察故障报错是否正确，观察机、网频故障和接力器故障前和故障复归后接力器行程的变化量。

模拟电源消失，要求接力器开度保持。负载工况，再投电源，接力器开度不变。 步进式和比例式调速器要模拟电机反馈故障前与复归后的接力器行程变化。 国家标准：GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.6.10.3对于大型电调和重要电站的中型电调，当测速装置输入信号消失时应能保证机组负荷，同时要求不影响机组的正常停机和事故停机。

5.3.4 模拟紧急停机试验

将调速器端子的5V工频信号作为模拟机频和网频输入，将接力器开到任意开度，模拟机组断路器合，调速器负载运行状态。由二次回路发出紧急停机令，使接力器全关。检验调速器紧急停机部分的工作可靠性。

5.4 动态调试

试验条件：具备并网发电条件，调速器静态试验合格。

5.4.1 手动开机

调速器第一次开机采用机手动或电手动（先打开开限，再增加开度给定）开机，观察机频调整导叶开度使其稳定在50Hz左右，使机组稳定在额定转速，此时的开度为空载开度，据此开度并参考当时的水头状况，设置调速器参数设定画面里的“空载最大开度”和“空载最小开度”。记录三分钟内频率摆动最大值，即机组自身的空载摆动值。

5.4.2 空载频率摆动

切换调速器到自动控制方式，机频不跟踪网频，调整PID参数，优化频率摆动。 bt：暂态转差系数，增大bt值，能改善调节系统稳定性，减少调节过程最大超调量，减少振荡次数，有利于改善动态品质；bt过大，调速器动作过慢，反会增大超调量，调速器调节时间长；减小bt值，使调速器调节灵敏，可降低空载频率摆动幅度，但过小会导致频率摆动频繁，接力器反复动作。

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开、关放大倍数：放大倍数越大，系统稳定性越好，但过大会导致超调，接力器反复频率高，恶化系统稳定性。开、关放大倍数之间要比例适当，否则会造成接力器动作相对控制输出偏开或偏关。

开度调节死区：死区大会减少接力器频繁动作，降低调节的灵敏度，改善系统稳定性。但是过大会导致接力器动作反应迟缓，造成频率摆动的幅度增大或则负载状态下功率调节误差大。

PWM：最小调节脉冲宽度，它反映了接力器动作的最小反应脉宽以及每个脉宽动作的幅度。脉宽太小会导致接力器在小范围内拒动，过大会导致接力器超调、反复抽动。

国家标准：GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》3.2.3规定水轮发电机组应能载手动各种工况下稳定运行。在手动空载工况下（发电机励磁调节器载自动方式下运行）运行时水轮发电机组转速摆动相对值对应大型调速器不超过±0.2%；对应中小型调速器不超过±0.3%；国家标准：GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.4.1规定对应大型调速器转速摆动相对值不超过±0.15%；对应中小型调速器不超过±0.25%。如果手动空载转速摆动相对值大于规定值，其自动空载转速摆动值不得大于相应手动空载转速摆动值。

5.4.3 空载频率扰动

空载频率摆动合格，置调速器不跟踪模式，改变频率给定从48Hz跃变到52Hz（上扰），稳定后再改变频率给定从52Hz跃变到48Hz（下扰）。记录机组频率和接力器行程的过度过程，检验PID参数设定是否满足超调量小、波动次数少、稳定快。

5.4.4 自动开、停机

接收到开机令，调速器由停机联锁状态转入开机过程，自动将开度给定和电开限增加，导叶开度开至开机顶点，转速迅速上升，当机频升至45Hz，开度给定减小到空载开度给定，以保证开机转速不致过高。调速器转换到空载状态，自动调整导叶开度使机组频率跟踪系统频率，使机组转速稳定在额定转速附近。接收到停机令，将接力器关至全关，等待机频减小低于35Hz时，调速器进入停机联锁状态。下图为机组理想的开机曲线：

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5.4.5 甩负荷试验

六 一次调频功能

6.1 一次调频和二次调频的基本概念

由于电力系统负荷的不断变化，导致了电网频率的波动，根据电网频率偏离50Hz的方向和数值来不断地调节水轮机发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在规定的范围内，这就是水轮机调节的基本任务。

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，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AGC来实现的。

6.2 发电机组调速系统一次调频静态特性

机组原始工况：静特性曲线1(Pc1)上A点：机组目标功率Pc1；机组实际功率P1；机组频率f1；调速系统调差系数ep（速度变动率）。

电网发生功率缺额，折算到机组的功率缺额：P3－P1；

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1（Pc1），频率应降至f3，各机组根据频率偏差进行一次调频，使机组增发了功率ΔPf=P2－P1，电网频率为B点f2。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f2，不可能恢复到扰动前的f1。

二次调频作用：若电网二次调频将该机组的目

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标功率由Pc1修正为Pc2，则机组调速系统静特性由特性曲线1（Pc1）变为特性曲线2（Pc2）。最后的调节结果为特性曲线2（Pc2）上C点：调速系统调差系数（速度变动率）ep、机组目标功率Pc2、机组实际功率P3、机组频率f1；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Δf和功率调差系数ep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AGC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(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节，最终达到电网功率平衡和频率恢复规定的范围之内。

6.3 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（速度变动率）、频率人工失灵区（频率死区）和PID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。

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控制系统LCU。

调速器内部一次调频主要参数如下：

1.速度变动率即调差系数bp范围为0～10%，实际值与设定值的相对偏差小于5%。（水电机组一般为3％～4％）

2．静态特性曲线应近似为直线。非线性度误差小于5%。（实际小于1%）

3．调速系统的迟缓率即测至主接力器的转速死区转速死区小于0.04%。（实际小于0.02%） 4．机组参与一次调频的频率死区范围为?0.001 Hz～?0.500Hz。分辨率0.001Hz

6.4 国家电网对参与一次调频机组的要求

频率（转速）死区：

1).参与一次调频的电液型汽轮机调节控制系统的火电机组频率（转速）死区控制在±0.033Hz（±2r/min）内；

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2).机械、液压调节控制系统的火电机组的频率（转速）死区控制在±0.10Hz（±6r/min）内；

3). 参与一次调频的水电机组的频率（转速）死区控制在±0.05Hz内。 （功率）调差系数（速度变动率）

ep：3%～5%（其中：火电机组4%～5%、水电机组3%～4%） 性能指标

1）．当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次调频负荷响应滞后时间额定水头大于50米的水电机组应小于4 秒，额定水头小于50米的水电机组应小于8 秒。

2)．当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组能在15秒内达到一次调频调整幅度（响应目标）的90％。

3)．机组参与一次调频过程中，当电网频率稳定后，在1 分钟内，机组负荷达到稳定所需的时间为一次调频稳定时间。该时间是剔除了机组投入机组协调（成组）控制系统或自动发电控制(AGC)运行时负荷指令变化因素的。

4)．在电网频率变化超过机组一次调频死区的前45秒内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值应在机组额定有功出力的±3%内。机组投入机组协调控制系统或自动发电控制(AGC)运行时，应剔除负荷指令变化的因素。

5)．机组参与一次调频的最大调整负荷限幅可以在±5％～±10％之间设定。（一般对参与一次调频的水电机组负荷变化幅度不加限制）

6.5 水电机组调速系统一次调频功能的试验

检验在一次调频运行方式下，机组出力随频率变化的响应能力，测定机组的一次调频动作滞后时间、调节时间。

机组带负荷稳定运行，调速器在自动运行方式，电气开度限制设定为100％；调差系数设定为bp=4%，频率（转速）死区设定为?0.05 Hz。

将调速器PID参数整定为所选取的一次调频PID参数。

机组带40%-50%额定负荷左右，退出机组AGC，用调速器测试仪改变输入调速器的频率，模拟改变电网频率。用调速器测试仪记录机组频率、机组出力、导叶接力器行程变化过程曲线。见下图：（最大出力为80MW对混流机组，一次调频过程的机组出力限制范围在调速器参数中设定为8%）

一次调频动态特性试验过程曲线 (bt=6%、Td=6 s、Tn=0 s)

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七 常见故障分析及处理

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7.1 空载运行

机组自动空载频率摆动值大 原 因 机组手动空载频率摆动大 现 象 机组手动空载频率摆动达0.5-1.0Hz，自动空载频率摆动为0.3-0.6HZ 处理方法 进一步选择PID调节参数（bt、Td、Tn）和调整频率补偿系数，尽量减小机组自动空载频率摆动值，如果自动频率摆动还大于手动频率摆动值，则增大Tn 接力器反应时间常数Ty值过大或过小 机组手动空载频率摆调整电液（机械）随动系统放大系数，从而减小或加大动0.3-0.4Hz，自动空载接力器反应时间常数Ty。当调节过程中接力器出现频率频率摆动达0.3-0.6HZ,较高的抽动和过调时，应减小系统放大系数；若接力器且调节PID调节参数bt、动作迟缓，则应增大系统放大系数 Td、Tn、无明显效果 机组手动空载频率摆动0.2-0.3Hz，自动空载频率摆动小于上述值，但未达到国家要求 机组手动空载频率摆动0.2-0.3Hz，自动空载频率摆动大于等于上述值，调PID参数无明显改善 被控机组频率跟踪于待并电网，而电网频率摆动大导致机组频率摆动大 合理选择PID调节参数，适当的增大系统放大系数，特别注意它们之间的配合。 PID调节参数bt、Td、Tn整定不合适 接力器至导水机构或导水机构的机械与电气反馈装置之间有过大的死区 被控机组并入的电网是小电网，电网频率摆动大 处理机械与反馈机构的间隙减小死区 调整PLC微机调速器的PID调节参数：bt、Td向减小的方向改变，Tn向稍大的方向改变 7.2 负载运行

并网运行机组溜负荷

原因 电网频率升高，调速器转入调差率（bp）的频率调节，负荷减少 电液转换环节或引导阀卡阻 机组断路器误动作 接力器行程电气反馈装置松动变位 调速器开启方向的器件接触不良或失效 现象 处理方法 接力器开度（机组所带负荷）与电网频率的如果被控机组并入大电网运行，且不起电网调频作用，关系正常，调速器由开可取较大的bp值或加大频率失灵区E，尽量使调速器载度/功率调节模式自动开度模式或功率模式下工作。 切至频率调节模式工作 控制输出与导叶实际检查并处理导叶转换器： 开度相差较大，如果是切换并清洗滤油器 冗余电转已经切换，如检查电液转换器并排除卡阻现象 果是无油电转则引导阀检查引导阀，活塞，密封圈 卡阻 机组负荷突降至零，启动断路器容错功能，电厂对断路器辅助接点采取可并维持零负荷运行 靠接触的措施 控制输出与导叶反馈基本一致，导叶实际开重新校对导叶反馈的零点和满度，且可靠固定 度明显小于导叶电气指示值 调速器不能正常开检查或更换电气开启方向的元件，检查开方向的数字启，但能关闭，平衡指球阀和主配位置反馈，如果是主配反馈的问题，更换后示有开启信号 需重新调整电气零点 第 49 页

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7.3 接力器

调速器接力器抽动 原因 调速器外部干扰 现象 调速器外部功率较大的电气设备启动/停止 调速器外部直流继电器或电磁铁动作/断开 处理方法 调速器的壳体的接地所有的接地应与大地牢固连接， 机组频率的差频干扰 接线松动、接触不良 导叶接力器反应时间常数TY值偏小 调速器的内部信号与大地之间的绝缘电阻应大于50Ω 外部直流继电器或电磁铁线圈加装反向并接（续流）二级管；接点两端并接阻容吸收器件（100Ω电阻与630V，0.1μF电容器串联） 多出现于开机过程 中，机组转速未达到额机组频率信号(残压信号/齿盘信号)均应采用各自的定转速，残压过低；或带屏蔽的双绞线至调速器，屏蔽层应可靠的一点接地。机组空载，未投入励磁、机频信号线不要与强动力电源线或脉冲信号线平行、靠机组大修后第一次开近，机频隔离变压器远离网频隔离变压器和电源变压器 机，残压过低 抖动现象无明显规律，似乎与机组运行振将所有的端子及内部接线端重新加固 动区、运行人员操作有一定联系 调速器在较大幅度运动时主配压阀跳动、油减小系统的放大系数，加大主配反馈放大倍数 管抖动、接力器运动出现过头现象 7.4 甩负荷

甩负荷问题 原因 PID调节程序中负限幅值过于靠近导叶接力器零值 PID调节程序中负限幅过于离开导叶接力器零值 导叶接力器关闭时间过短 导叶接力器关闭时间过长 两段关闭特性不合要求 调速器转速死区ix偏大 现象 甩100％负荷过程中，导叶接力器关闭到最小开度后，开启过快，使机组频率超过3％额定频率的波峰过多，调节时间过长 甩100％负荷过程中，导叶接力器关闭到最小开度后，开启过于迟缓，使机组频率低于额定值的负波峰过大，调节时间过长 甩>75％额定负荷过程中的水压上升值过大 甩>75％额定负荷过程中的机组转速上升值过大 甩>75％额定负荷过程中的水压上升或机组转速上升值过大 甩>25％额定负荷时，导叶接力器的不动时间过长 处理方法 对单调机组PID的负限幅值应设置为10％－15％，使导叶接力器关闭到最小开度后的停留时间加长。缩短大波动过渡过程的时间。 转浆、灯泡机组PID的负限幅值应设置为0－5％，使导叶接力器关闭到最小开度后的停留时间缩短，抑制机组转速下降太多，避免失磁。 按调节保证计算，加长导叶接力器关闭时间值 按调节保证计算，缩短导叶接力器关闭时间 按调节保证计算，调整两段关机速度及拐点 检查机械液压系统的各级连接环节以减小死区，并加大Tn（加速度时间常数），尽量在网频≥50Hz时甩负荷 完善机组二次回路电源接线，防止机组油开关辅助继电器误动作 启动断路器容错功能，调速器程序中对油开关辅助节点进行智能处理 机组油开关未动作，仍在 “合上”位置，但送给调速机组油开关节器的机组油开关接点断开，点误动作（断开） 导致甩负荷或减负荷 第 50 页

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