水轮机调节系统原理

水轮机调节系统是维持水轮发电机组的水能输入，以达到动力系统供需平衡的复杂自动控制系统，其中水轮机调速器是水轮机调节系统的核心设备。自20世纪60年代起，华中科技大学长期致力于水轮机控制系统的技术研究与产品开发工作，研发的微机水轮机调速器突破了国外水轮机控制技术的长期垄断，并在几代人的努力下成功建立了从理论分析、优化设计、产品开发应用到动态仿真的完整的水轮机调速器关键技术创新和产业化应用体系。由我校魏守平教授主编的《水轮机调节》长期以来是全国相关专业*教材之一。 水力发电技术近些年得到了快速发展，一些新理论和新技术应运而生。为满足国家对创新人才培养的需要，适应水轮机调节系统理论发展形式的需求，我们重新编写本教材，希望以华中科技大学在水轮机调节本领域的技术积累与前序教材、论著为基础，结合我校在理论研究与工程应用中的成果和经验，围绕水轮机调节系统基本概念、工作原理、动态仿真和控制优化，全面、系统地讲述水轮机调节系统的基本原理、工作特点和发展方向，力求突出特色。本书适用于开设“水轮机调节”课程的本科生和研究生，也可供从事水轮机调节系统的理论研究、技术开发和设计、电站设计、设备制造、水电站运行和维护检修的技术人员以及高等院校教师等专业人员阅读和参考。 本书由华中科技大学李超顺教授和张勇传院士共同主编，几位华中科技大学教师和在其他学校任教的校友参编。张勇传院士负责制定全书大纲并指导全书的撰写。李超顺教授主要负责第4、7、8、10章的撰写。华中科技大学黎育红副教授与华北水利水电大学刘冬博士共同负责第1～3章的撰写工作，河海大学冯陈博士主要负责第3、5章的撰写工作，淮阴工学院张楠博士主要负责第6、9章的撰写工作。李超顺教授和张勇传院士团队在读的部分博士、硕士研究生也参与了本书相关章节的撰写工作，如谭小强、魏春阳、陆雪顶、许荣利、王赫、朱郅玮、吴奕斌等，并协助李超顺教授负责全书校订和插图绘制工作。李超顺教授负责全书大纲的拟定与审定工作。在本教材编写过程中，参考了部分国内外教材，也获得了相关单位以及有关专家同仁的指导与大力支持，在此一并表示衷心的感谢! 本书内容融入了作者一些科学研究的成果和观点，加之作者水平有限，对于书中存在的错误与不妥之处，诚恳欢迎广大专家同行和其他读者提出意见和批评。

本教材分为10章，主要内容包括水轮机调节系统的基本概念、水轮机调速器主要类型、水轮机微机控制技术、调速器伺服系统与油压装置、水轮机调节系统数学模型、水轮机调节系统动静特性、调节保证计算和设备配置、水轮机调节系统数字仿真、调速器控制规律优化以及水轮机调节系统现场试验。除了介绍本学科的经典理论、方法和应用外，还将课题组多年来的*新成果融入其中，包含新型控制算法、水轮机数学模型和调速器控制规律优化，进一步更新了水利学科知识体系，有助于读者系统深入地学习水轮机调节系统的发展历程。 本书可作为能源与动力类与水利水电专业的本科生教材，也可供其他相关专业和从事水电控制设备研究、设计、制造、安装调试与运行的技术人员参考。

李超顺，博士，华中科技大学教授、博导，国家“万人计划”青年拔尖人才入选者，湖北省杰出青年基金获得者，兼任中国振动工程学会转子动力学专委会常务理事、湖北省水力发电工程学会理事。2005年和2010年分别在武汉大学和华中科技大学获得学士和博士学位。主要从事水电、风电等清洁能源优化运行与控制、发电设备智能维护以及人工智能的应用研究。主持1项*人才项目、4项国家自然科学基金、3项省/部市重点项目以及多项公司委托横向课题。成果获4项省部级一等奖、2项省部级二等奖、2项学术著作奖。入选2020年Elsevier中国高引学者（水利学科共24名）、MDPI*高影响力作者。发表SCI期刊论文75篇，其中ESI高引10篇、中科院一区16篇、二区35篇、WOS引用2500 、H指数29。

第1章 水轮机调节系统的基本概念(1)

1.1 水轮机调节系统的任务与特点(1)

1.1.1 水轮机调节系统的任务(1)

1.1.2 水轮机调节系统的特点(3)

1.2 水轮机调节系统的组成与原理(4)

1.2.1 水轮机调节系统的组成(4)

1.2.2 水轮机调节系统的原理(5)

1.3 水轮机调速器的分类和发展(9)

1.3.1 调速器的分类(9)

1.3.2 调速器的发展(12)

1.4 水轮机调节系统主要元件特性(13)

1.4.1 测量元件(14)

1.4.2 放大元件(16)

1.4.3 反馈元件(27)

1.4.4 水轮发电机组(29)

1.5 课后习题(30)

第2章 电气液压型调速器(31)

2.1 测频回路(32)

2.1.1 永磁机——LC测频回路(32)

2.1.2 发电机残压——脉冲频率测量回路(34)

2.1.3 齿盘与磁头——脉冲频率测量回路(39)

2.1.4 发电机残压——数字测频电路(41)

2.1.5 几种测频回路的比较(44)

2.2 校正回路(45)

2.2.1 软反馈回路（缓冲回路）(45)

2.2.2 测频微分回路(48)

2.2.3 积分器回路(50)

2.3 功率给定、调差及人工失灵区回路(50)

2.3.1 功率给定、调差及跟踪回路(50)

2.3.2 人工失灵区回路(51)

2.4 综合放大与开度限制回路(53)

2.4.1 综合放大回路(54)

2.4.2 开度限制回路(57)

2.5 电气协联装置(59)

2.6 电液转换器(63)

2.7 课后习题(67)

第3章 水轮机微机控制技术(68)

3.1 微机调速器的结构与原理(69)

3.1.1 一般计算机控制系统的结构(69)

3.1.2 微机调速器的系统结构及主要功能(72)

3.1.3 微机调节器的硬件(74)

3.1.4 微机调节器的工作原理(80)

3.2 微机调速器的调节模式(81)

3.2.1 微机调速器的工作状态(81)

3.2.2 微机调速器的调节模式(83)

3.2.3 微机调速器的开机控制(86)

3.2.4 微机调速器的停机控制(88)

3.2.5 微机调速器的并网与解列控制(88)

3.2.6 数字协联与实现(89)

3.2.7 微机调速器的软件配置(92)

3.3 微机调速器的控制算法(94)

3.3.1概述(94)

3.3.2 位置型离散PID控制算法(95)

3.3.3 增量型离散PID控制算法(96)

3.3.4 PID控制算法的改进(96)

3.3.5 微机调速器常用的PID控制系统结构(98)

3.4 新型PID控制算法(100)

3.4.1 分数阶理论与分数阶PID控制器(100)

3.4.2 自适应模糊PID控制器(101)

3.5 课后习题(106)

第4章 水轮机调速器伺服系统与油压装置(107)

4.1 液压放大元件(108)

4.1.1 液压放大原理(108)

4.1.2 主配压阀(109)

4.1.3 主接力器(113)

4.2 电液转换器伺服系统(117)

4.3 电液比例阀伺服系统(121)

4.4 电机式伺服系统(124)

4.4.1 步进电机伺服系统(124)

4.4.2 直流电机伺服系统(129)

4.4.3 交流电机伺服系统(131)

4.5 电磁换向阀伺服系统(133)

4.6 导叶分段关闭装置(135)

4.6.1 接力器导叶分段关闭装置(135)

4.6.2 导叶分段关闭阀(136)

4.7 事故配压阀(137)

4.8 油压装置(139)

4.8.1 调速系统油压装置的特点和要求(139)

4.8.2 油压装置的组成与工作原理(140)

4.8.3 油压装置的系列(146)

4.9 课后习题(148)

第5章 水轮机调节系统数学模型(149)

5.1 调速器数学模型(149)

5.1.1 微机调节器模型(150)

5.1.2 液压执行机构非线性模型(151)

5.2水力系统数学模型(152)

5.2.1 压力引水管道模型(152)

5.2.2 调压井模型(154)

5.2.3 特征线求解模型(155)

5.3水轮机数学模型(156)

5.3.1 线性数学模型(156)

5.3.2 基于全工况特性曲线的非线性数学模型(157)

5.4 发电机及负载数学模型(159)

5.5 水轮机调节系统整体数学模型(160)

5.5.1 调速系统线性模型(160)

5.5.2 调速系统非线性模型(160)

5.6 课后习题(163)

第6章 调水轮机调节系统动静特性(164)

6.1 机组并列运行静态分析(164)

6.1.1 调差机构(165)

6.1.2 转速调整机构(168)

6.1.3 调速器在电力系统调频中的作用(170)

6.2 水轮机调节系统的动态特性(172)

6.2.1 开环与闭环传递函数(172)

6.2.2 调节系统动态响应特性(174)

6.2.3 调节系统动态响应特性(180)

6.2.4 调节系统动态响应特性(181)

6.3 水轮机调节系统的稳定性(183)

6.4 水轮机调节系统的参数整定(188)

6.4.1 极点配置法(189)

6.4.2 开环频率特性法(191)

6.4.3 运行工况的影响(194)

6.4.4 调速器参数整定的简易估算法(196)

6.5 课后习题(198)

第7章 调节保证计算和设备配置(199)

7.1 调节保证计算的任务与标准(199)

7.1.1 调节保证计算的任务(199)

7.1.2 调节保证计算的标准(200)

7.2 水击压力和转速上升计算(201)

7.2.1 水击现象分类(201)

7.2.2 水击压力计算(203)

7.2.3 转速压力计算(207)

7.3 调节保证的计算流程与实例(212)

7.3.1 调节保证计算步骤(212)

7.3.2 调节保证计算实例(212)

7.4 调节设备选型(214)

7.4.1 调速器型号的命名(214)

7.4.2 中小型调速器容量计算(215)

7.4.3 大型调速器容量计算(216)

7.5 改善大波动过渡过程的措施(219)

7.5.1 增加机组的GD2(219)

7.5.2 设置调压室(219)

7.5.3 装设调压阀(220)

7.5.4 改变导叶关闭规律(221)

7.5.5 装设爆破膜(222)

7.6 课后习题(223)

第8章 水轮机调节系统数字仿真(225)

8.1 MATLAB及其控制系统工具箱(226)

8.1.1 MATLAB语言基础(226)

8.1.2 MATLAB的控制系统工具箱与水轮机调节系统分析(229)

8.1.3 LTI Viewer(236)

8.2 Simulink与水轮机调节系统仿真(238)

8.2.1 用Simulink进行控制系统仿真的步骤(239)

8.2.2 用Simulink实现水轮机调节系统仿真(242)

8.3 S-函数及其应用(252)

8.3.1 S-函数的基本概念(252)

8.3.2 用MATLAB语句编写S函数(253)

8.3.3 水轮机调节系统的非线性仿真(256)

8.4 水轮机调节系统大波动过渡过程仿真(258)

8.4.1 水击计算的特征线法(258)

8.4.2 基本边界条件(261)

8.4.3 水轮机非线性数学模型(267)

8.4.4 计算步长选取(268)

8.4.5 大波动过渡过程计算步骤(269)

8.4.6 计算实例(273)

8.5 课后习题(275)

第9章 调速器控制规律优化(276)

9.1 优化算法(277)

9.1.1 引力搜索算法(277)

9.1.2 改进引力搜索方法(279)

9.2 调速器导叶开启规律优化(281)

9.2.1 一段式开机(281)

9.2.2 二段式开机(281)

9.2.3 智能开机(283)

9.2.4 实例分析(285)

9.3 调速器导时关闭规律优化(291)

9.3.1 抽水蓄能机组非线性仿真平台(292)

9.3.2 导叶规律优化问题描述(292)

9.3.3 单目标导叶关闭规律优化(295)

9.3.4 多目标导叶关闭规律优化(300)

9.4 调速器控制参数优化(305)

9.4.1 抽水蓄能机组调速系统分数阶PID控制器设计与参数优化(305)

9.4.2 抽水蓄能机组模糊控制器参数优化(324)

9.5 课后习题(332)

第10章 水轮机调节系统现场试验(333)

10.1 试验装置与标准(333)

10.1.1 水轮机调节系统试验装置(333)

10.1.2 水轮机调节系统试验标准(334)

10.2 调速器的整机调整和静态试验(334)

10.2.1 调速器的整机调整试验(334)

10.2.2 调速器的静态特性试验(339)

10.3 水轮机调节系统的动态特性试验(341)

10.3.1 单机空载稳定性观测(342)

10.3.2 空载扰动试验(343)

10.3.3 负载扰动试验(345)

10.3.4 甩负荷试验(346)

10.3.5 接力器不动时间测定试验(348)

10.3.6 带负荷连续72 h运行试验(349)

10.4 课后习题(349)

参考文献 (350) 

本教材分为10章，主要内容包括水轮机调节系统的基本概念、水轮机调速器主要类型、水轮机微机控制技术、调速器伺服系统与油压装置、水轮机调节系统数学模型、水轮机调节系统动静特性、调节保证计算和设备配置、水轮机调节系统数字仿真、调速器控制规律优化以及水轮机调节系统现场试验。除了介绍本学科的经典理论、方法和应用外，还将课题组多年来的*新成果融入其中，包含新型控制算法、水轮机数学模型和调速器控制规律优化，进一步更新了水利学科知识体系，有助于读者系统深入地学习水轮机调节系统的发展历程。 本书可作为能源与动力类与水利水电专业的本科生教材，也可供其他相关专业和从事水电控制设备研究、设计、制造、安装调试与运行的技术人员参考。

李超顺，博士，华中科技大学教授、博导，国家“万人计划”青年拔尖人才入选者，湖北省杰出青年基金获得者，兼任中国振动工程学会转子动力学专委会常务理事、湖北省水力发电工程学会理事。2005年和2010年分别在武汉大学和华中科技大学获得学士和博士学位。主要从事水电、风电等清洁能源优化运行与控制、发电设备智能维护以及人工智能的应用研究。主持1项*人才项目、4项国家自然科学基金、3项省/部市重点项目以及多项公司委托横向课题。成果获4项省部级一等奖、2项省部级二等奖、2项学术著作奖。入选2020年Elsevier中国高引学者（水利学科共24名）、MDPI*高影响力作者。发表SCI期刊论文75篇，其中ESI高引10篇、中科院一区16篇、二区35篇、WOS引用2500 、H指数29。