本書闡述目前國內外水力發電廠工程設計中水輪發電機組自動控制系統常用的設計技術，給出控制系統及各控制裝置的技術要求、系統結構、工作原理、系統特性分析、設備參數選擇計算、機組的控制操作流程及接線。
全書共4篇及4個附錄。第d一篇闡述水輪發電機組自動控制系統的功能、結構及技術要求；第二篇給出水輪機調節系統及調速器的功能、結構、技術要求、工作原理、調節特性及調節系統各環節數學模型及傳遞函數；第三篇敘述勵磁系統功能、結構，各組成部分的工作原理、技術要求及設備參數選擇計算；第四篇描述機組同期系統的技術要求、接線及參數整定，機組水力機械保護技術要求、接線及與其他系統接口的設計，機組及其輔助設備、進水閘（閥)控制操作系統的技術要求、控制流程與其他系統接口的設計，機組的電量及非電量測量監視系統及其配置設計，機組的集中控制系統的技術要求及其功能配置的設計。4個附錄分別給出調速器液壓系統常用元件圖形符號、水輪機調節系統PID參數穩定域分析、滅磁過程參數及滅磁系統設備選擇計算例、幾種勵磁控制方式下勵磁系統的特性分析及機組自動控制系統常用的術語。
電力系統中的水輪發電機組,需根據電力系統運行的要求對系統頻率及電壓進行自動調節,并接受電力系統或電廠的開機、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的安全可靠運行,需對機組的運行狀況及數據信息進行自動監測,并在機組或電力系統出現故障或發生事故時,對機組進行有關的自動控制。實現這些自動控制的水輪發電機組自動控制系統的控制裝置,通常包括水輪機調節裝置 (即調速器)、發電機勵磁裝置、同期裝置等。電力系統中發電機組自動控制系統的運行性能,直接關系著電力系統運行頻率、電壓的質量水平及發電機和電力系統運行的安全可靠性及穩定性。水輪發電機組的自動控制系統,隨著實際應用經驗的積累及新技術的應用,技術在不斷地改進與更新。當今的水輪發電機組基本上采用微機調速器及由晶閘管整流電源及微機調節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的要求。本書從水輪發電機組自動控制系統的工程設計及運行應用方面,闡述目前國內外水力發電廠常用的水輪發電機組自動控制的設計技術, 包括自動控制系統及各控制裝置的技術要求、系統結構、工作原理、系統參數及特性分析、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技術負責人，丹江口工程主要設計研究者及現場計技術負責人；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；發表過多篇技術文章。執筆編寫的已出版書有發電機滅磁系統的分析與計算、水電廠發電機勵磁系統設計、水電廠計算機監控系統設計，將出版書水電廠繼電保護系統設計，另有合編書。
前言
第一篇 水輪發電機組自動控制系統的功能及結構
1 水輪發電機組自動控制系統的功能
2 水輪發電機組自動控制系統的結構
第二篇 水輪機調節系統及裝置
1 水輪機調節系統 6
2 水輪機調節裝置 (調速器) 8
21 水輪機調節裝置 (調速器)的任務、技術要求及結構 8
211 調速器的任務 8
212 調速器的技術要求8
213 調速器的結構9
22 調速器的調節器及頻率測量9
221 調速器的調節器9
222 調速器的頻率測量 12
23 調速器的液壓系統 13
231 調速器的液壓隨動系統 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 調速器液壓系統示例 23
24 調速器的電源、油壓裝置及轉速信號裝置 25
241 調速器的電源 25
242 調速系統的油壓裝置 26
243 轉速信號裝置及機械液壓過速保護裝置 28
25 冗余配置的調速器結構 29
26 水輪機調節系統的靜態和動態調節特性 34
261 調節系統的靜態特性及永態差值系數 34
262 調節系統的動態特性 37
27 調速器控制方式及其切換 37
28 調速器的調節模式及其投切 39
281 調速器的調節模式 39
282 調速器調節模式的投切 43
29 調速器故障檢測及處理 44
210 調速器控制操作及運行監視的接口界面45
211 開機、停機等工況轉換過程調速器的控制操作 47
2111 調速器的開機控制操作47
2112 調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速器的控制操作 48
2114 動作過速限制器停機時調速器的控制操作 48
212 調速器的外部接口接線及產品參數 49
2121 調速器的外部接口接線 49
2122 調速器產品參數 51
3 水輪機調節系統的數學模型及傳遞函數 53
31 調速器數學模型及傳遞函數 53
311 調節器的數學模型及傳遞函數 53
312 液壓隨動系統的數學模型及傳遞函數 55
32 水輪機及其引水系統的數學模型及傳遞函數 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環節的傳遞函數 58
323 水輪機的傳遞系數 59
324 水輪機及其引水系統環節的傳遞函數 60
33 發電機和電力系統的數學模型及傳遞函數 61
331 發電機的轉矩平衡方程 62
332 離網運行的發電機及單機帶負荷的電力系統環節的數學模型及
傳遞函數 70
333 機組并列運行的電力系統數學模型及傳遞函數 71
34 機組各種運行方式下的水輪機調節系統結構 79
341 發電機離網運行時的水輪機調節系統結構 79
342 發電機單機帶負荷時的水輪機調節系統結構 80
343 機組并列運行時的水輪機調節系統結構 80
4 水輪機調節系統的性能指標 84
41 水輪機調節系統的靜態性能指標 84
42 水輪機調節系統的動態性能指標 84
43 機組參加電網一次調頻時,水輪機調節系統的性能要求 85
44 水輪機調節系統中局部系統或環節的性能指標要求 86
45 其他 86??
第三篇 水輪發電機勵磁控制系統及裝置
1水輪發電機勵磁系統的任務、 技術要求及結構 88
11 勵磁系統的任務 88
12 勵磁系統的技術要求 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穩定 91
132 短路電流特性及發電機的后備保護 92
133 發電機的開機起勵 94
14 發電機自并勵勵磁系統結構示例 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及選擇計算示例 109
241 勵磁變壓器及其輔助設備參數示例 109
242 勵磁變壓器及電流互感器主要參數的選擇計算示例
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)的并聯及電流均衡 122
33 晶閘管參數及選擇計算 122
331 晶閘管參數 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、絕緣類型及額定電壓的選擇 141
362 電纜截面及根數的選擇 141
37 勵磁功率整流器參數計算及接線示例 144
371 勵磁功率整流器參數示例 144
372 勵磁功率整流器主要參數選擇計算 145
373 勵磁功率整流器接線 150
4 勵磁系統過電壓及保護 152
41 勵磁系統過電壓及過電壓保護配置152
411 勵磁系統過電壓 152
412 勵磁系統過電壓保護的配置 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 勵磁調節器及勵磁控制 176
51 勵磁調節器的功能要求 176
511 調節功能 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 勵磁調節器結構 182
53 勵磁控制方式及數學模型 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的動態校正 186
54 電力系統穩定器 (PSS) 188
541 PSS1A 型電力系統穩定器 189
542 PSS2B 型電力系統穩定器 190
543 PSS3B 型電力系統穩定器 192
544 PSS4B 型電力系統穩定器 192
6 發電機的滅磁系統 194
61 發電機滅磁系統的要求 194
62 自并勵發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 自并勵發電機滅磁方式選擇 221
63 直流滅磁系統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 221
632 直流磁場斷路器的選擇計算 225
64 交流滅磁系統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及其選擇計算 234
65 交直流滅磁系統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滅磁電阻最高滅磁電壓 248
672 交流滅磁系統滅磁電阻最高滅磁電壓 249
673 交直流滅磁系統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的計算 251
68 發電機的逆變滅磁 252
681 發電機逆變滅磁過程的計算 252
682 逆變滅磁的應用 253
7 勵磁系統的操作、 測量及信號 254
71 勵磁系統的運行操作 254
72 磁場斷路器的操作 255
73 發電機的起勵 257
731 他勵起勵及殘壓起勵 257
732 發電機起勵方式的配置 258
74 機組開、停機過程的勵磁系統控制 259
741 機組開機過程的勵磁系統控制 259
742 機組正常停機過程的勵磁系統控制 260
743 機組事故停機時的勵磁系統控制 260
75 機組采用電氣制動時的勵磁系統及控制 261
751 機組停機采用電氣制動時勵磁系統主回路接線 261
752 機組電氣制動時的勵磁系統操作控制 262
753 制動變壓器參數計算選擇 263
76 勵磁系統的電氣測量、信號及與外部系統的接口 263
761 勵磁系統的電氣測量 263
762 勵磁系統信號及與外部系統的接口 265
8 勵磁系統的電磁兼容 268
81 勵磁系統的電磁兼容性要求 268
82 與電磁兼容相關的電廠設計 270
9 勵磁系統的性能指標 272
第四篇 機組的同期、 機械保護及操作監視
1 機組同期系統及裝置 276
11 機組同期系統的技術要求 276
12 機組同期系統接線 278
13 自動準同期裝置、同期儀表及同期檢查裝置 279
14 機組同期系統的整定計算 281
3 水輪發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 機組輔助設備的現地控制及對外接口 302
341 機組輔助設備現地控制系統的一般要求 302
342 機組輔助設備現地控制系統與 LCU 的接口示例 303
35 發電機 (或發電機-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 機組的測量監視 309
41 發電機或發電機-變壓器組的電氣測量 309
42 機組的非電量測量監視 312
5中控室及機旁對機組的集中監控 316
51 中控室及機旁對機組功率、頻率及電壓的調節 316
511 調節方式 316
512 LCU 對調速器 (勵磁調節器)的調節輸出接口 318
52 機組的集中控制和監視 318
521 監控內容及方式 318
522 監控系統的機組運行監控畫面示例 319
附錄A 調速器液壓系統元件圖形符號 321
A1 調速器液壓系統常用元件圖形符號 321
A2 換向閥圖形符號說明 322
附錄B 水輪機調節系統的PID 參數穩定域及電力系統振蕩時水輪機的輸出轉矩 324
B1 機組并網于頻率調節模式運行時的PID 參數穩定域計算 324
B2 功率調節模式機組的PI參數穩定域計算 329
B3 電力系統振蕩時水輪機的輸出轉矩特性 330
附錄C 滅磁過程參數及滅磁系統設備選擇計算 333
C1 計算的原始參數及條件 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、 強力調節） 的發電機
阻尼轉矩特性 342
D1 通過輸電線連接到無窮大系統的同步發電機勵磁控制系統線性模型 342
D2 采用電壓偏差比例控制的發電機阻尼轉矩特性 345
D3 采用電壓偏差的PID 控制的發電機阻尼轉矩特性 349
D4 采用PSS附加信號控制的發電機阻尼轉矩特性 349
D5 采用強力調節控制勵磁的發電機阻尼轉矩特性 351
附錄E 術語 355
參考文獻 365
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