DEH控制系统专题.pdf

DEHDEH控制系统专题控制系统专题 和利时公司和利时公司 刘康宁刘康宁 电话电话:13910737323:13910737323 E E- -mail:[email protected]:[email protected] 专题专题 ? ? 1.1.发电机组孤网运行发电机组孤网运行 ? ? 2.2.中间再热汽轮机组中间再热汽轮机组 ? ? 3.3.智能透平控制器智能透平控制器 一一. . 发电机孤网运行发电机孤网运行 ? ? 1.1.电网调频概述电网调频概述 ? ? 2. DEH2. DEH调节系统特点调节系统特点 ? ? 3.3.改进改进DEHDEH孤网调频特性孤网调频特性 1.1.电网调频概述电网调频概述 ? ? 电力部门的首要任务是持续稳定地向用户提供质电力部门的首要任务是持续稳定地向用户提供质 量（频率、电压等）符合国家规范要求的电能，量（频率、电压等）符合国家规范要求的电能， 以保证国家经济建设、人民生产生活的需要。以保证国家经济建设、人民生产生活的需要。 ? ? 电网供电频率的稳定性和准确性，是供电质量的电网供电频率的稳定性和准确性，是供电质量的 重要指标。重要指标。 ? ? 国家规定额定供电频率为国家规定额定供电频率为50Hz50Hz，频率允许偏差为，频率允许偏差为 ±±0.2Hz0.2Hz，对于小容量系统可放宽到，对于小容量系统可放宽到±±0.5Hz 0.5Hz 。。 ? ? 从宏观上看电网各处的供电频率相等。从宏观上看电网各处的供电频率相等。 ? ? 同步发电机组的转速与供电频率对应相等。同步发电机组的转速与供电频率对应相等。 ? ? 当电网中发电机组生产的有功功率总和大于电网当电网中发电机组生产的有功功率总和大于电网 所消费的有关功率总和时，供电频率增大；反之所消费的有关功率总和时，供电频率增大；反之 则减小。则减小。 ? ? 用户负荷会随生产生活的需要而不断变化，发电用户负荷会随生产生活的需要而不断变化，发电 机组生产的功率也会随工艺过程变化，因此电网机组生产的功率也会随工艺过程变化，因此电网 有功功率总和的生产、消费间的平衡随时都会被有功功率总和的生产、消费间的平衡随时都会被 打破，从而引起供电频率变化。打破，从而引起供电频率变化。 ? ? 有功功率利用现有的技术还不能廉价地大量储存。有功功率利用现有的技术还不能廉价地大量储存。 ? ? 发电机组生产的功率在一定范围内连续可调。发电机组生产的功率在一定范围内连续可调。 ? ? 为了将电网频率控制在规定的范围内，在正常情为了将电网频率控制在规定的范围内，在正常情 况下，通过调整发电机组生产的功率，使生产的况下，通过调整发电机组生产的功率，使生产的 总功率随消费的总功率变化，两者达到动态平衡。总功率随消费的总功率变化，两者达到动态平衡。 ? ? 通过发电机组上安装的转速反馈调节系统，即可通过发电机组上安装的转速反馈调节系统，即可 自动根据实际转速偏离额定值的程度来调节发电自动根据实际转速偏离额定值的程度来调节发电 机组生产的有功功率。机组生产的有功功率。 ? ? 为了使电网中的发电机组均担功率负荷不平衡为了使电网中的发电机组均担功率负荷不平衡 量，且保证系统的稳定。此转速反馈调节系统量，且保证系统的稳定。此转速反馈调节系统 （即一次调频）要求采用比例调节方式，且比例（即一次调频）要求采用比例调节方式，且比例 系数基本相等。比例调节使转速是有差的。系数基本相等。比例调节使转速是有差的。 ? ? 通过电网中调的积分调节作用，改变调频机组的通过电网中调的积分调节作用，改变调频机组的 功率，使供电频率回到额定值（即二次调频）功率，使供电频率回到额定值（即二次调频） 。。 ? ? 对于幅度微小且变化很快的功率负荷不平衡扰动对于幅度微小且变化很快的功率负荷不平衡扰动 量，由于电网中旋转机械的惯性作用（即自然调量，由于电网中旋转机械的惯性作用（即自然调 频），即可维持供电频率稳定在规定的范围内。频），即可维持供电频率稳定在规定的范围内。 ? ? 对于幅度较小且变化较快的功率负荷不平衡扰动对于幅度较小且变化较快的功率负荷不平衡扰动 量，利用电网的一次调频作用，即可维持供电频量，利用电网的一次调频作用，即可维持供电频 率稳定在规定的范围内。率稳定在规定的范围内。 ? ? 对于幅度较大且变化较慢的功率负荷不平衡扰动对于幅度较大且变化较慢的功率负荷不平衡扰动 量，可利用电网的二次调频作用，使供电频率恢量，可利用电网的二次调频作用，使供电频率恢 复到额定值。复到额定值。 ? ? 在发生故障的情况下，性能优良的一次调频作用在发生故障的情况下，性能优良的一次调频作用 是维持机组安全、电网稳定运行的有力保障。是维持机组安全、电网稳定运行的有力保障。 ? ? 在孤立小电网下，因单台发电机组的容量占电网在孤立小电网下，因单台发电机组的容量占电网 总容量的比例很大，发电机组输出的功率必须即总容量的比例很大，发电机组输出的功率必须即 时跟随用户负荷而变，以维持供电频率稳定。当时跟随用户负荷而变，以维持供电频率稳定。当 单台机组进汽量变化时对电网频率影响很大。必单台机组进汽量变化时对电网频率影响很大。必 须具有良好的一次调频性能才能维持频率稳定。须具有良好的一次调频性能才能维持频率稳定。 ? ? 当发生输电线路开关跳闸将某个局部电网从大电当发生输电线路开关跳闸将某个局部电网从大电 网中分裂出来，形成小的孤立电网的情况时。若网中分裂出来，形成小的孤立电网的情况时。若 调节系统的一次调频性能不完善，可能造成局部调节系统的一次调频性能不完善，可能造成局部 电网供电频率大幅度波动，甚至出现大面积停电。电网供电频率大幅度波动，甚至出现大面积停电。 ? ? 电网总负荷明显地表现为一种时变随机过程。电网总负荷明显地表现为一种时变随机过程。 其其 统计特性具有以下特点：变化很快的幅度很小、统计特性具有以下特点：变化很快的幅度很小、 变化周期较长的幅度较大、变化幅度很大的非常变化周期较长的幅度较大、变化幅度很大的非常 缓慢。缓慢。 时间 负荷 负 荷 变 化 曲 线 可将电网调频分为以下三个阶段：可将电网调频分为以下三个阶段： ? ? 自然调频：定义为调速系统未动作时，仅靠自平自然调频：定义为调速系统未动作时，仅靠自平 衡能力来稳定电网供电频率的过程。当电网出现衡能力来稳定电网供电频率的过程。当电网出现 功率负荷不平衡后，电网中旋转机械的动能会随功率负荷不平衡后，电网中旋转机械的动能会随 着电网频率的变化而变化，因此可吸收或释放部着电网频率的变化而变化，因此可吸收或释放部 分能量来补偿系统能量的变化，同时用电设备的分能量来补偿系统能量的变化，同时用电设备的 负荷也会随电网频率的变化而变化，从而可减缓负荷也会随电网频率的变化而变化，从而可减缓 供电频率的变化。供电频率的变化。 自平衡能力由等效转子时间、自平衡系数来衡自平衡能力由等效转子时间、自平衡系数来衡 量。通常单台机组转子时间常数量。通常单台机组转子时间常数T T a a 为为5~105~10秒、秒、 自平衡系数自平衡系数b b T T 为为0.60.6左右。电网等效转子时间常左右。电网等效转子时间常 数数T TW W为 为10~2010~20秒、自平衡系数秒、自平衡系数b bW W为 为1.6~3.61.6~3.6。。 ? ? 一次调频：定义为在调速系统给定值不变的情况一次调频：定义为在调速系统给定值不变的情况 下，通过转速反馈作用改变其输出功率来调整电下，通过转速反馈作用改变其输出功率来调整电 网的频率。在电网频率按自然调频过程变化的同网的频率。在电网频率按自然调频过程变化的同 时，调节系统探测到机组转速的变化后，通过转时，调节系统探测到机组转速的变化后，通过转 速反馈作用迅速调整各发电机组的输出功率，以速反馈作用迅速调整各发电机组的输出功率，以 维持供电频率稳定。维持供电频率稳定。 在加负荷方向它需要利用锅炉蓄能的支持，在加负荷方向它需要利用锅炉蓄能的支持， 可设置一定的限制，以防止拉跨锅炉。出现功率可设置一定的限制，以防止拉跨锅炉。出现功率 不足，频率下降过低时，应利用低周减载装置，不足，频率下降过低时，应利用低周减载装置， 避免发生频率崩溃。在减负荷反向，为了避免机避免发生频率崩溃。在减负荷反向，为了避免机 组发生事故，禁止设置任何限制。组发生事故，禁止设置任何限制。 ? ? 二次调频：定义为通过改变调频机组调速系统的二次调频：定义为通过改变调频机组调速系统的 给定值，改变其输出功率使电网频率回到额定值。给定值，改变其输出功率使电网频率回到额定值。 在一次调频作用后，最终稳定频率会偏离额定值。在一次调频作用后，最终稳定频率会偏离额定值。 需通过调整预先指定的调频机组的负荷设定值，需通过调整预先指定的调频机组的负荷设定值， 使各机组的负荷变化量转移到调频机组上，同时使各机组的负荷变化量转移到调频机组上，同时 将频率恢复到额定值。将频率恢复到额定值。 并不是调频机组才承担一次调频任务，所有并不是调频机组才承担一次调频任务，所有 机组都应具有良好的一次调频能力。现在还有许机组都应具有良好的一次调频能力。现在还有许 多人认为只有调频机组才需承担调频任务，基荷多人认为只有调频机组才需承担调频任务，基荷 机组不承担调频任务，因此仅调频机组需投入一机组不承担调频任务，因此仅调频机组需投入一 次调频功能。这种思想是完全错误的。由于发电次调频功能。这种思想是完全错误的。由于发电 机组的自平衡能力很弱，每台机组的转速反馈即机组的自平衡能力很弱，每台机组的转速反馈即 一次调频功能随时都应投入，才能保证安全运行。一次调频功能随时都应投入，才能保证安全运行。 ??为离散调节系统。调节周期的长短对调节性能起为离散调节系统。调节周期的长短对调节性能起 作重要作用。作重要作用。 ??在机组解列期间采用转速在机组解列期间采用转速PIDPID，提高了稳态转速，提高了稳态转速 的控制精度。的控制精度。 ??在机组并网期间，各个在机组并网期间，各个DEHDEH制造厂家提供的控制制造厂家提供的控制 策略不尽相同。对于传统策略不尽相同。对于传统DEHDEH控制系统，可投入控制系统，可投入 阀控、功控、压控和阀控、功控、压控和CCSCCS协调等多种控制方式。协调等多种控制方式。 阀控、功控具有转速比例调节作用。阀控、功控具有转速比例调节作用。 ??人为设置了一次调频死区及调频限幅。人为设置了一次调频死区及调频限幅。 ??在传统在传统DEHDEH控制系统中增加了转速控制系统中增加了转速103103％超速限％超速限 制功能。制功能。 ??增加了单阀、顺序阀可变配汽模式。增加了单阀、顺序阀可变配汽模式。 2.DEH2.DEH调节系统特点调节系统特点 传 统 DEH 控 制 系 统 框 图 超速限制功能 电磁阀 实际 功率％ 伺服 控制 调节阀 阀门管理 动作 N Y 脱网 功控 给定 压力 实际 压力 0 Y N PID Y PID PID N Y 压控 N Y CCS控制 给定 给定 阀位 N 实际 转速 总阀位给定 限制 + - 不等率 给定 转速 + + 给定 功率 实际 功率 + - 不等率 给定 转速 + 实际 转速 + - - 油开关 跳 闸 实际 转速 ≥103％ ≥10％ 2 图例： ：大于比较器 ：单脉冲定时器 ：信号选择器 + ? ? 调节阀升程与进汽流量存在一定的非线性。调节阀升程与进汽流量存在一定的非线性。 为了使转速偏差信号与进汽流量之间的关为了使转速偏差信号与进汽流量之间的关 系基本呈线性，并且实现全周进汽与部分系基本呈线性，并且实现全周进汽与部分 进汽转换，大多采用了机械凸轮修正或电进汽转换，大多采用了机械凸轮修正或电 凸轮修正方式。若各凸轮的斜率及重叠度凸轮修正方式。若各凸轮的斜率及重叠度 设计调整不当，将造成调节系统静态特性设计调整不当，将造成调节系统静态特性 曲线的线性度较差，即局部不等率变化较曲线的线性度较差，即局部不等率变化较 大。局部不等率的倒数就是转速调节系统大。局部不等率的倒数就是转速调节系统 的放大倍数，因此在局部不等率变化大的的放大倍数，因此在局部不等率变化大的 工作点附近，系统稳定性会变差。工作点附近，系统稳定性会变差。 ? ? 阀门特性修正阀门特性修正 汽轮机进汽阀的汽轮机进汽阀的 升程升程————流量曲线是流量曲线是 非线性的。通过阀门非线性的。通过阀门 特性修正后，可使总特性修正后，可使总 阀位给定与进汽量间阀位给定与进汽量间 呈线性关系。而且可呈线性关系。而且可 按需要实现单阀方式按需要实现单阀方式 或顺序阀方式进汽。或顺序阀方式进汽。 根据汽轮机厂提根据汽轮机厂提 供的阀门行程供的阀门行程————流流 量曲线及流量系数修量曲线及流量系数修 正曲线，采用正曲线，采用 MATLABMATLAB软件可分别软件可分别 计算出单阀方式修正计算出单阀方式修正 曲线和顺序阀方式修曲线和顺序阀方式修 正曲线。正曲线。 ? ? 甩负荷试验：是验证汽轮机控制系统性能常用的甩负荷试验：是验证汽轮机控制系统性能常用的 方法。因油开关跳闸信号使传统方法。因油开关跳闸信号使传统DEHDEH切换到了转切换到了转 速速PIDPID调节系统，油开关跳闸后转速最终会稳定调节系统，油开关跳闸后转速最终会稳定 到额定值。而机械液压系统因其同步器给定值不到额定值。而机械液压系统因其同步器给定值不 变，甩负荷转速最终会稳定到不等率对应的值。变，甩负荷转速最终会稳定到不等率对应的值。 若发生甩负荷时，油开关并未跳闸，可能因若发生甩负荷时，油开关并未跳闸，可能因 103103％％OPCOPC功能引起调节阀反复动作，造成系统功能引起调节阀反复动作，造成系统 崩溃大面积停电事故。传统甩负荷试验未能验证崩溃大面积停电事故。传统甩负荷试验未能验证 到到DEHDEH的一次调频性能。的一次调频性能。 而且由于分裂出来的孤立小电网自然调频能而且由于分裂出来的孤立小电网自然调频能 力比大网的差，功率负荷扰动量也可能大得多，力比大网的差，功率负荷扰动量也可能大得多， 虽然传统虽然传统DEHDEH控制系统在大电网中能稳定运行，控制系统在大电网中能稳定运行， 但在孤立小电网中就可能难以稳定。但在孤立小电网中就可能难以稳定。 0510152025 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 time s speed r/min 机 械 液 压 系 统 DEH系 统 Tv=0.2s Ta=8s βT=0 δ=0.05 Tm=0.02s Tg=0.03s Ty=0.3s PID: P=10 I=0.3s D=0Ts=0.2s TD=0.2s 典 型 甩 负 荷 转 速 飞 升 曲 线 3.3.改进改进DEHDEH孤网调频特性孤网调频特性 经过以下改进可有效提高一次调频的性经过以下改进可有效提高一次调频的性 能，改善孤网频率稳定性，保障孤立电网安全能，改善孤网频率稳定性，保障孤立电网安全 稳定运行。稳定运行。 ? ? 缩短信号延迟时间缩短信号延迟时间 若将调节周期及延迟时间缩短到若将调节周期及延迟时间缩短到50ms50ms以以 内，可使发电机组甩负荷时转速的动态响应基内，可使发电机组甩负荷时转速的动态响应基 本与连续调节系统相当。本与连续调节系统相当。 将一次调频转速反馈闭环回路算法独立出将一次调频转速反馈闭环回路算法独立出 来，组成一个调节周期为来，组成一个调节周期为50ms50ms的快速调节任务。的快速调节任务。 它们包括转速测量比较、不等率计算、修改总它们包括转速测量比较、不等率计算、修改总 阀位给定、阀门曲线修正、阀门分配管理最终阀位给定、阀门曲线修正、阀门分配管理最终 将个阀位给定输出到伺服板。将个阀位给定输出到伺服板。 并且通过精心设计组态控制逻辑避免出现并且通过精心设计组态控制逻辑避免出现 逆序。逆序。 ? ? 增加转速微分修正增加转速微分修正 增加硬件转速微分调节后，可明显地降低对增加硬件转速微分调节后，可明显地降低对 调节周期的要求。可通过改进测速模件使其能输调节周期的要求。可通过改进测速模件使其能输 出转速微分模拟信号，将转速微分信号直接连接出转速微分模拟信号，将转速微分信号直接连接 到伺服模件，实现硬件转速微分调节作用。到伺服模件，实现硬件转速微分调节作用。 采用了先进的同步测量方法，同时测量转速采用了先进的同步测量方法，同时测量转速 信号的脉冲个数及其持续时间，这样可同时保证信号的脉冲个数及其持续时间，这样可同时保证 测量精度和响应时间的要求。经过精心设计安排测量精度和响应时间的要求。经过精心设计安排 测速模件中断系统的程序，使采样周期的精度到测速模件中断系统的程序，使采样周期的精度到 达了计算转速微分的要求。在输出转速微分前通达了计算转速微分的要求。在输出转速微分前通 过了数字滤波处理，可有效减少微分噪声。过了数字滤波处理，可有效减少微分噪声。 ：小于比较器 图例： ：大于比较器 ：信号选择器 ≤0 ≥7.5% ≥30％ - + 限制 + 不等率 -实际 功率 总阀位给定 - 实际 转速 + 给定 转速 N 转速 微分 给定 阀位 给定 CCS控制 Y N 压控 Y N PID PID Y PID N Y 0 一次调频 快速回路 实际 压力 给定 压力 给定 功率 功控 脱网 Y N 动作 + 不等率 + 阀门管理 调节阀 伺服 控制 + 转速 微分 实际 功率％ 电磁阀 转速 微分 硬件转速 微分调节 硬件加速度大 改 进 的 DEH 控 制 系 统 框 图 ? ? 修改超速限制修改超速限制 因因103103％超速限制功能易引发系统％超速限制功能易引发系统 振荡，最终造成全网停电。应取消振荡，最终造成全网停电。应取消103103％超％超 速限制功能。由于电网发生甩负荷时，油速限制功能。由于电网发生甩负荷时，油 开关并不一定跳闸，因此不能单靠油开关开关并不一定跳闸，因此不能单靠油开关 跳闸信号使跳闸信号使OPCOPC电磁阀动作来限制机组超电磁阀动作来限制机组超 速。增设了加速度大速。增设了加速度大OPCOPC功能来抑制甩负功能来抑制甩负 荷飞升转速。荷飞升转速。 ? ? 减小油动机时间常数减小油动机时间常数 可通过增大伺服控制系统的开环放可通过增大伺服控制系统的开环放 大倍数来减小油动机时间。但过大的放大大倍数来减小油动机时间。但过大的放大 倍数会造成伺服系统振荡。对于常见的积倍数会造成伺服系统振荡。对于常见的积 分型油动机，建议伺服控制器采用比例调分型油动机，建议伺服控制器采用比例调 节器，这样可有效减小油动机时间常数。节器，这样可有效减小油动机时间常数。 ? ? 减小一次调频死区减小一次调频死区 考虑到频繁出现的微量电网功率余考虑到频繁出现的微量电网功率余 缺，可依赖电网的自然调频特性来调节供缺，可依赖电网的自然调频特性来调节供 电频率。为避免机组功率频繁波动，可人电频率。为避免机组功率频繁波动，可人 为设置一定的调频死区。建议将一次调频为设置一定的调频死区。建议将一次调频 死区设为死区设为±±2r/min2r/min。。 ? ? 取消一次调频限幅取消一次调频限幅 若机组转速降低，在一次调频作若机组转速降低，在一次调频作 用下开大调节阀，利用锅炉蓄能的支持可用下开大调节阀，利用锅炉蓄能的支持可 增大发电功率。若锅炉蓄能不足，可能会增大发电功率。若锅炉蓄能不足，可能会 使蒸汽压力下降过大。另外若调节阀开度使蒸汽压力下降过大。另外若调节阀开度 过大，也可能使发电机功率过大。建议可过大，也可能使发电机功率过大。建议可 在加负荷方向上设置适当的限制。但为避在加负荷方向上设置适当的限制。但为避 免机组超速在关调节阀方向必须无任何限免机组超速在关调节阀方向必须无任何限 制。制。 二二. .中间再热汽轮机组中间再热汽轮机组 ? ? 1.1.控制对象控制对象 ? ? 2.2.发电机组热力系统发电机组热力系统 ? ? 3.3.转子方程转子方程 1.1.控制对象概述控制对象概述 ? ? 电力系统：主要由发电厂、变电站、输电线路和电力系统：主要由发电厂、变电站、输电线路和 电力用户四大部分组成。电力用户四大部分组成。 ? ? 为了提高供电的可靠性，通常将各个发电厂、变为了提高供电的可靠性，通常将各个发电厂、变 电站通过超高压输电线路连接起来，组成一个容电站通过超高压输电线路连接起来，组成一个容 量很大、地域很广的电网。电网中各个发电机组量很大、地域很广的电网。电网中各个发电机组 输出的功率相互支援。输出的功率相互支援。 ? ? 随着电网容量的增大，电网功率负荷不平衡量相随着电网容量的增大，电网功率负荷不平衡量相 对减小，因此电网容量越大供电频率稳定性越好。对减小，因此电网容量越大供电频率稳定性越好。 ? ? 在大电网下，因单台发电机组的容量占电网总容在大电网下，因单台发电机组的容量占电网总容 量的比例很小，当单台机组进汽量变化时对电网量的比例很小，当单台机组进汽量变化时对电网 频率影响很小。表现为只是机组功率随之变化。频率影响很小。表现为只是机组功率随之变化。 远 方 输 电 电 网 发电机 变压器 断路器 断路器 变压器 变 电 所 变 电 所变压器 断路器 断路器 发电机 变压器变压器 断路器 当 地 输 电 电 网当 地 输 电 电 网 断路器 变压器 用电户 变压器 发电机 断路器 用电户用电户 当 地 输 电 电 网 断路器 变压器变压器 发电机 断路器 断路器 变压器 变 电 所 电 网 结 构 示 意 图 在锅炉中通过燃烧煤炭释放出热能。水在在锅炉中通过燃烧煤炭释放出热能。水在 锅炉中吸收热能后，转化为过热蒸汽。具有热力锅炉中吸收热能后，转化为过热蒸汽。具有热力 势能的过热蒸汽进入汽轮机后膨胀做功，将热力势能的过热蒸汽进入汽轮机后膨胀做功，将热力 势能转换为驱动发电机组转子的机械功率。发电势能转换为驱动发电机组转子的机械功率。发电 机再将机械功率转换为电磁功率。做功后的低能机再将机械功率转换为电磁功率。做功后的低能 蒸汽在凝汽器中凝结成水。给水泵将水再打入锅蒸汽在凝汽器中凝结成水。给水泵将水再打入锅 炉，强制形成连续循环，使发电机组可连续地生炉，强制形成连续循环，使发电机组可连续地生 产出电能。产出电能。 汽轮机的机械功率正比于其进汽流量。而汽轮机的机械功率正比于其进汽流量。而 流量又正比于蒸汽压力与进汽阀门有效开度之积。流量又正比于蒸汽压力与进汽阀门有效开度之积。 因此，改变阀门开度或蒸汽压力，即可改变机械因此，改变阀门开度或蒸汽压力，即可改变机械 功率。前者称为定压调节方式，后者称为滑压调功率。前者称为定压调节方式，后者称为滑压调 节方式。汽轮机调节系统通过改变调节阀开度，节方式。汽轮机调节系统通过改变调节阀开度， 使功率负荷达到平衡，最终达到稳定供电频率的使功率负荷达到平衡，最终达到稳定供电频率的 目的。目的。 2.2.发电机组热力系统发电机组热力系统 空气 空气 冷却塔 给水泵 循环泵 凝汽器 发电机 汽轮机 高压缸 锅 炉 电 网 油开关 再热调节阀 过 热 器 再 热 器 再热主汽阀 高压主汽阀 高压调节阀 高压逆止阀 低 压 旁 路 汽轮机 低压缸 火 力 发 电 厂 热 力 循 环 示 意 图 ? ? 发电机：发电机： 同步发电机转子线圈励磁后，在汽轮机的同步发电机转子线圈励磁后，在汽轮机的 驱动下旋转。发电机定子线圈切割磁力线产生感驱动下旋转。发电机定子线圈切割磁力线产生感 应电动势。当发电机出口开关闭合时，发电机通应电动势。当发电机出口开关闭合时，发电机通 过出口变压器与电网母线相连。发电机有关功率过出口变压器与电网母线相连。发电机有关功率 可由下式给出：可由下式给出： δ?sin3cos3 Σ == X UE UING ? ? 汽轮发电机组的转子运动方程为：汽轮发电机组的转子运动方程为： TWGT T T NNN dt d J??= 2 2 1ω 定 子 转 子 δ 油开关 电 网 变压器 发电机 定 子 励磁 发电机电压 电 网 油开关 总电抗 感 应 电动势 电网电压 电流 ? δ Σ Σ 同步发 电机概念示 意 图 δ?sin3cos3 Σ == X UE UING ? ? 转子方程：机械功率转子方程：机械功率N N T T 与电磁功率与电磁功率N NGG和损耗功率和损耗功率 N N TWTW之差对机组转子做功，引起转子动能变化。之差对机组转子做功，引起转子动能变化。 因汽轮机的转子时间常数因汽轮机的转子时间常数T T a a 及转子自平衡系数及转子自平衡系数ββ T T 较小，其自平衡能力很弱，需要良好的转速反馈较小，其自平衡能力很弱，需要良好的转速反馈 调节系统控制，才能维持转速稳定。调节系统控制，才能维持转速稳定。 TWGT T T NNN dt d J??= 2 2 1ω Ge eT a N J T 2 ω = e TTW T TT NN )( ωω β ? ? ? ? ? = )(t dt d T TT T a ψμ?β ? +=+ 归一化后： 转子时间常数： 转子自平衡系数： 3.3.转子方程转子方程 ? ? 电网等效转子方程：所有净机械功率之和电网等效转子方程：所有净机械功率之和 与所有负载消耗功率之差对电网等效转子与所有负载消耗功率之差对电网等效转子 做功，引起等效转子动能变化。做功，引起等效转子动能变化。 ()()() Cj Cj Di Di TWk Tk Tk TkDiDiakTk NCNCNCNC dt d TC dt d TC DiTk Σ?Σ??Σ= ? ? ? ? ? ? ? ? Σ+ ? ? ? ? ? ? ? ? Σ 22 2 1 2 1ωω ())(trC dt d T kTkWW W W +Σ=+μ?β ? Dei DeiDi Di N J T 2 ω = () Gek Gek Tk N N C Σ = () Gek Dei Di N N C Σ = ()() DiDiakTkW TCTCTΣ+Σ= () e W Cj Cj e W Di DiTkTkW N C N CC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Σ+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Σ+Σ= ?? ββ () Gek N N r Σ Δ = () Gek Cej Cj N N C Σ = Gek eTk ak N J T 2 ω = 阀位给定 + + φ μ ψ φ OPC动作 Y 关调门 N 延迟采样 - 发电机电磁有功率 汽缸容积 - + 转 子 汽轮机转速 油开关 β 油动机 SS+1S+1 δ 不等率 - + 测速 给定转速 汽轮机自平衡 DEH 控 制 系 统 仿 真 框 图 三三. .智能透平控制器智能透平控制器 ? ? 1.1.智能透平控制器概述智能透平控制器概述 ? ? 2.2.智能透平控制器主要功能智能透平控制器主要功能 ? ? 3.3.智能透平控制器适用控制对象智能透平控制器适用控制对象 ? ? 4.4.智能透平控制器硬件原理智能透平控制器硬件原理 ? ? 智能透平控制器（智能透平控制器（Turbine Control Module Turbine Control Module – –简简 称称TCMTCM）是一种适应于小型透平旋转机械的一体）是一种适应于小型透平旋转机械的一体 化嵌入式控制设备。主要用于小型单抽、纯凝及化嵌入式控制设备。主要用于小型单抽、纯凝及 背压式，热电联产或拖动型透平机械的控制。被背压式，热电联产或拖动型透平机械的控制。被 控参数主要是机组转速、功率、压力等。控参数主要是机组转速、功率、压力等。 ? ? TCMTCM包括：现场信号采集功能、实时控制逻辑运包括：现场信号采集功能、实时控制逻辑运 算功能、控制信号输出功能等，具有运算能力强、算功能、控制信号输出功能等，具有运算能力强、 速度快的特点，可满足透平机械实时控制响应时速度快的特点，可满足透平机械实时控制响应时 间的要求。间的要求。 ? ? TCMTCM采用单路采用单路24VDC24VDC直流电源供电。直流电源供电。 ? ? TCMTCM具有两个通讯口：具有两个通讯口：RS232RS232和和RS485RS485口，可口，可 与人机接口设备连接，实现控制逻辑下装调试、与人机接口设备连接，实现控制逻辑下装调试、 操作显示等功能。操作显示等功能。 1.1.智能透平控制器概述智能透平控制器概述 触摸屏 控制 现场信号 转 速 伺 服 控制系统 工程师站 以太网 操作员站 TCM系统结构示意图 TCM机箱示意图（不带操作显示器） TCM机箱示意图（带触摸屏器） 2.2.智能透平控制器主要功能智能透平控制器主要功能 ? ? 测频通道：测频通道： 3 3 路，可自动适应磁阻式或磁敏式转速探头发路，可自动适应磁阻式或磁敏式转速探头发 出的正弦波或方波信号，信号幅度大于出的正弦波或方波信号，信号幅度大于0.5V0.5V小于小于50V50V即可。即可。 频率测量范围频率测量范围0.5Hz0.5Hz～～15KHz15KHz，频率测量精度高于，频率测量精度高于1010- -4 4 数量级。频率信号更新周期为数量级。频率信号更新周期为max{10ms,T}max{10ms,T}，， T T 为频率为频率 信号周期。信号周期。 ? ? 伺服控制通道：伺服控制通道： 2 2 路，可通过软件设置为电流型或电压型路，可通过软件设置为电流型或电压型 方式，并且还可通过软件设置电流和电压限幅范围。输出方式，并且还可通过软件设置电流和电压限幅范围。输出 能力最大为能力最大为- -200200～～+20mA+20mA、、- -1010～～+10V+10V。可灵活配置。可灵活配置 LVDTLVDT反馈通道。反馈通道。 ? ? 模拟量输入通道：模拟量输入通道：1616路，可通过跳线选择路，可通过跳线选择 4 4 ～～20mA20mA电流电流 或或 0 0 ～～+10V+10V电压信号，可通过接线选择供电或非供电形电压信号，可通过接线选择供电或非供电形 式。式。 ? ? 模拟量输出通道：模拟量输出通道： 6 6 路，路， 4 4 ～～20mA20mA电流。电流。 ? ? 开关量输入通道：开关量输入通道：2424路，干接点输入，路，干接点输入，24VDC24VDC 查询电源。查询电源。 ? ? 开关量输出通道：开关量输出通道：1616路，继电器干接点输出，其路，继电器干接点输出，其 中中4 4路常闭接点，路常闭接点，1212路常开接点。路常开接点。 ? ? 在工程师站上完成控制逻辑组态后，通过在工程师站上完成控制逻辑组态后，通过RS232RS232 编程口下载到编程口下载到TCMTCM中。中。TCMTCM上电后即可自动运行。上电后即可自动运行。 典型工程控制周期仅为典型工程控制周期仅为50ms50ms左右，完全满足透左右，完全满足透 平机械控制系统要求。平机械控制系统要求。 ? ? 在工程师站上完成显示画面组态后，下装到人机在工程师站上完成显示画面组态后，下装到人机 接口设备中。通过接口设备中。通过RS485RS485通讯口可实现通讯口可实现TCMTCM与人与人 机接口设备的数据交换，完成操作显示功能。机接口设备的数据交换，完成操作显示功能。 3.3.智能透平控制器适用控制对象智能透平控制器适用控制对象 ? ? 凝汽式汽轮发电机组凝汽式汽轮发电机组 ? ? 背压式汽轮发电机组背压式汽轮发电机组 ? ? 单抽、凝汽式汽轮发电机组单抽、凝汽式汽轮发电机组 ? ? 单抽、背压式汽轮发电机组单抽、背压式汽轮发电机组 ? ? 补汽补汽 / / 抽汽、凝汽式汽轮发电机组抽汽、凝汽式汽轮发电机组 ? ? 补汽补汽 / / 抽汽、背压式汽轮发电机组抽汽、背压式汽轮发电机组 ? ? 补汽、凝汽式汽轮发电机组补汽、凝汽式汽轮发电机组 ? ? 补汽、背压式汽轮发电机组补汽、背压式汽轮发电机组 ? ? 高炉煤气透平余压发电机组高炉煤气透平余压发电机组 ? ? 燃气透平发电机组燃气透平发电机组 ? ? 离心式鼓风机组离心式鼓风机组 ? ? 轴流式鼓风机组轴流式鼓风机组 ? ? 单汽源给水泵机组单汽源给水泵机组 ? ? 双汽源给水泵机组双汽源给水泵机组 ? ? 船用主汽轮机组船用主汽轮机组 ? ? TCMTCM的控制部分由控制的控制部分由控制IOIO板和控制板和控制CPUCPU板组成，两块板板组成，两块板 子通过两个子通过两个6464针针PC104PC104接插件相连，最终通过控制接插件相连，最终通过控制IOIO板板 上的端子条及通讯口与外部信号连接。上的端子条及通讯口与外部信号连接。 ? ? 显示部分可采用触摸屏与控制部分安装在一个机箱内，也显示部分可采用触摸屏与控制部分安装在一个机箱内，也 可采用通用可采用通用PCPC机或机或DCSDCS系统与控制部分分开布置。系统与控制部分分开布置。 ? ? 开关量输入通道开关量输入通道 ：：24V24V查询电源正极通过光电隔离的发查询电源正极通过光电隔离的发 光二极管、限流电阻后从端子光二极管、限流电阻后从端子DInDIn引出，经外部开入干接引出，经外部开入干接 点后回到地端子点后回到地端子GNDIOGNDIO。当接点闭合时，发光二极管点。当接点闭合时，发光二极管点 亮。经过滤波整形后，计算机将该通道对应变量置亮。经过滤波整形后，计算机将该通道对应变量置 1 1 。当。当 干接点断开时，该通道对应变量置干接点断开时，该通道对应变量置 0 0 。。 ? ? 开关量输出通道：计算机的开关量输出信号经光隔离、功开关量输出通道：计算机的开关量输出信号经光隔离、功 率放大后驱动继电器，通过继电器的单个接点输出。率放大后驱动继电器，通过继电器的单个接点输出。 4.4.智能透平控制器硬件原理智能透平控制器硬件原理 选择 开关 I/V 电路 选择 开关 RC 滤波 ADC隔离整形 RC 放大 跟随 非隔离通 道AI 信号 滤波 RC 滤波ADC隔离整形I/V 电路 隔离通道 AI 信号 DAC V/I 电路 控制 驱动 电路 偏置 放大 模拟 开关 整形光电隔离 模拟输出 伺服 输出 滤波隔离 DI 信号 整形 隔离驱动 DO信号 继电器 隔直放大 过零比较隔离整形滤波限幅 频率信号 接 口 接 线 端 子 TCM I/O板原理框图 ? ? 1~31~3模拟量输入通道：为每一路都设计了单独的电源，实模拟量输入通道：为每一路都设计了单独的电源，实 现了路路隔离。该电路仅接受电流信号，输入电阻为现了路路隔离。该电路仅接受电流信号，输入电阻为5050ΩΩ。。 采用双端输入方式，可有效抑制共模干扰。采用双端输入方式，可有效抑制共模干扰。A/DA/D转换后数转换后数 据经光隔离送入据经光隔离送入CPUCPU板。板。 ? ? 4~164~16模拟量输入通道：通过设置模拟量输入通道：通过设置IOIO板中的相应跳线可接板中的相应跳线可接 受电压或电流两种信号。若将受电压或电流两种信号。若将5050ΩΩ电流采样电阻接入则输电流采样电阻接入则输 入为电流信号，否则为电压信号。入为电流信号，否则为电压信号。A/DA/D转换后数据经光隔转换后数据经光隔 离送入离送入CPUCPU板。板。 ? ? 模拟量输出通道：数据经光隔离后写入模拟量输出通道：数据经光隔离后写入D/AD/A转换器，由转换器，由 D/AD/A转换器变换为电压信号，再经电压电流转换电路变换转换器变换为电压信号，再经电压电流转换电路变换 为对应的电流值。为对应的电流值。 ? ? 伺服控制输出通道：阀位给定值与执行机构行程的反馈值伺服控制输出通道：阀位给定值与执行机构行程的反馈值 经过经过FPGAFPGA快速比较运算后，通过伺服控制输出通道送到快速比较运算后，通过伺服控制输出通道送到 伺服阀去控制执行机构的行程，最终使执行机构的行程定伺服阀去控制执行机构的行程，最终使执行机构的行程定 位在阀位给定值规定的位置上。位