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《抽水蓄能电站机组控制与调节》介绍了当前国内主流的、成熟的抽水蓄能电站控制流程、试验等，重点分析了机组控制与调节系统 (调速器) 的原理和方法、系统组成及结构、系统建模与仿真，同时阐述了电站控制与调节系统的调试、机组过渡过程等，并探讨了可变速抽水蓄能调速系统、智能抽水蓄能电站技术、调速系统状态监测及故障诊断等新技术发展和应用趋势，*后通过工程实例对抽水蓄能电站机组控制与调节系统进行了全面论述。《抽水蓄能电站机组控制与调节》将理论与实践相结合，内容全面、通俗易懂、指导性强。
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目录第1章 抽水蓄能电站机组控制与调节概述 11.1 抽水蓄能基本原理 11.2 水轮机调速器的控制策略和结构 21.2.1 PI调节 21.2.2 PID调节 31.2.3 状态反馈 31.2.4 变调节参数控制和自校正控制 41.3 调速器装置的分类和发展 41.3.1 调速器基本分类 41.3.2 调速器发展历史 51.3.3 调速器发展趋势 7思考题 9第2章 抽水蓄能电站机组控制与调节原理和方法 102.1 机组调节系统基本原理 102.1.1 水力发电控制与水轮机调速系统 102.1.2 水轮机调节动作原理 122.1.3 水轮机调节系统的基本结构 152.2 调节系统的静态特性 162.2.1 系统静态特性 172.2.2 调速器静态特性 172.2.3 调节系统与调速器静态特性关系 182.2.4 静态特性表征参量 202.3 调节系统的动态特性 232.3.1 水轮机控制系统动态特性 242.3.2 水轮机调速器动态特性 262.4 机组调节系统基本控制 302.4.1 调速器工况和模式 302.4.2 调速器典型控制模式 312.4.3 调速器一次调频 342.5 机组调节系统基本性能指标 362.5.1 过渡过程品质指标 362.5.2 标准中部分对动态特性的规定 372.5.3 标准中部分对静态特性的规定 402.6 机组调节系统典型工况及控制流程 412.6.1 发电工况 432.6.2 抽水工况 452.7 机组调节系统基本调节策略和方法 462.7.1 开机调节 462.7.2 发电调节 502.7.3 抽水调节 53思考题 54第3章 抽水蓄能电站机组控制与调节系统组成及结构 553.1 电气控制系统结构 553.1.1 电气控制单元 553.1.2 反馈测量单元 593.1.3 输出控制单元 613.2 机械液压控制系统结构 633.2.1 主配压阀 633.2.2 事故配压阀 673.2.3 分段关闭阀 703.3 液压蓄能系统结构 74思考题 81第4章 抽水蓄能电站机组建模与仿真 824.1 调速器数学模型 824.1.1 微机调速器数学模型 824.1.2 执行机构数学模型 824.1.3 引水系统数学模型 834.2 水泵水轮机数学模型 854.2.1 基于全特性的模型 854.2.2 IEEE模型 874.2.3 简化模型 884.3 发电机模型 884.3.1 三阶发电机模型 884.3.2 一阶发电机模型 914.4 励磁控制单元 914.5 抽水蓄能电站机组整体系统模型 92思考题 95第5章 控制与调节系统试验 965.1 静态试验 965.1.1 主配压阀零位调整 965.1.2 导叶接力器全开全关及分段关闭调整 975.1.3 导叶阶跃试验 985.1.4 静态特性试验 995.2 动态试验 1015.2.1 空载频率阶跃试验 1015.2.2 功率阶跃扰动试验 1025.2.3 甩负荷试验 1035.2.4 一次调频试验 1055.2.5 参数辨识试验 1075.2.6 SFC启动及背靠背启动 1125.2.7 抽水调相及抽水工况试验 1135.2.8 水泵断电事故停机试验 114思考题 114第6章 控制与调节系统新型控制方法应用 1156.1 可变速抽水蓄能电站机组的控制与调节 1156.1.1 原理简述 1156.1.2 变速抽水蓄能电站机组运行控制策略 1166.1.3 发电工况下的控制策略 1176.1.4 水泵工况下的控制策略 1196.2 智能抽水蓄能电站调速系统 1196.2.1 发展现状 1206.2.2 总体要求 1206.2.3 设计方案 1216.2.4 调速系统功能 1226.3 调速系统状态监测及故障诊断 1236.3.1 总体结构 1236.3.2 特征指标计算及性能分析 1246.3.3 实时监测画面 126思考题 128第7章 抽水蓄能电站机组过渡过程 1297.1 过渡过程的计算理论 1307.1.1 水击现象及其传播速度 1307.1.2 直接水击与间接水击 1327.2 水击压力计算 1357.2.1 直接水击压力计算 1357.2.2 间接水击压力计算 1357.2.3 调节保证计算中的水击计算 1377.3 转速上升计算 1397.3.1 转速上升公式推导 1397.3.2 转速上升公式参数确定 1407.3.3 **公式 1437.4 调节保证计算步骤与实例 1457.4.1 调节保证计算步骤 1457.4.2 调节保证计算实例 1457.5 抽蓄机组的水力过渡过程 1487.5.1 机组关闭规律特殊性 1497.5.2 特殊计算工况考虑 1507.5.3 小波动调节过程复杂 1507.5.4 压力脉动及尾水管*小压力计算成果的设计取值 1517.5.5 注意事项 152思考题 152第8章 抽水蓄能电站机组调速系统实例 1538.1 某抽水蓄能电站调速器控制与调节系统组成 1538.1.1 某抽水蓄能电站电气控制系统 1538.1.2 某抽水蓄能电站机械液压控制系统 1568.2 某抽水蓄能电站调速器控制与调节系统原理 1588.2.1 电气控制调节系统原理 1588.2.2 液压控制调节系统原理 1598.3 某抽水蓄能电站调速器控制与调节系统试验 1638.3.1 自动开停机试验 1638.3.2 并网发电工况试验 1648.3.3 水泵工况试验 1688.3.4 试验结论 172思考题参考答案 172参考文献 173
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第1章 抽水蓄能电站机组控制与调节概述 本章主要讲述抽水蓄能基本原理、水轮机调节的基本控制策略和结构、机组调速器装置分类和技术发展趋势等，对抽水蓄能电站机组控制与调节进行总体概述。 1.1 抽水蓄能基本原理 从图1-1中可以看出，抽水蓄能电站机组主要包括水泵水轮机及其有压过水系统、发电机电动机和电力网，可分为水电站机电输水系统和抽水机系统两部分。水泵水轮机兼具电动机和发电机两种基本功能。在电力系统负荷高峰时，水轮机运行，从上水库向下水库放水，通过调速器调整水轮机导叶开度，将水的势能转换为机组旋转的机械能，再通过发电机将机械能转换为电能；在电力系统负荷低谷时，水泵运行，用低谷时的剩余电能从下水库向上水库抽水，通过调速器的自动调节，自动根据水泵扬程调整导叶开度，从而以较高效率将电能转换为水的势能储存起来。 图1-1 抽水蓄能电站工作原理示意图 抽水蓄能电站机组水轮机调节的基本任务是，当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变流入水轮机的流量，以使水轮机转矩与发电机负荷转矩达到新的平衡，维持频率在规定的范围之内。水轮机调节系统除了完成调节机组频率这一任务外，还具有多种控制功能，如机组启动、停机、工况转换、增减负荷、抽水、调相等功能。具体归纳起来，主要有以下几点基本任务。 (1)空载机组起动保持在额定转速附近，跟踪网频以使得机组转速具备并网条件。 (2)并网发电，接收监控系统下达的功率指令，调节机组有功功率（简称有功）。 (3)根据系统频率的变化，完成一次调频或响应二次调频的负荷要求。 (4)完成机组开停机、工况转换、紧急停机、事故停机等控制和保护机组的功能。 (5)完成抽水、调相等基本功能要求。 随着现代电力系统规模不断扩大，单台发电机的容量在整个系统的总容量中所占的比重越来越小。在发电机与系统并网后，发电机的转速已经不能有较大变化，调速器这时所调节的实际上是水轮机的输出转矩，它正比于发电机的输出功率。当电力系统中发生大的扰动时，将引发电力系统的机电暂态过程，引起机组转子摇摆。如果干扰过大，发电机组又没有得到适当的控制，机组可能会失去同步。早期的水轮机导叶开度调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节的。随着控制理论的发展，调速器已经有所改进，以改善水轮发电机组适应电网的调节能力。 1.2 水轮机调速器的控制策略和结构 水轮机控制策略从较早的20世纪70年代发展到21世纪初，经历了一个不断改进的过程。 1.2.1 PI调节 早期的调速器是机械液压型的。根据其反馈系统的结构，可以分为两种：一种是从主接力器引出反馈，称为辅助接力器型；另一种是从中间接力器引出反馈，称为中间接力器型。 图1-2所示为采用从主接力器引出反馈的调速器的传递函数结构图。图中输入是速度偏差，输出是导水机构行程。从理论上讲，辅助接力器型和中间接力器型的动态特性是相近的，但工程实践表明，中间接力器型的动态特性往往比较容易满足要求，其重要原因之一是在工程上主接力器处于水轮机更外围，其反馈系统较长，杠杆较多，易产生死区，从而导致动态特性恶化；而中间接力器位于调速器箱内，易于保证反馈质量。 通常辅助接力器时间常数较和小得多，为0.1～0.01s，可简化为0，图1-2所示传递函数可简化为 式中，为辅助接力器增益，为主接力器时间常数；为暂态转差系数；为暂态反馈（软反馈）时间常数；为永态转差系数。在时，传递函数近似为 这种比例+积分的控制方式调节响应时间较长，不能很好地满足对调节特性的需要。 1.2.2 PID调节 为了改善调节性能，在比例-积分的基础上增加了微分环节，这便是PID控制方式。其传递函数为 PID控制主要适用于低频、不太复杂的线性系统，其物理概念清晰，易于实现，目前也是水轮机调速器中应用*广泛、技术*成熟的一种控制规律。由于微处理器在水轮机调速器上的大量使用，PID控制目前大多数由软件来实现。图1-3所示的结构比较常用，称为**PID控制。 图1-3中，输入的是转速偏差，输出的是与偏差成比例的控制量。永态转差系数取自PID综合输出。**PID控制传递函数为 实现PID控制的具体结构有很多，例如，在原有的PI反馈调节环节上增加测量加速度的回路。到目前为止，大量的调速器仍采用PID控制规律。为了改善水轮机的动态性能，提高输电系统的稳定性，PID调速器的参数优化成为一项重要的研究课题。 1.2.3 状态反馈 对于图1-4所示的系统，设控制对象的状态方程和输出方程为 此系统是完全可控的。引入状态反馈，其中K是状态反馈增益矩阵，则闭环系统状态方程可写成： 根据现代控制理论，如果系统是完全可控的，那么对于任意一种给定的闭环系统极点配置，总可以找到一个相应的秩为1的状态反馈增益矩阵K。 1.2.4 变调节参数控制和自校正控制 变调节参数控制是将变增益控制方法用于调速器，进一步改进系统性能，把运行工况分成若干子集，对每个子集确定一组最佳调节参数，并储存于控制机中。在运行时，实测运行工况，并相应改变增益。 根据选择方法的增益，采用这种控制技术的增益变化是不连续的。 自校正控制有*小方差控制、极点配置自校正控制、零极点配置自校正控制等几种形式。*小方差控制以*小二乘参数估计法估计对象参数。当被估计的参数值收敛于某一数值时，根据估计模型可得到输出量偏差的方差*小化控制。 1.3 调速器装置的分类和发展 1.3.1 调速器基本分类 水轮机调速器品种繁多，形式多样，根据不同分类方法可分为不同形式的调速器。 1.按工作容量分类 调速器工作容量，也称为调速器操作功，指调速器操作水轮机导叶的工作能力，以力矩(N？m)计算。受控水轮机出力一般为几百千瓦到几十万千瓦，调速器可分为以下四种。 (1)特小型调速器：工作容量小于3kN？m； (2)小型调速器：工作容量为3～15kN？m； (3)中型调速器：工作容量为15～50kN？m； (4)大、巨型调速器：工作容量大于50kN？m，按放大执行元件中的主配压阀直径(80mm、100mm、150mm、200mm、250mm)形成标准系列。 2.按供油方式分类 调速器的压力油供给方式有直接和间接两种，可分为通流式和压力罐式。 (1)通流式调速器中的油泵连续运行，直接供给调速器的调节过程用油，在非调节过程中，由限压溢流阀将油泵输出的油全部回到集油箱，工作中油流反复循环不息，设备简单，造价低，主要用于特小、小型调速器。 (2)压力罐式调速器有专门的油压设备，其中油泵断续运行，维持压力罐的压力和油位，再由压力罐随时提供给调速器调节过程用油，因而设备复杂、造价高，主要用于中、大型调速器。 压力罐式调速器又分为组合式和分离式。整个调速器（包括执行元件——接力器）和油压设备组合成一体的，称为组合式调速器，主要用于中、小型调速设备；调速器的主接力器和油压设备均分别*立设置的，称为分离式调速器，主要用于大、巨型调速设备。 3.按调节机构分类 调速器调节机构按数目可分为单调节调速器和双重调节调速器两种。单调节调速器只有一个调速器调节机构，如混流式水轮机调速器和抽水蓄能水轮机调速器都是单调节调速器，只具有导叶调节机构；双重调节调速器有两个流量调节机构，如转桨式水轮机调速器、贯流式水轮机调速器和冲击式水轮机调速器都是双重调节调速器，其中转桨式和贯流式水轮机调速器具有导叶和桨叶两套调节机构，冲击式水轮机调速器具有导叶和折向器两套调节机构。 1.3.2 调速器发展历史 根据调速器的发展演变，调速器可分为机械液压型和电气液压型两大类，其中电气液压型又分为模拟型电气液压调速器和微型机电气液压调速器。 1.机械液压型调速器 机械液压型调速器简称机调型，其主要单元元件均为机械和机械液压元件。机械液压型调速器的方框图如图1-5所示。 机械液压型调速器测速装置有两类离心摆，信号的综合元件采用引导阀及杠杆。放大执行元件主要由主配压阀和主接力器组成。反馈元件采用缓冲器和硬反馈调差机构，它们也是机械液压元件。 离心摆输入的转速信号经专门用于测机组转速的永磁发电机并从（小）辅接力器上可取出的机械反馈回综合单元，这是个局部反馈信号，它使一级液压放大器的积分环节变为一阶的惯性环节。辅助接力器给出带动主配压阀，然后由主接力器控制导水机构。主接力器行程经缓冲器及硬反馈的作用是调整调速器的永态转差系数的为一套杠杆将反馈信号送回综合单元，该调整负全责综合单元，同时还经硬反馈调整机构。 2.模拟型电气液压调速器 模拟型电气液压调速器简称电调型，一般采用“全电—气—液”型或“电—液”型动系统组成，如加图1-6所示。该调速器的有关的测量元件一般采用电气测量和电磁测量元件，综合单元有的采用综合放大器，有的采用电微分器电路，软反馈单元采用实际微分电路，硬反馈单元采用测频电路，有的还带有测加速度回路。此外，硬反馈调差单元和功率给定等也都是电气电路。另外，增加了连接电气部分与液压部分的综合放大器和电液转换器单元，电气信号的位移传感器，即图1-6中的用线框表示的位移传感器部分。 3.微型机电气液压调速器 微型机电气液压调速器由微机或微处理器，如图1-7所示，而机械液压元件部分基本相同。目前，微型机调速器的伺服系统一般采用电液比例伺服阀或步进电机等，如图1-7所示的综合放大器、电液转换器和辅接力器组合单元。微型机调速器的控制通常采用PID或大型水轮机PID型，而这些调节规律的实现采用软件（即数字采样）来完成的。 此外，调速器可以按调节规律的不同分为PI型和PID型，PI调节规律是指调速器输出的调节信号通过对偏差信号按比例放大与积分相加而形成，用于控制导水机构。PID调节规律是指调速器输出的调节信号通过对偏差信号进行“微分和积分及比例放大”三部分相
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