水轮发电机组自动控制系统设计

本书阐述目前国内外水力发电厂工程设计中水轮发电机组自动控制系统常用的设计技术，给出控制系统及各控制装置的技术要求、系统结构、工作原理、系统特性分析、设备参数选择计算、机组的控制操作流程及接线。

全书共4篇及4个附录。第d一篇阐述水轮发电机组自动控制系统的功能、结构及技术要求；第二篇给出水轮机调节系统及调速器的功能、结构、技术要求、工作原理、调节特性及调节系统各环节数学模型及传递函数；第三篇叙述励磁系统功能、结构，各组成部分的工作原理、技术要求及设备参数选择计算；第四篇描述机组同期系统的技术要求、接线及参数整定，机组水力机械保护技术要求、接线及与其他系统接口的设计，机组及其辅助设备、进水闸（阀)控制操作系统的技术要求、控制流程与其他系统接口的设计，机组的电量及非电量测量监视系统及其配置设计，机组的集中控制系统的技术要求及其功能配置的设计。4个附录分别给出调速器液压系统常用元件图形符号、水轮机调节系统PID参数稳定域分析、灭磁过程参数及灭磁系统设备选择计算例、几种励磁控制方式下励磁系统的特性分析及机组自动控制系统常用的术语。

前言

第一篇 水轮发电机组自动控制系统的功能及结构

1 水轮发电机组自动控制系统的功能

2 水轮发电机组自动控制系统的结构

第二篇 水轮机调节系统及装置

1 水轮机调节系统 6

2 水轮机调节装置 (调速器) 8

21 水轮机调节装置 (调速器)的任务、技术要求及结构 8

211 调速器的任务 8

212 调速器的技术要求8

213 调速器的结构9

22 调速器的调节器及频率测量9

221 调速器的调节器9

222 调速器的频率测量 12

23 调速器的液压系统 13

231 调速器的液压随动系统 14

232 事故停机电磁阀、过速限制器及导叶分段关闭装置 20

233 调速器液压系统示例 23

24 调速器的电源、油压装置及转速信号装置 25

241 调速器的电源 25

242 调速系统的油压装置 26

243 转速信号装置及机械液压过速保护装置 28

25 冗余配置的调速器结构 29

26 水轮机调节系统的静态和动态调节特性 34

261 调节系统的静态特性及永态差值系数 34

262 调节系统的动态特性 37

27 调速器控制方式及其切换 37

28 调速器的调节模式及其投切 39

281 调速器的调节模式 39

282 调速器调节模式的投切 43

29 调速器故障检测及处理 44

210 调速器控制操作及运行监视的接口界面45

211 开机、停机等工况转换过程调速器的控制操作 47

2111 调速器的开机控制操作47

2112 调速器的正常停机控制操作 48

2113 动作事故停机电磁阀停机时调速器的控制操作 48

2114 动作过速限制器停机时调速器的控制操作 48

212 调速器的外部接口接线及产品参数 49

2121 调速器的外部接口接线 49

2122 调速器产品参数 51

3 水轮机调节系统的数学模型及传递函数 53

31 调速器数学模型及传递函数 53

311 调节器的数学模型及传递函数 53

312 液压随动系统的数学模型及传递函数 55

32 水轮机及其引水系统的数学模型及传递函数 57

321 水轮机的转矩方程 57

322 水轮机的流量方程及压力引水系统环节的传递函数 58

323 水轮机的传递系数 59

324 水轮机及其引水系统环节的传递函数 60

33 发电机和电力系统的数学模型及传递函数 61

331 发电机的转矩平衡方程 62

332 离网运行的发电机及单机带负荷的电力系统环节的数学模型及

传递函数 70

333 机组并列运行的电力系统数学模型及传递函数 71

34 机组各种运行方式下的水轮机调节系统结构 79

341 发电机离网运行时的水轮机调节系统结构 79

342 发电机单机带负荷时的水轮机调节系统结构 80

343 机组并列运行时的水轮机调节系统结构 80

4 水轮机调节系统的性能指标 84

41 水轮机调节系统的静态性能指标 84

42 水轮机调节系统的动态性能指标 84

43 机组参加电网一次调频时,水轮机调节系统的性能要求 85

44 水轮机调节系统中局部系统或环节的性能指标要求 86

45 其他 86??

第三篇 水轮发电机励磁控制系统及装置

1水轮发电机励磁系统的任务、 技术要求及结构 88

11 励磁系统的任务 88

12 励磁系统的技术要求 89

13 自并励励磁方式的特点 91

131 强励电压特性与电力系统稳定 91

132 短路电流特性及发电机的后备保护 92

133 发电机的开机起励 94

14 发电机自并励励磁系统结构示例 94

2 励磁变压器 97

21 励磁变压器的技术要求 97

22 励磁变压器的类型、接线组别、使用条件及温升限值、额定电压及

容量计算 98

221 励磁变压器的类型 98

222 励磁变压器的接线组别 99

223 励磁变压器的使用条件及温升限值 99

224 励磁变压器的额定电压及容量 100

23 励磁变压器的电流互感器配置及参数选择 103

231 励磁变压器的电流互感器的配置及类别 103

232 励磁变压器的电流互感器的额定一次电流 104

233 电流互感器额定二次电流及额定二次负荷 108

24 励磁变压器及其辅助设备参数及选择计算示例 109

241 励磁变压器及其辅助设备参数示例 109

242 励磁变压器及电流互感器主要参数的选择计算示例

3 励磁功率整流器 115

31 励磁功率整流器的技术要求 115

32 晶闸管全控桥式整流器工作原理 116

321 基本工作原理 116

322 三相全控桥整流器输出电压的计算 117

323 阀电流及整流器交流侧电流计算 120

324 整流器整流桥 (支路)的并联及电流均衡 122

33 晶闸管参数及选择计算 122

331 晶闸管参数 122

332 晶闸管额定电压的选择计算 127

333 晶闸管额定电流的选择计算 128

34 整流器晶闸管的快速熔断器保护 131

341 快速熔断器额定电压的选择计算 132

342 快速熔断器额定电流的选择计算 132

343 快速熔断器的额定分断能力计算 134

344 快速熔断器I2t 的选择计算 135

35 整流器的冷却方式 137

351 自然冷却方式及热管冷却 137

352 强迫风冷 138

353 水冷却方式 141

36 整流器交、直流侧电缆 141

361 电缆外护层类型、芯数、绝缘类型及额定电压的选择 141

362 电缆截面及根数的选择 141

37 励磁功率整流器参数计算及接线示例 144

371 励磁功率整流器参数示例 144

372 励磁功率整流器主要参数选择计算 145

373 励磁功率整流器接线 150

4 励磁系统过电压及保护 152

41 励磁系统过电压及过电压保护配置152

411 励磁系统过电压 152

412 励磁系统过电压保护的配置 154

42 晶闸管及整流器交流侧过电压保护 154

421 每桥臂设置的晶闸管关断过电压保护 155

422 交流侧三相式阻容保护 159

423 交流侧整流桥式阻容保护 161

424 集中式阻容过电压保护 163

425 压敏电阻过电压保护 163

43 整流器直流侧过电压 (转子过电压)保护 164

431 转子过电压保护的接线及工作原理 164

432 转子过电压保护动作电压的整定计算 166

433 转子过电压保护用非线性电阻整组特性的选择 170

43转子过电压保护非线性电阻的工作能容量 171

44 励磁系统过电压保护计算示例 172

441 每桥臂设置的晶闸管关断过电压保护电容、电阻参数计算 172

442 励磁功率整流器直流侧过电压 (转子过电压)保护动作电压整定值计算 174

5 励磁调节器及励磁控制 176

51 励磁调节器的功能要求 176

511 调节功能 176

512 限制器功能 180

513 故障检测与保护 181

514 控制操作 181

515 其他功能 181

52 励磁调节器结构 182

53 励磁控制方式及数学模型 183

531 电压偏差的比例控制 185

532 PID (或PI)控制及励磁控制系统的动态校正 186

54 电力系统稳定器 (PSS) 188

541 PSS1A 型电力系统稳定器 189

542 PSS2B 型电力系统稳定器 190

543 PSS3B 型电力系统稳定器 192

544 PSS4B 型电力系统稳定器 192

6 发电机的灭磁系统 194

61 发电机灭磁系统的要求 194

62 自并励发电机常用的灭磁方式及选择 197

621 直流磁场断路器及灭磁电阻灭磁方式 197

622 交流磁场断路器及灭磁电阻灭磁方式 206

623 直流及交流侧均设置磁场断路器的灭磁方式 211

624 自并励发电机灭磁方式选择 221

63 直流灭磁系统磁场断路器的选择计算 221

631 直流磁场断路器的技术要求及参数 221

632 直流磁场断路器的选择计算 225

64 交流灭磁系统磁场断路器的选择计算 234

641 交流磁场断路器的技术要求 234

642 交流磁场断路器的参数及其选择计算 234

65 交直流灭磁系统磁场断路器的选择计算 240

651 磁场断路器灭磁分断能力的选择计算 240

652 磁场断路器的短路分断能力及其他参数的选择计算 241

66 灭磁过程及灭磁电阻容量的选择计算 242

661 灭磁开始的转子电流、整流器输出电压及励磁变压器低压侧电压计算 242

662 灭磁过程转子电流、电压变化过程计算 243

663 灭磁时间计算 245

664 灭磁电阻灭磁过程耗能及容量选择计算 246

67 灭磁电阻最高灭磁电压及整组性能常数的选择计算 248

671 采用直流磁场断路器及灭磁电阻的灭磁系统灭磁电阻最高灭磁电压 248

672 交流灭磁系统灭磁电阻最高灭磁电压 249

673 交直流灭磁系统灭磁电阻最高灭磁电压 250

674 非线性灭磁电阻整组性能常数的计算 251

68 发电机的逆变灭磁 252

681 发电机逆变灭磁过程的计算 252

682 逆变灭磁的应用 253

7 励磁系统的操作、 测量及信号 254

71 励磁系统的运行操作 254

72 磁场断路器的操作 255

73 发电机的起励 257

731 他励起励及残压起励 257

732 发电机起励方式的配置 258

74 机组开、停机过程的励磁系统控制 259

741 机组开机过程的励磁系统控制 259

742 机组正常停机过程的励磁系统控制 260

743 机组事故停机时的励磁系统控制 260

75 机组采用电气制动时的励磁系统及控制 261

751 机组停机采用电气制动时励磁系统主回路接线 261

752 机组电气制动时的励磁系统操作控制 262

753 制动变压器参数计算选择 263

76 励磁系统的电气测量、信号及与外部系统的接口 263

761 励磁系统的电气测量 263

762 励磁系统信号及与外部系统的接口 265

8 励磁系统的电磁兼容 268

81 励磁系统的电磁兼容性要求 268

82 与电磁兼容相关的电厂设计 270

9 励磁系统的性能指标 272

第四篇 机组的同期、 机械保护及操作监视

1 机组同期系统及装置 276

11 机组同期系统的技术要求 276

12 机组同期系统接线 278

13 自动准同期装置、同期仪表及同期检查装置 279

14 机组同期系统的整定计算 281

3 水轮发电机组及其辅助设备、 进水闸控制操作 288

31 机组控制操作的一般要求 288

32 机组开机并列的控制操作 291

33 机组停机的控制操作 295

331 机组正常停机的控制操作 295

332 机组事故停机的控制操作 297

34 机组辅助设备的现地控制及对外接口 302

341 机组辅助设备现地控制系统的一般要求 302

342 机组辅助设备现地控制系统与 LCU 的接口示例 303

35 发电机 (或发电机-变压器组)断路器的合/跳控制操作 303

351 一般要求 303

352 断路器控制接线图示例 304

36 机组进水闸 (阀)的控制操作 305

361 一般要求 305

362 进水闸 (阀)控制接线图示例 306

4 机组的测量监视 309

41 发电机或发电机-变压器组的电气测量 309

42 机组的非电量测量监视 312

5中控室及机旁对机组的集中监控 316

51 中控室及机旁对机组功率、频率及电压的调节 316

511 调节方式 316

512 LCU 对调速器 (励磁调节器)的调节输出接口 318

52 机组的集中控制和监视 318

521 监控内容及方式 318

522 监控系统的机组运行监控画面示例 319

附录A 调速器液压系统元件图形符号 321

A1 调速器液压系统常用元件图形符号 321

A2 换向阀图形符号说明 322

附录B 水轮机调节系统的PID 参数稳定域及电力系统振荡时水轮机的输出转矩 324

B1 机组并网于频率调节模式运行时的PID 参数稳定域计算 324

B2 功率调节模式机组的PI参数稳定域计算 329

B3 电力系统振荡时水轮机的输出转矩特性 330

附录C 灭磁过程参数及灭磁系统设备选择计算 333

C1 计算的原始参数及条件 333

C2 直流磁场断路器主触头额定最大分断电压选择 334

C3 灭磁电阻上的最高电压及灭磁电阻整组性能常数计算

C4 灭磁过程、灭磁时间及灭磁电阻耗能计算 337

C5 直流磁场断路器及交流磁场断路器分断能力计算 339

附录D 几种励磁控制方式下 （电压偏差、 PSS、 强力调节） 的发电机

阻尼转矩特性 342

D1 通过输电线连接到无穷大系统的同步发电机励磁控制系统线性模型 342

D2 采用电压偏差比例控制的发电机阻尼转矩特性 345

D3 采用电压偏差的PID 控制的发电机阻尼转矩特性 349

D4 采用PSS附加信号控制的发电机阻尼转矩特性 349

D5 采用强力调节控制励磁的发电机阻尼转矩特性 351

附录E 术语 355

参考文献 365