课题名称水轮机制动系统系别机电系专业电气工程与自动化班级姓名学号指导教师起讫时间：年月日～年月日（共周）毕业设计（论文）开题报告水轮机制动系统引言：20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。

随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。

摘要：水电站的有功调节通常是通过调速器实现的，但当水轮机组并入电网运行时，对于单台发电机来说转速反馈几乎不起作用。

近年来，随着自动发电控制(AGC)的需要，有功功率在控制系统中的调节品质已成为当前电力系统自动化领域的突出问题。

关键词：参考文献：200MW混流式水轮机的效率改进，水轮机原理与流体动力学计算基础，）、功率、水头、系统工作原理：如图1所示：测量元件把机组转速N（频率FN流量等参量测量出来，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桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号到信号综合点。

图1水轮机调节系统结构图一、水轮机电气控制设备系统水轮机制动系统是由水轮机电气控制设备系统和被控制系统（流体控制和PLC控制）组成的闭环系统。

水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节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，称为水轮机控制设备。

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。

(一)水轮机的选型：水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。

冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

通过查找资料；反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。

它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响，我选择较先进地反冲击式水轮机HLX180转轮，其模型额定点效率ηM=0．94。

较通常转轮高出2个百分点，最高效率圈相对扁平，额定和加权平均水头下Q1′跨度达120L/m3，n1r′非常接近最优单位转速，运行区域包括了整个最优效率区，依据效率加权因子，求得的模型加权平均效率达88．4%，额定水头下具有8．3%的超发能力，因此该转轮能量指标较高，水能利用率高。

图2 HLX180型水轮机（二）控制原理说明：1.本系统采用分层分布式布局，配置如图3所示。

主要由2个机组监控屏、发电机保护屏、公用监控屏、主编线路保护屏和电量屏构成。

通讯采用高速以太网与上级调度、操作员工作站进行通讯。

其中公用监控屏由可编程控制器(由三菱FX2N-80MR和2个FX0N-16EX扩展模块组成)、自动准同期装置、触摸屏、电力测控仪和逆变电源组成，在公用监控屏中实现对发电机的有功调节。

图3 系统配置图2.在电力系统中，频率与电压是电能的2个主要质量指标，电力系统中的频率变化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。

系统的负荷经常发生变化，要保持系统的频率为额定值，就必须使发送的功率不断跟随着负荷的变动，时刻保持整个系统有功功率的平衡。

否则，系统的频率就会大起大落，保证不了电能的质量，甚至会造成事故与损失。

当负荷吸取的有功功率下降时，频率增高;当负荷吸取的有功功率增高时，频率降低，即负荷调节效应。

由于负荷调节效应的存在，当电力系统中因功率平衡破坏而引起频率变化时，负荷功率随之的变化引起补偿作用。

如系统中因有功功率缺额而引起频率下降时，，能补偿一些有功功率缺额，有可能使系统稳定在一个较低的频率上运行。

如果没有负荷调节效应相应的负荷功率也随之减小，当出现有功功率缺额系统频率下降时，功率缺额无法得到补偿，就不会达到新的有功功率平衡，频率会一直下降，直到系统瓦解为止。

频率和有功功率自动调节的方法主要有:(1) 利用机组调速器的调节特性进行调频;(2) 根据频率瞬时偏差，按比例分配负荷，构成虚有差调节频率和负荷的方法;(3) 按频率积分偏差调节频率，满足“等微增率”原则分配负荷;(4) 按给定负荷曲线调节有功功率(本文所介绍的是按给定负荷曲线调节有功功率)。

3. 水轮机的制动调节系统应该使总功率等于负荷曲线给定的功率。

而机组之间则按“等微增率”原则经济分配负荷。

如果系统频率偏差不超过调频电站所能补偿的范围，则调功电站的调节系统对频率偏差不应作出任何响应。

如果系统运行工况发生了变化，出现了较大的频率偏差则调频电站无力完全补偿偏差值，那么调功电站的自动调节装置应该作用于各台机组的调速器，使之改变各台机组的有功出力来帮助恢复系统频率。

图4 功率与频率关系曲线图4示出功率与频率的关系曲线。

在死区±Δfmax范围内，频率偏差信号Δf不起作用，此时电站的实际功率与给定的总功率PG之间的偏差ΔP产生调节作用。

4. PG为电站负荷曲线给定装置取得的，使由各台机组有功功率测量元件测到的有功信号相加后得到的。

当时，两台机组的调节作用只受有功偏差ΔP 的影响，而与频率偏差Δf无关，此时调节特性方程为:（三）系统硬件组装：1．根据系统的控制要求配置硬件如下:图 5 系统硬件简图·控制器:三菱FX2N-80MR和两个FX0N-16EX扩展模块组成;·人机界面:触摸屏;·其它设备:2个DC24V继电器、功率表以及其它的辅助器件。

本系统确保整个系统频率的稳定和电网的稳定供电。

（四）设计过程：水轮机微机调速器是一个典型的数字式液压位置伺服系统，数字式液压位置伺服系统按电液转换环节接口控制方式主要分为两大类：间接数字控制和直接数字控制。

随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，数字化成了一种必然的趋势。

在流体动力系统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而是直接数字控制。

脉宽或脉冲调制）控制。

通过控制开关元件的通断时间比，以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。

该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。

a.这种采用间接数字控制；将微机控制信号通过D/A转换环节，将数字信号转换为模拟量信号（0～10V、4～20mA）后，再经放大后驱动电液伺服系统的控制方式。

该方式必须通过D/A转换环节，将数字量转换为模拟量实现数字控制，其主要存在以下问题：（1）由于控制器存在模拟电路，易产生温漂和零漂。

（2）多了D/A环节,降低了可靠性。

（2）阀的外控特性表现出滞环，消除滞环使阀的造价大大增加，结构复杂，可靠性降低。

（3）整体式磁性材料由于铁损引起的温升严重。

而直接数字控制不通过D/A接口，微机控制信号直接以数字开关信号与电液伺服系统接口实现数字控制，消除了间接数字控制存在的上述问题，使整个系统简单化，并实现整个系统的数字化，应用前景非常广阔水轮机调速器测频装置用于检测机组频率和电网频率，由机组频率、电网频率整形电路和内装有测频程序的ＰＬＣ基本单元共同组成，并通过闭环反馈系统实现对水轮机组频率的控制。

该装置因取消了单片机硬件，改由ＰＬＣ基本单元测频不仅降低成本，更主要的是大大提高了频系统的整形可靠性，从而减少了电路事故的发生。

还因输入信号为开关量，减少了输入点数，降低了成本，该装置结构简单，使用维护方便，可靠性高。

图6 控制系统原理图b.PID控制:✧利用PI控制和PD控制的优点组合成的控制。

✧当偏差X（设定值-反馈值）为正时，增加执行量（输出频率），如果偏差为负，减小执行量。

✧压力传感器反馈的水压信号〈Y〉（4-20mA）与设定值〈U〉进行比较，其偏〉去驱动变频器，从而差〈X〉经变频器的PID控制器运算后产生执行量〈Fi构成以设定压力为基础的闭环控制系统。

运行参数在实际过程不断进行调整，使系统控制器响应趋于完整，并通过PLC计算需切换泵的运行操作。

c.这种水轮机调速器测频装置，有整形电路装置组成，其特征在于：整形电路装置分机组频率整形电路装置和电网频率整形电路装置两部分，两个整形电路装置的输出信号，分别输入PLC基本控制单元的X0、X1输入端，PLC基本控制单元预先装入专用程序。

再下面的PLC设计中进行详述；d.采用矢量控制的基本原理；变频器的主电路通常是AC-DC-AC电力电子变换电路，DC-AC部分为三相桥逆变系统，确定其开关信号的控制策略往往决定了变频器性能的高低。

分析变频器三相逆变桥的开关状态(逆变桥上桥臂开通表示为1，相应的下桥臂关断)：X0(000)、X1(001)、X(010)、(100)、(101)、 (110)、(111)，可表示为8个基本空间电压矢量：V1V2V3V4V5V6V7,其中V0V7为零矢量，其余为有效工作矢量。

空间矢量PWM控制就是通过分配电压空间矢量，尤其是零矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，实现追踪磁通的圆形轨迹。

若复平面上参考等效合成空间矢量V的模长等于相电压的峰值，以角频率按逆时针方向匀速旋转，那么其在三相轴上的投影就是对称的正弦量。

反过来，按照平行四边形法则，利用这8个基本矢量可以合成任意角度和模长的等效合成矢量Vr。

如果匀速发出在一个圆周里均匀分布的等效合成矢量,也就得到了三相正弦量的开关信号,这就是空间电压矢量调制。

一个周期里发出的合成矢量越多,说明采样频率越高。

输入000 001 010 100 101 110 111输出X0 X1 X2 X4 X5 X6 X7系统装配表1（四）系统设计控制流程图：图7 系统流程图a.该系统监控24点制动闸动作状态，通过指示灯显示。

并实时由压力站气路压力数显示向PLC发出4～20mA的模拟信号，当动闸动作开关闭合时，指示灯亮，PLC系统开始工作。

当数据与目标值有偏差时,当系统需要进行有功调节时，系统的软件或是手动发出信号开始调节，此时采集1个实时有功数据此数据与设定值 (即目标功率值)进行比较并进行数据处理算出需要调节的时间，然后发出信号使调节继电器动所开始调节。

如未达到则有可能是系统内部有故障。

为了避免使程序进入死循环，则调节四次仍未能达到要求就自动中止程序)。

如图6所示，当M10接到触发信号后瞬时接通使D300采到的瞬时有功功率数据与D301(设定值)进行比较。

当D300 >D301时输出信号M300使PLC的Y001输出并使调节继电器动作进行调节。

跳开继电器工作，PLC发出制动成功或复位信号，并保持15秒钟。

根据PLC传送来的0～20mA的模拟信号，显示相应的转速。

如此反复，PLC 系统采用前端出线的模块化控制单元MIC-2000作为水轮发电机机组状态参数监测系统的主控制器，并采用双机冗余措施以提高监测系统的可靠性。