水电站及水电机组的控制.ppt

水电站及水电机组的控制,1.发电厂的分类,1.1 按电厂在电网中承担的任务分类：基荷电厂（年工作时间：5000小时以上）腰荷电厂（年工作时间：2000 5000小时）峰荷电厂（年工作时间：2000小时以下）,1.2 按电厂的能量来源和工作方式分类：,以煤为燃料的火力发电厂 燃气发电厂 燃油发电厂 水力发电厂 抽水蓄能电厂,原子能电厂压缩空气的蓄能电厂非常规能源电厂（如：太阳能、潮汐能、风能、地热能等）,2 水力发电厂2.1 水电站的组成,水库 大坝 厂房 输水管道系统 尾水系统 开关站 输电线路,2.2 水电站的分类(1)根据工作水头分类：,高水头（水头：250m）中水头（水头：50m250m）低水头（水头：50m）,(2)还可以分为：,河谷蓄能坝式水电站（需建筑大坝）径流式水电站（各季水流变化很小、低坝、库容小）,引水式水电站（河床坡度陡峭、落差大、低坝）抽水蓄能电站潮汐电站,2.3 水轮机的分类,将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机 水轮机分成两种主要类型：冲击式水轮机 反击式水轮机,冲击式水轮机 利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。以水斗式水轮机为代表，主要应用在高水头小容量电站。反击式水轮机 利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机。分为混流式、轴流式、轴流转浆式、斜流式水轮机，按其结构还可分为定桨式和转桨式,水斗式水轮机 恒压水轮机 高水头，水头变幅300m1800m 三大基本组成部件：喷嘴、转轮、机壳,斜击式水轮机,混流式水轮机蜗壳,轴流式水轮机转轮,反击式水轮机分为混流式、轴流式、轴流转浆式、斜流式水轮机,混流式水轮机转轮,混流式水轮机 在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮。使用最广泛，适用的水头范围宽，单机容量大，多为立式布置。基本组成部件：蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管。,推力导轴承的安装位置,立式混流式水轮机推力导轴承的安装位置：1个推力轴承，一般安装在发电机转子下部，有时在水轮机蜗壳以上 2个推力轴承，一般一个安装在发电机轴顶部，另一个在水轮机轴顶部,轴流式水轮机,轴流式水轮机 水流为轴向流动的反击式型水轮机。在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮。应用于低水头电站。,斜流式水轮机,斜流式水轮机 流道与轴线斜交，转轮叶片能够转动的水轮机。造价高，结构复杂，应用较少。,贯流式水轮机,贯流式水轮机 贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。贯流式水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机，特别适用于水头为320米的低水头电站。,卧式混流式水轮机,三峡电厂发电机转子起吊,2.4 水电站的电气设备水轮发电机,（1）组成 水轮发电机为三相交流同步发电机，包括以下部件：定子安装枢绕组 转子安装磁极，直流电流励磁 轴承推力轴承、导轴承。,（2）冷却和润滑,轴承的正常冷却，由加压循环水来完成；轴承的润滑有两种方法：一种为转速在额定转速的10%之内时，高压油顶起转子0.050.07mm，形成油膜；另一种为启动之前，用制动闸将转子顶起6mm约3min，形成油膜。发电机的冷却消除定子、转子内铜损、铁损的所产生的热量，一般采用密封循环的空气冷却系统或水冷却系统来完成。,（3）设计参数,同步转速：N=（频率*120）/磁极数飞逸转速：飞逸转速是指水力机组突然甩负荷而调速机构失效时所达到的转速，飞逸转速的数值为 水斗式水轮机1.85N 混流式水轮机1.65N1.8N 轴流转桨式水轮机1.9N2.2N 发电机功率：P=3 U I cos,2.4.2 变压器,一般机组的发电电压为6KV20KV，但在远距离传输中，为尽量减少线路损耗，传输电压可达到500KV以上。所以需用变压器将发电机的输出电压升高到输送电压，水电站的主变压器一般多为升压变。,变压器的冷却系统,通过油泵或风扇来降低变压器油的温度，有时在油箱内设水管，冷却水循环散热。,开关设备（1）断路器,断路器的工作特性：断开时必须采用绝缘油或SF6气体或真空来熄灭断路器触点产生的电弧。断路器根据灭弧介质分类：多油断路器、少油断路器、空气灭弧断路器,多油断路器 灭弧油、绝缘油油量很多 少油断路器 陶瓷断流器，减少了绝缘油 空气灭弧断路器 采用高压气体，吹掉电离介质,隔离开关的工作特性：在断路器断开回路之后系统处于无电流状态才可进行操作。隔离开关不存在切断或接通电源的能力。,（2）隔离开关,（3）隔离开关与断路器之间操作闭锁关系,分操作：先分断路器，再分隔离开关 合操作：先合隔离开关，再合断路器,（4）母线,连接发电机和变压器的回路,变电站,变电站的设备组成：输入线 输出线 母线 变压器 高低压开关设备和避雷器 继电器、测量仪表、电流电压互感器、熔断器、接地系统 载波通讯,2.4.5 辅助设备,辅助设备组成：油压装置 励磁系统 空压机 技术供水 排水泵 上游闸门,蝶阀 润滑油泵 变频器 卷扬机 轴承油冷却器 厂用变、主变冷却器,2.5 低水头电站,灯泡式布置 全贯流式布置（直流式）半贯流式布置（轴伸式）,2.6 潮汐发电,单向运行（落潮时发电）双向运行（涨落潮均发电）抽水蓄能（发电+抽水）,2.7 抽水蓄能电站 抽水蓄能电站的分类,按调节周期分类：日调节；月调节；年调节按入流情况分类：纯抽水蓄能型；混合型,2.7.2 抽水蓄能电站的典型布置,2.7.3 抽水蓄能电站的运行,（1）抽水蓄能电站的运行 在用电低谷时段，机组作为水泵运行而把水抽到上游水库，把能量储存起来；在峰荷时段内，再把上述储存的水用来发电。（2）抽水蓄能电站在电网中的作用 一方面，低谷负荷时段改善了热电站的负荷率，有利于电网；另一方面，降低热电站发峰荷出力的要求，设计容量可以降低。,2.7.4 抽水蓄能电站的发展,早期：设置4种设备，即水轮机、发电机、水泵和电动机(2)后来：发电机和电动机能结合成为电动发电机，形成串列机组安装在公共轴上：电机水轮机水泵(3)现在：水泵和水轮机结合成可递式水泵水轮机，从而形成二元机组：电动发电机和水泵水轮机,机组的布置,串列机组的布置：卧式 水轮机电机水泵 立式 电机水轮水泵 二元机组：几乎全是立式,二元机组抽水运行的启动,小型电机启动法 只有一对磁极，同步转速比主电动发电机大，容量相当于主电动发电机的5%10%。降低电压启动法（异步）电压降低50%65%，启动功率降至80%左右，一般采用主回路串联电抗器或主变抽头来降压降低周波启动法（同步）采用静态双向离子变频器（SFC）,背靠背启动法 一台机组做发电运行，输出电流供给另一台机组。然后两台机组同时加速到同步转速，并使第二台机组并网作电动机运行。,与背靠背同步启动相似，只是开始时两者均不投励磁，抽水机组以感应电动机方式启动，先使发电机启动并升速到50%80%ne，使发电机与抽水机组连接起来，然后投发电机励磁，此时发电机减速，电动机升速达到平衡时，电动机投励磁，两机同步升速，其后过程同背靠背启动。,半同步启动,全压异步启动,以全电压方式将机组启动，机组以感应电动机方式升速到额定转速附近，然后加励磁，机组被接入同步。,2.8 坝、闸门和阀门2.8.1 坝的类型,土石坝，又可分为土坝和堆石坝 混凝土重力坝或砌石重力坝 混凝土拱坝 混凝土支墩坝 溢流坝,2.8.2闸门的用途和类型,闸门的用途：调节具有自由水面的水流闸门的类型 进水口闸门：矩形闸门，圆筒形闸门 尾水闸门：矩形闸门，叠梁闸门 溢洪闸门：平板闸门（滚轮式闸门），弧形闸门（扇形闸门）检修闸门：矩形闸门，叠梁闸门,2.8.3阀门的用途和类型,阀门的用途 调节压力钢管和管道中的承压水流阀门的类型 关闭阀：球阀；蝴蝶阀；筒阀 调节阀：针阀；管阀；空注阀 消散阀：锥形消散阀；降能消散阀,3 水电机组的控制3.1 机组运行工况,（1）常规机组 停机 空转 空载 发电 调相（2）抽水蓄能机组 停机 空转 空载 发电 发电调相 抽水 抽水调相,3.2 工况变换过程（1）常规机组的工况变换,停机空转 停机空载 停机发电 停机发电调相 空载发电 发电发电调相,机械事故停机电气事故停机紧急事故停机一级过速停机（不一定有）二级过速停机（不一定有）,3.3 机组控制所涉及的控制对象,（1）调速器及其油压装置调速器开停机令导叶锁定油泵补气阀、排气阀隔离阀,（2）励磁系统,励磁开停机令发电机灭磁开关FMK发电机短路开关FDK,（3）油气水系统,A.技术供水及冷却水系统，包括：上导冷却水 推力冷却水 水导冷却水 定子冷却水 主变冷却水 调速器油箱冷却水,B.水导外循环泵C.主轴密封水D.制动风闸吸尘器E.密封围带（4）进水口闸门，快速事故闸门,3.4 正常停机与非正常停机的区别和处理,（1）区别 正常停机是在机组设备正常的情况下，根据调度或运行人员的指令而启动机组正常停机流程，机组最后转入停机状态。非正常停机是指在机组设备或电网发生异常时，监控系统根据调度或运行人员的指令以及根据非正常停机的启动条件而直接启用机组非正常停机流程，机组最后转入停机状态,（2）停机流程的启动方式,中控室运行人员命令（正常/非正常停机）远方调度命令（正常/非正常停机）LCU工控机/触摸屏/按钮命令（正常/非正常停机）自动启动（非正常停机）,（3）非正常停机流程的类型,电气事故停机机械事故停机紧急事故停机一级过速停机二级过速停机,（4）非正常停机流程的实现,原则：非正常停机是发生机组事故或电网事故时的紧急措施，要求做到可靠、快速、准确方法：根据LCU的配置形式不同，区别对待LCU配置形式为PLC+工控机，非正常停机流程由PLC实现LCU配置形式为PLC+触摸屏，非正常停机流程由PLC实现LCU的配置形式为异构冗余方式，例如 MODCELL+PLC,则非正常停机流程的组态方式也是冗余方式：A：工控机（完全组态）B：PLC（完全组态）C：MODCELL（部分重要组态）LCU的配置形式为同构冗余方式，例如：PLC+PLC 则两套PLC分别组态非正常停机流程 LCU的配置形式为PLC+常规继电器回路则在OLC中完成完全组态，在常规继电逻辑回路中完成部分重要组态,3.5 机组控制流程的优先级 及流程闭锁关系,（1）优先级控制流程优先级由低到高依次排列如下：转停机、转空载、转发电、转调相流程 事故停机、一级过速 紧急停机、二级过速,（2）闭锁关系,同一优先级相互闭锁，已经执行的流程优先，闭锁尚未执行的流程 不同优先级之间，优先级别较高的流程闭锁优先级别较低的流程；优先级别较高的流程一旦开始执行，则优先级别较低的流程必须封杀，同时还需将有关的保持型开出清零,3.6 双PLC模式控制权的确定和切换,控制权的确定一般按照以下原则 主PLC在运行态（非调试），则控制权属于主PLC，这时不需关心辅PLC的使能信号 主PLC无控制使能信号同时辅PLC在运行态，这两个条件均满足时，控制权切换至辅PLC 主、辅PLC的模件故障一般不进行控制权的自动切换，但可人工切换 正常运行时，主PLC在运行态，辅PLC在调试态,3.7 P、Q调节和保护,（1）P、Q调节一般采用脉冲宽度调节，即定频调宽方式，其表达式为：A=Kp*E1+Kd*(E1-E0)+B 其中：A P、Q的调节输出脉宽 Kp比例系数 Kd微分系数 E1新偏差值 E0旧偏差值 B 偏量值注：一般在PLC做P、Q调节时，可不做微分调节，故Kd=0,（2）调节死区为防止调节振荡，在P、Q调节时应设置一定范围的调节死区，偏差在死区范围内时，不进行P、Q调节输出。（3）调节保护 最大定子电流限制定子电流越上限，LCU闭锁P+，Q+输出，复限时解除闭锁 最小定子电流限制定子电流越下限，LCU闭锁P-，Q-输出，复限时解除闭锁,最大转子电流限制转子电流越上限，LCU闭锁Q+输出，复限后解除闭锁 最小转子电流限制转子电流越下限，LCU闭锁Q-输出，复限后解除闭锁 最大电压差限制极端电压突变过大（5%Ue/T)时，LCU闭锁Q调节，待机端电压正常后，LCU解除闭锁,最大负荷差保护当P，Q突变(25%Pe或25%Qe）时，LCU自动退出调节 调节超时保护当机组LCU无法在规定时限内将P、Q调入目标整定值的规定范围内时，调节自动退出 采样仪表异常保护当检测到交流采样仪表或变送器工作异常时，LCU自动退出P，Q调节,（4）调节周期的设定 首先确认P、Q的采集周期，而调节周期必须大于采集周期。如采集周期为2秒，则P调节周期可定在46秒，而Q调节周期可定在24秒。由于调速器电液转换等机械方面的原因，通常调节响应较迟，故有功功率P的调节周期可设的较大，但以不超过6秒为宜。而励磁调节器对无功功率的调节是电气调节，较为灵敏，故无功功率Q的调节周期以不超过4秒为宜。,（5）最大调节脉冲宽度限制 在确定了P、Q的调节周期后，还需要设置每个调节脉冲输出的最大脉宽限值。由于每个调节周期中的调节脉冲输出都是由PID运算得来，为了防止该值过大超出调节周期，容易造成超调，必须加以限制。通常最大调节脉宽不得大于调节周期的2/3。注意PID运算结果的正负值，可能回造成输出的异常。,（6）调节功能的投入与退出 在机组并网发电后，LCU自动将P、Q调节功能投入。当发生最大负荷差保护、调节超时保护、采样仪表异常保护后，应立即自动退出调节功能（P、Q分别处理）并报警。当有新的P、Q设定值收到后，LCU也自动将P、Q调节功能投入（P、Q分别处理）。,（6）P、Q调节的目标与要求 在保证调节品质的基础上快速地将机组负荷调到目标值。不发生超调、不发生振荡。无论调节范围（实际值与目标给定值的差）有多大，调节品质和调节速度都应差不多。应当在6090秒内调节到目标给定值。,3.9机组控制流程编制的注意事项,（1）标准化、易读易改（2）多沟通、深刻领会设计思路（3）关于开出24V电源 特别注意自启动流程（如油压装置自动打油、补气）启动和结束时开出24V电源的投退,（4）注意流程间的闭锁关系，特别是发生非正常停机时立即完成以下事项：清除正常开停机流程的进程清除正常开停机流程中的保持性开出清除PLC与CPU通讯下行信文的标志和缓冲区分类清除与同期装置投切的有关开出（5）对于机械风闸的投入，须考虑转速闭锁（n25%ne或n15%ne),避免高速加闸。,4.典型的机组控制流程,4.1 停机发电（1）开机条件 机组在停机态 发电机隔离开关合闸 发电机断路分闸 快速门全开 调速器开限打开 操作回路电源正常 无机/电事故,（2）切除电加热,电制动短路开关分闸投主闸密封水切检修空气围带制动闸退出（落下）投技术供水投总冷却水投水导外循环泵拔除导叶锁定,（3）励磁开机令,合FMK电调开机令限时60s导叶开度至空载限时120s转速5%限时90s转速95%限时120s电压85%,（4）投同期装置电源,投PT启动同期限时5分钟，断路器合闸断路器合闸后2秒切同期装置和同期点设定基落（10%）复归保持性开出,4.2 发电停机,（1）机组在发电态 操作回路电源正常 设定零负荷 限时5分钟负荷达最小（5%）跳断路器（2）停机令给电制动 停机令给励磁 停机令给电调,停机继电器动作限时120s导叶全关限时120s转速60%投电制动限时10s电制动投入限时180s转速15%电制动退出开吸尘器投风闸限时120s 转速5%延时60s停机复归继电器动作投检修空气围带,制动闸落下切除水导外循环泵投导叶锁定关技术供水关总冷却水投电制动复位停机令给电制动复位停机令给电调复位停机令给励磁复位投入发电机电加热,4.3 机械事故停机,（1）启动条件事故停机按钮动作或键盘操作压力油罐油位低压力油罐油位过高轴承温度过高主轴密封水中断30s,（2）流程的处理,发生机械事故停机，导叶须在最短时间内关闭，导叶在空载及以下开度使跳开发电机出口短路器和灭磁开关，然后转入流程。,4.4 电气事故停机,（1）启动条件保护装置的事故停机令发电机轴电流过大调速器电气箱主事故紧急事故停机流程转入（2）流程的处理 发生电气事故，立即断开发电机出口断路器和灭磁开关，并停机,4.5 紧急事故停机,（1）启动条件键盘或按钮紧急停机令低油压事故压力油罐油位极低事故停机过程中剪断销剪断事故停机过程中转速降不下机组过速动作（机械或电气）,（2）流程的处理：,发生紧急事故停机，需立即关闭快速门，（或关闭筒阀，蝶阀），跳开发电机出口开关和灭磁开关，并停机（转入电器事故停机流程）,