本書闡述目前國內(nèi)外水力發(fā)電廠工程設計中水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)常用的設計技術，給出控制系統(tǒng)及各控制裝置的技術要求、系統(tǒng)結構、工作原理、系統(tǒng)特性分析、設備參數(shù)選擇計算、機組的控制操作流程及接線。
全書共4篇及4個附錄。第d一篇闡述水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的功能、結構及技術要求；第二篇給出水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)及調(diào)速器的功能、結構、技術要求、工作原理、調(diào)節(jié)特性及調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)數(shù)學模型及傳遞函數(shù)；第三篇敘述勵磁系統(tǒng)功能、結構，各組成部分的工作原理、技術要求及設備參數(shù)選擇計算；第四篇描述機組同期系統(tǒng)的技術要求、接線及參數(shù)整定，機組水力機械保護技術要求、接線及與其他系統(tǒng)接口的設計，機組及其輔助設備、進水閘（閥)控制操作系統(tǒng)的技術要求、控制流程與其他系統(tǒng)接口的設計，機組的電量及非電量測量監(jiān)視系統(tǒng)及其配置設計，機組的集中控制系統(tǒng)的技術要求及其功能配置的設計。4個附錄分別給出調(diào)速器液壓系統(tǒng)常用元件圖形符號、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)穩(wěn)定域分析、滅磁過程參數(shù)及滅磁系統(tǒng)設備選擇計算例、幾種勵磁控制方式下勵磁系統(tǒng)的特性分析及機組自動控制系統(tǒng)常用的術語。
電力系統(tǒng)中的水輪發(fā)電機組,需根據(jù)電力系統(tǒng)運行的要求對系統(tǒng)頻率及電壓進行自動調(diào)節(jié),并接受電力系統(tǒng)或電廠的開機、停機指令,自動完成機組的正常開機并列、解列停機等工況轉換控制。為保證機組及電力系統(tǒng)的安全可靠運行,需對機組的運行狀況及數(shù)據(jù)信息進行自動監(jiān)測,并在機組或電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生事故時,對機組進行有關的自動控制。實現(xiàn)這些自動控制的水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的控制裝置,通常包括水輪機調(diào)節(jié)裝置 (即調(diào)速器)、發(fā)電機勵磁裝置、同期裝置等。電力系統(tǒng)中發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的運行性能,直接關系著電力系統(tǒng)運行頻率、電壓的質量水平及發(fā)電機和電力系統(tǒng)運行的安全可靠性及穩(wěn)定性。水輪發(fā)電機組的自動控制系統(tǒng),隨著實際應用經(jīng)驗的積累及新技術的應用,技術在不斷地改進與更新。當今的水輪發(fā)電機組基本上采用微機調(diào)速器及由晶閘管整流電源及微機調(diào)節(jié)器構成的高起始響應的勵磁裝置,以更好的性能滿足電廠及電力系統(tǒng)的要求。本書從水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的工程設計及運行應用方面,闡述目前國內(nèi)外水力發(fā)電廠常用的水輪發(fā)電機組自動控制的設計技術, 包括自動控制系統(tǒng)及各控制裝置的技術要求、系統(tǒng)結構、工作原理、系統(tǒng)參數(shù)及特性分析、機組的控制操作流程及接線的設計等。本書由長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院梁建行編著, 陳紅君、鄒來勇校審。承蒙上海交通大學陳陳教授、長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院教授級高級工程師易先舉、梁波、田子勤、陳冬波對書稿的審閱,提出了很多寶貴意見和建議,在此深表感謝。限于作者水平,書中不足之處,敬請讀者批評指正。編著者2024年3月
作者：梁建行，原長江水利委員會設計研究院機電設計處電工二次室室主任（歷任16年），教高，退休后原單位返聘做本專業(yè)具體設計工作至2010年底（10年）。曾為三峽、葛洲壩工程電氣二次專業(yè)技術負責人，丹江口工程主要設計研究者及現(xiàn)場計技術負責人；主持過隔河巖、高壩洲等多個電站二次專業(yè)設計；參加過多個電站、變電站的設計；曾為多項設備及技術引進的技術負責人，曾作為與國外公司技術合作的中方技術負責人在加拿大公司工作歷時3年多。參加和完成了多項技術研究并多次獲獎；發(fā)表過多篇技術文章。執(zhí)筆編寫的已出版書有發(fā)電機滅磁系統(tǒng)的分析與計算、水電廠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計、水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計，將出版書水電廠繼電保護系統(tǒng)設計，另有合編書。
前言
第一篇 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的功能及結構
1 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的功能
2 水輪發(fā)電機組自動控制系統(tǒng)的結構
第二篇 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置
1 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng) 6
2 水輪機調(diào)節(jié)裝置 (調(diào)速器) 8
21 水輪機調(diào)節(jié)裝置 (調(diào)速器)的任務、技術要求及結構 8
211 調(diào)速器的任務 8
212 調(diào)速器的技術要求8
213 調(diào)速器的結構9
22 調(diào)速器的調(diào)節(jié)器及頻率測量9
221 調(diào)速器的調(diào)節(jié)器9
222 調(diào)速器的頻率測量 12
23 調(diào)速器的液壓系統(tǒng) 13
231 調(diào)速器的液壓隨動系統(tǒng) 14
232 事故停機電磁閥、過速限制器及導葉分段關閉裝置 20
233 調(diào)速器液壓系統(tǒng)示例 23
24 調(diào)速器的電源、油壓裝置及轉速信號裝置 25
241 調(diào)速器的電源 25
242 調(diào)速系統(tǒng)的油壓裝置 26
243 轉速信號裝置及機械液壓過速保護裝置 28
25 冗余配置的調(diào)速器結構 29
26 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)調(diào)節(jié)特性 34
261 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性及永態(tài)差值系數(shù) 34
262 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性 37
27 調(diào)速器控制方式及其切換 37
28 調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式及其投切 39
281 調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式 39
282 調(diào)速器調(diào)節(jié)模式的投切 43
29 調(diào)速器故障檢測及處理 44
210 調(diào)速器控制操作及運行監(jiān)視的接口界面45
211 開機、停機等工況轉換過程調(diào)速器的控制操作 47
2111 調(diào)速器的開機控制操作47
2112 調(diào)速器的正常停機控制操作 48
2113 動作事故停機電磁閥停機時調(diào)速器的控制操作 48
2114 動作過速限制器停機時調(diào)速器的控制操作 48
212 調(diào)速器的外部接口接線及產(chǎn)品參數(shù) 49
2121 調(diào)速器的外部接口接線 49
2122 調(diào)速器產(chǎn)品參數(shù) 51
3 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 53
31 調(diào)速器數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 53
311 調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 53
312 液壓隨動系統(tǒng)的數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 55
32 水輪機及其引水系統(tǒng)的數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 57
321 水輪機的轉矩方程 57
322 水輪機的流量方程及壓力引水系統(tǒng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 58
323 水輪機的傳遞系數(shù) 59
324 水輪機及其引水系統(tǒng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 60
33 發(fā)電機和電力系統(tǒng)的數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 61
331 發(fā)電機的轉矩平衡方程 62
332 離網(wǎng)運行的發(fā)電機及單機帶負荷的電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)的數(shù)學模型及
傳遞函數(shù) 70
333 機組并列運行的電力系統(tǒng)數(shù)學模型及傳遞函數(shù) 71
34 機組各種運行方式下的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構 79
341 發(fā)電機離網(wǎng)運行時的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構 79
342 發(fā)電機單機帶負荷時的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構 80
343 機組并列運行時的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構 80
4 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能指標 84
41 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標 84
42 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 84
43 機組參加電網(wǎng)一次調(diào)頻時,水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求 85
44 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中局部系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的性能指標要求 86
45 其他 86??
第三篇 水輪發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及裝置
1水輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的任務、 技術要求及結構 88
11 勵磁系統(tǒng)的任務 88
12 勵磁系統(tǒng)的技術要求 89
13 自并勵勵磁方式的特點 91
131 強勵電壓特性與電力系統(tǒng)穩(wěn)定 91
132 短路電流特性及發(fā)電機的后備保護 92
133 發(fā)電機的開機起勵 94
14 發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)結構示例 94
2 勵磁變壓器 97
21 勵磁變壓器的技術要求 97
22 勵磁變壓器的類型、接線組別、使用條件及溫升限值、額定電壓及
容量計算 98
221 勵磁變壓器的類型 98
222 勵磁變壓器的接線組別 99
223 勵磁變壓器的使用條件及溫升限值 99
224 勵磁變壓器的額定電壓及容量 100
23 勵磁變壓器的電流互感器配置及參數(shù)選擇 103
231 勵磁變壓器的電流互感器的配置及類別 103
232 勵磁變壓器的電流互感器的額定一次電流 104
233 電流互感器額定二次電流及額定二次負荷 108
24 勵磁變壓器及其輔助設備參數(shù)及選擇計算示例 109
241 勵磁變壓器及其輔助設備參數(shù)示例 109
242 勵磁變壓器及電流互感器主要參數(shù)的選擇計算示例
3 勵磁功率整流器 115
31 勵磁功率整流器的技術要求 115
32 晶閘管全控橋式整流器工作原理 116
321 基本工作原理 116
322 三相全控橋整流器輸出電壓的計算 117
323 閥電流及整流器交流側電流計算 120
324 整流器整流橋 (支路)的并聯(lián)及電流均衡 122
33 晶閘管參數(shù)及選擇計算 122
331 晶閘管參數(shù) 122
332 晶閘管額定電壓的選擇計算 127
333 晶閘管額定電流的選擇計算 128
34 整流器晶閘管的快速熔斷器保護 131
341 快速熔斷器額定電壓的選擇計算 132
342 快速熔斷器額定電流的選擇計算 132
343 快速熔斷器的額定分斷能力計算 134
344 快速熔斷器I2t 的選擇計算 135
35 整流器的冷卻方式 137
351 自然冷卻方式及熱管冷卻 137
352 強迫風冷 138
353 水冷卻方式 141
36 整流器交、直流側電纜 141
361 電纜外護層類型、芯數(shù)、絕緣類型及額定電壓的選擇 141
362 電纜截面及根數(shù)的選擇 141
37 勵磁功率整流器參數(shù)計算及接線示例 144
371 勵磁功率整流器參數(shù)示例 144
372 勵磁功率整流器主要參數(shù)選擇計算 145
373 勵磁功率整流器接線 150
4 勵磁系統(tǒng)過電壓及保護 152
41 勵磁系統(tǒng)過電壓及過電壓保護配置152
411 勵磁系統(tǒng)過電壓 152
412 勵磁系統(tǒng)過電壓保護的配置 154
42 晶閘管及整流器交流側過電壓保護 154
421 每橋臂設置的晶閘管關斷過電壓保護 155
422 交流側三相式阻容保護 159
423 交流側整流橋式阻容保護 161
424 集中式阻容過電壓保護 163
425 壓敏電阻過電壓保護 163
43 整流器直流側過電壓 (轉子過電壓)保護 164
431 轉子過電壓保護的接線及工作原理 164
432 轉子過電壓保護動作電壓的整定計算 166
433 轉子過電壓保護用非線性電阻整組特性的選擇 170
43轉子過電壓保護非線性電阻的工作能容量 171
44 勵磁系統(tǒng)過電壓保護計算示例 172
441 每橋臂設置的晶閘管關斷過電壓保護電容、電阻參數(shù)計算 172
442 勵磁功率整流器直流側過電壓 (轉子過電壓)保護動作電壓整定值計算 174
5 勵磁調(diào)節(jié)器及勵磁控制 176
51 勵磁調(diào)節(jié)器的功能要求 176
511 調(diào)節(jié)功能 176
512 限制器功能 180
513 故障檢測與保護 181
514 控制操作 181
515 其他功能 181
52 勵磁調(diào)節(jié)器結構 182
53 勵磁控制方式及數(shù)學模型 183
531 電壓偏差的比例控制 185
532 PID (或PI)控制及勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)校正 186
54 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 (PSS) 188
541 PSS1A 型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 189
542 PSS2B 型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 190
543 PSS3B 型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 192
544 PSS4B 型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 192
6 發(fā)電機的滅磁系統(tǒng) 194
61 發(fā)電機滅磁系統(tǒng)的要求 194
62 自并勵發(fā)電機常用的滅磁方式及選擇 197
621 直流磁場斷路器及滅磁電阻滅磁方式 197
622 交流磁場斷路器及滅磁電阻滅磁方式 206
623 直流及交流側均設置磁場斷路器的滅磁方式 211
624 自并勵發(fā)電機滅磁方式選擇 221
63 直流滅磁系統(tǒng)磁場斷路器的選擇計算 221
631 直流磁場斷路器的技術要求及參數(shù) 221
632 直流磁場斷路器的選擇計算 225
64 交流滅磁系統(tǒng)磁場斷路器的選擇計算 234
641 交流磁場斷路器的技術要求 234
642 交流磁場斷路器的參數(shù)及其選擇計算 234
65 交直流滅磁系統(tǒng)磁場斷路器的選擇計算 240
651 磁場斷路器滅磁分斷能力的選擇計算 240
652 磁場斷路器的短路分斷能力及其他參數(shù)的選擇計算 241
66 滅磁過程及滅磁電阻容量的選擇計算 242
661 滅磁開始的轉子電流、整流器輸出電壓及勵磁變壓器低壓側電壓計算 242
662 滅磁過程轉子電流、電壓變化過程計算 243
663 滅磁時間計算 245
664 滅磁電阻滅磁過程耗能及容量選擇計算 246
67 滅磁電阻最高滅磁電壓及整組性能常數(shù)的選擇計算 248
671 采用直流磁場斷路器及滅磁電阻的滅磁系統(tǒng)滅磁電阻最高滅磁電壓 248
672 交流滅磁系統(tǒng)滅磁電阻最高滅磁電壓 249
673 交直流滅磁系統(tǒng)滅磁電阻最高滅磁電壓 250
674 非線性滅磁電阻整組性能常數(shù)的計算 251
68 發(fā)電機的逆變滅磁 252
681 發(fā)電機逆變滅磁過程的計算 252
682 逆變滅磁的應用 253
7 勵磁系統(tǒng)的操作、 測量及信號 254
71 勵磁系統(tǒng)的運行操作 254
72 磁場斷路器的操作 255
73 發(fā)電機的起勵 257
731 他勵起勵及殘壓起勵 257
732 發(fā)電機起勵方式的配置 258
74 機組開、停機過程的勵磁系統(tǒng)控制 259
741 機組開機過程的勵磁系統(tǒng)控制 259
742 機組正常停機過程的勵磁系統(tǒng)控制 260
743 機組事故停機時的勵磁系統(tǒng)控制 260
75 機組采用電氣制動時的勵磁系統(tǒng)及控制 261
751 機組停機采用電氣制動時勵磁系統(tǒng)主回路接線 261
752 機組電氣制動時的勵磁系統(tǒng)操作控制 262
753 制動變壓器參數(shù)計算選擇 263
76 勵磁系統(tǒng)的電氣測量、信號及與外部系統(tǒng)的接口 263
761 勵磁系統(tǒng)的電氣測量 263
762 勵磁系統(tǒng)信號及與外部系統(tǒng)的接口 265
8 勵磁系統(tǒng)的電磁兼容 268
81 勵磁系統(tǒng)的電磁兼容性要求 268
82 與電磁兼容相關的電廠設計 270
9 勵磁系統(tǒng)的性能指標 272
第四篇 機組的同期、 機械保護及操作監(jiān)視
1 機組同期系統(tǒng)及裝置 276
11 機組同期系統(tǒng)的技術要求 276
12 機組同期系統(tǒng)接線 278
13 自動準同期裝置、同期儀表及同期檢查裝置 279
14 機組同期系統(tǒng)的整定計算 281
3 水輪發(fā)電機組及其輔助設備、 進水閘控制操作 288
31 機組控制操作的一般要求 288
32 機組開機并列的控制操作 291
33 機組停機的控制操作 295
331 機組正常停機的控制操作 295
332 機組事故停機的控制操作 297
34 機組輔助設備的現(xiàn)地控制及對外接口 302
341 機組輔助設備現(xiàn)地控制系統(tǒng)的一般要求 302
342 機組輔助設備現(xiàn)地控制系統(tǒng)與 LCU 的接口示例 303
35 發(fā)電機 (或發(fā)電機-變壓器組)斷路器的合/跳控制操作 303
351 一般要求 303
352 斷路器控制接線圖示例 304
36 機組進水閘 (閥)的控制操作 305
361 一般要求 305
362 進水閘 (閥)控制接線圖示例 306
4 機組的測量監(jiān)視 309
41 發(fā)電機或發(fā)電機-變壓器組的電氣測量 309
42 機組的非電量測量監(jiān)視 312
5中控室及機旁對機組的集中監(jiān)控 316
51 中控室及機旁對機組功率、頻率及電壓的調(diào)節(jié) 316
511 調(diào)節(jié)方式 316
512 LCU 對調(diào)速器 (勵磁調(diào)節(jié)器)的調(diào)節(jié)輸出接口 318
52 機組的集中控制和監(jiān)視 318
521 監(jiān)控內(nèi)容及方式 318
522 監(jiān)控系統(tǒng)的機組運行監(jiān)控畫面示例 319
附錄A 調(diào)速器液壓系統(tǒng)元件圖形符號 321
A1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)常用元件圖形符號 321
A2 換向閥圖形符號說明 322
附錄B 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID 參數(shù)穩(wěn)定域及電力系統(tǒng)振蕩時水輪機的輸出轉矩 324
B1 機組并網(wǎng)于頻率調(diào)節(jié)模式運行時的PID 參數(shù)穩(wěn)定域計算 324
B2 功率調(diào)節(jié)模式機組的PI參數(shù)穩(wěn)定域計算 329
B3 電力系統(tǒng)振蕩時水輪機的輸出轉矩特性 330
附錄C 滅磁過程參數(shù)及滅磁系統(tǒng)設備選擇計算 333
C1 計算的原始參數(shù)及條件 333
C2 直流磁場斷路器主觸頭額定最大分斷電壓選擇 334
C3 滅磁電阻上的最高電壓及滅磁電阻整組性能常數(shù)計算
C4 滅磁過程、滅磁時間及滅磁電阻耗能計算 337
C5 直流磁場斷路器及交流磁場斷路器分斷能力計算 339
附錄D 幾種勵磁控制方式下 （電壓偏差、 PSS、 強力調(diào)節(jié)） 的發(fā)電機
阻尼轉矩特性 342
D1 通過輸電線連接到無窮大系統(tǒng)的同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)線性模型 342
D2 采用電壓偏差比例控制的發(fā)電機阻尼轉矩特性 345
D3 采用電壓偏差的PID 控制的發(fā)電機阻尼轉矩特性 349
D4 采用PSS附加信號控制的發(fā)電機阻尼轉矩特性 349
D5 采用強力調(diào)節(jié)控制勵磁的發(fā)電機阻尼轉矩特性 351
附錄E 術語 355
參考文獻 365
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