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。
电力系统中的水轮发电机组,需根据电力系统运行的要求对系统频率及电压进行自动调节,并接受电力系统或电厂的开机、停机指令,自动完成机组的正常开机并列、解列停机等工况转换控制。为保证机组及电力系统的安全可靠运行,需对机组的运行状况及数据信息进行自动监测,并在机组或电力系统出现故障或发生事故时,对机组进行有关的自动控制。实现这些自动控制的水轮发电机组自动控制系统的控制装置,通常包括水轮机调节装置 (即调速器)、发电机励磁装置、同期装置等。电力系统中发电机组自动控制系统的运行性能,直接关系着电力系统运行频率、电压的质量水平及发电机和电力系统运行的安全可靠性及稳定性。水轮发电机组的自动控制系统,随着实际应用经验的积累及新技术的应用,技术在不断地改进与更新。当今的水轮发电机组基本上采用微机调速器及由晶闸管整流电源及微机调节器构成的高起始响应的励磁装置,以更好的性能满足电厂及电力系统的要求。本书从水轮发电机组自动控制系统的工程设计及运行应用方面,阐述目前国内外水力发电厂常用的水轮发电机组自动控制的设计技术, 包括自动控制系统及各控制装置的技术要求、系统结构、工作原理、系统参数及特性分析、机组的控制操作流程及接线的设计等。本书由长江水利委员会长江勘测规划设计研究院梁建行编著, 陈红君、邹来勇校审。承蒙上海交通大学陈陈教授、长江水利委员会长江勘测规划设计研究院教授级高级工程师易先举、梁波、田子勤、陈冬波对书稿的审阅,提出了很多宝贵意见和建议,在此深表感谢。限于作者水平,书中不足之处,敬请读者批评指正。编著者2024年3月
作者：梁建行，原长江水利委员会设计研究院机电设计处电工二次室室主任（历任16年），教高，退休后原单位返聘做本专业具体设计工作至2010年底（10年）。曾为三峡、葛洲坝工程电气二次专业技术负责人，丹江口工程主要设计研究者及现场计技术负责人；主持过隔河岩、高坝洲等多个电站二次专业设计；参加过多个电站、变电站的设计；曾为多项设备及技术引进的技术负责人，曾作为与国外公司技术合作的中方技术负责人在加拿大公司工作历时3年多。参加和完成了多项技术研究并多次获奖；发表过多篇技术文章。执笔编写的已出版书有发电机灭磁系统的分析与计算、水电厂发电机励磁系统设计、水电厂计算机监控系统设计，将出版书水电厂继电保护系统设计，另有合编书。
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
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