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第1章 水轮机调节系统 1

1.1水轮机调节系统的组成 1

1.1.1水轮机调节系统的结构框图 1

1.1.2被控制系统 2

1.1.3水轮机控制系统 3

1.2水轮机调节系统的任务和特点 6

1.2.1水轮机调节系统的任务 6

1.2.2水轮机调节的实质 8

1.2.3水轮机调节系统的特点 8

1.2.4手动水轮机调节 10

1.3水轮机控制系统的发展历程 11

1.3.1水轮机机械液压调速器 11

1.3.2水轮机电气液压调速器 13

1.3.3水轮机微机调速器 16

1.3.4基于现场总线的全数字式微机调速器 27

1.4水轮机调节技术的现状及发展趋势 29

1.4.1我国水轮机调节技术现状 29

1.4.2我国水轮机调节技术发展趋势 30

思考题 31

第2章 水轮机调节系统的静态特性和控制功能 32

2.1水轮机微机调速器的静态特性 34

2.1.1微机调速器静态特性的主要技术参数 34

2.1.2微机调节器的主要输入、输出参量 36

2.1.3微机调速器的永态差值环节及入工开度和功率死区环节 38

2.1.4微机调速器的积分环节输入量 38

2.1.5微机调速器的调节模式 40

2.1.6单调整水轮机微机调速器的静态特性分析 42

2.1.7双调整水轮机微机调速器的协联特性分析 49

2.2被控制系统静态特性 51

2.3水轮机调节系统静态特性 55

2.3.1水轮机调节系统的静态特性 55

2.3.2空载工况下调整频率给定和开度给定的定性分析 57

2.3.3水轮机调节系统的功率调节 58

2.4电网负荷频率控制与水轮机调速器 61

2.5水轮机调节系统控制功能 65

2.5.1水轮机调节系统的工作状态及其转换过程 65

2.5.2水轮机调节系统的运行方式 69

2.5.3水轮机调节系统的故障诊断 70

2.5.4冲击式水轮机喷针的控制 70

2.5.5抽水蓄能水轮机的控制 71

2.6水轮机调节系统试验数据的回归分析 73

2.6.1一元线性回归分析方法 73

2.6.2水轮机调节系统静态特性试验的一元线性回归分析 75

思考题 76

第3章 水轮机调节系统的动态特性 77

3.1被控制系统的动态特性 79

3.1.1被控制系统的参数 79

3.1.2水轮机的传递系数结构图 82

3.1.3引水系统的动态特性 83

3.1.4发电机及负荷动态特性 84

3.1.5刚性水锤下被控制系统的动态结构图 84

3.1.6刚性水锤下调节对象的动态特性仿真曲线 85

3.2水轮机微机调速器的动态特性 87

3.2.1水轮机微机调速器的调节规律 87

3.2.2加速度-缓冲型微机调速器的动态特性 87

3.2.3PID型微机调速器的动态特性 94

3.2.4速动时间常数 99

3.2.5PID调节的离散算法 100

3.2.6功率（开度）前向通道开环增量环节的作用 104

3.3水轮机调节系统的动态特性 106

3.3.1机组空载转速摆动特性 106

3.3.2甩100％额定负荷特性 106

3.3.3接力器不动时间 107

3.4水轮机调速器与电网一次调频 109

3.4.1电网的调频 109

3.4.2电网一次调频工况机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的特性 110

3.4.3水轮机调节系统一次调频试验 112

3.5水轮机调节系统状态空间方程和稳定性分析 113

3.5.1水轮机调节系统的状态空间方程 113

3.5.2缓冲型（PI）调速器的水轮机调节系统的状态方程 115

3.5.3采用加速度-缓冲型微机调速器的水轮机调节系统的状态方程 117

3.5.4采用PID型微机调速器的水轮机调节系统状态方程 118

3.5.5调节系统的稳定性和相对稳定性 120

3.6水轮机调节系统PID参数的整定和适应式变参数调节 124

3.6.1空载工况bt、Td、Tn的推荐初始参数 124

3.6.2空载工况KP、KI、KD的推荐初始参数 126

3.6.3其他工况下推荐的PID参数 128

3.6.4水轮机调节系统的适应式变参数调节 129

思考题 132

第4章 微机调节器 133

4.1微机调节器概述 133

4.1.1微机调节器结构 133

4.1.2选择微机控制器的原则 134

4.1.3微机调节器的频率测量 137

4.1.4微机调节器的单机／双机配置 137

4.1.5人机交互界面 137

4.1.6通信接口 138

4.1.7用户软件 138

4.1.8主要控制器简介 138

4.2微机控制器的单元和模块 139

4.2.1典型的微机控制器 139

4.2.2数字量输入模块 140

4.2.3数字量输出模块 142

4.2.4模拟量I／O模块 144

4.2.5功能模块 146

4.3水轮机微机调速器的频率测量 149

4.3.1频率测量的基本原理 149

4.3.2基于微机控制器高速计数模块的频率测量 152

4.3.3基于静态频差和动态频差的微机控制器频率测量 155

4.3.4齿盘测频 157

4.4微机调节器的双机交叉冗余容错原理 159

4.4.1独立的双微机控制器冗余控制结构 159

4.4.2双微机控制器交叉冗余控制结构 160

4.5微机调节器的程序编制 162

4.5.1微机调速器的程序总体框图 163

4.5.2调节模式和工作状态程序框图 164

4.5.3微机调速器的PID调节程序 167

4.5.4编制微机调速器程序注意事项 168

思考题 169

第5章 微机调速器机械液压系统 170

5.1微机调速器机械液压系统原理 170

5.1.1微机调速器的机械液压系统 170

5.1.2大型微机调速器的机械液压系统原理 171

5.1.3中、小型微机调速器的机械液压系统原理 171

5.2微机调速器的电液转换器 172

5.2.1电机驱动机械位移输出型电液转换器 173

5.2.2方向及流量输出型电液转换器 175

5.2.3数字阀 178

5.3微机调速器的主配压阀 182

5.3.1主配压阀的主要技术要求 182

5.3.2液压控制型主配压阀 184

5.3.3机械位移控制型主配压阀 186

5.3.4主配压阀容量估算及选择 188

5.4微机调速器的机械开度限制机构 190

5.5微机调速器的紧急停机阀 194

5.6微机调速器的导叶分段关闭装置 195

5.7微机调速器的事故配压阀 197

5.8微机调速器典型机械液压系统 198

5.9水轮机调速器的油压装置 208

思考题 218

第6章 水轮机调节系统建模及仿真 219

6.1基于MATLAB的水轮机调节系统的仿真模型 219

6.1.1水轮机调节系统的MATLAB基本仿真模块 219

6.1.2水轮机调节系统的仿真模型 223

6.1.3M-File程序实例 224

6.2空载频率波动和空载扰动过程仿真 226

6.2.1空载频率波动过程仿真 226

6.2.2空载扰动过程仿真 230

6.3机组甩100％额定负荷过程仿真 237

6.3.1PID参数对甩100％额定负荷动态过程影响的仿真 237

6.3.2机组及引水系统参数对甩100％额定负荷动态过程影响的仿真 239

6.4接力器不动时间的仿真 240

6.5水轮机调节系统一次调频仿真 243

6.5.1一次调频仿真原理 243

6.5.2积分增益KI取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 245

6.5.3比例增益KP取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 246

6.5.4接力器最短开机和关机时间Tf取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 247

6.5.5机组和电网惯性时间常数Ta取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 247

6.6孤立电网运行特性仿真 249

思考题 255

附录 YT系列机械液压调速器 256

F.1YT系列机械液压调速器的结构 256

F.2YT系列机械液压调速器的组成 257

F.3YT系列机械液压调速器的主要特点和组成部分 260

F.4调速器各机构动作原理说明 267

F.5YT系列机械液压调速器的静态和动态特性 274

思考题 276

参考文献 277