水力發電機組調速控制系統之研究｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	林峻煌 Chun huang Lin
論文名稱：	水力發電機組調速控制系統之研究 The Study of Governor Control System for a Hydro Power Station
指導教授：	江茂雄 Mao-Hsiung Chiang
口試委員:	蔡明忠 Ming-Jong Tsai 鍾清枝 Tsing-Tshih Tsung
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 自動化及控制研究所 Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	73
中文關鍵詞：	導翼、電氣調速機、水輪機
外文關鍵詞：	hydraulic and electric control system, governors
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上一筆

由於目前台灣水力電廠之電氣調速機皆外購，其控制器及相關設
備均由許多功能不同之控制卡片組成，當控制卡片故障需更換零件
時，由於該設備不普遍，故備品無法於一般市場購得，而需向原廠採
購，或將故障之控制卡片送修，但因原廠索價昂貴，送國外修理亦耗
時，且技術受廠商限制，逐有自行研製整套調速機(含伺服壓油及電
控系統)之構想。本論文主題是針對台電公司水力發電廠之水輪發電
機速度控制裝置，即導翼調速機(Governor)，於不同作業要求下應有
之反應研究，並進一步自行開發調速機。由於調速機系統對水輪發電
機性能表現具樞鈕地位，故如何能使水輪發電機轉速變化符合系統頻
率之變動範圍內及速度上升率之規定，且可配合電廠自動化系統之建
立，達到機組運轉安全及節省人力的應用目標。本文首先是介紹調速
機之原理及分析調速機之組成以及運轉中之需求，進而研究數位式調
速系統架構及運作流程。本研究目標在研製數位式調速機控制系統，
並能實際應用於現有水力發電之不同調速系統，將有助於台電公司調
速機備品的統一，並建立獨立的相關技術。
本研究對調速機控制器所使用之控制理論以PTI(Power
Technology Institute)開發之”HYGOV”控制模式為主，此控制模式廣範
被應用於水輪調速機。利用其成熟之控制理論為基礎，實際製作調速
機壓油伺服系統及電控系統等相關軟硬體設備，並安裝於台電公司東
部一小型水力發電廠，試運轉結果調速機各動作特性及功能均符合要
求，故已達成本文之目標，該調速機目前已實際加入系統運轉，期望
經由本研究經驗將成果擴展至其他水力電廠之類似機組。

All the governors used in hydro power stations of Taiwan power
company were supplied by power equipment manufacturers .The
governor consists of many different IC cards, and those IC cards are not
available in Taiwan. Therefore, TPC had to purchase the spare parts from
abroad in case the parts were broken .The cost of governor replacement is
very high and the repair duration is unpredictable, so this is the reason to
develop a governor system(include servo hydraulic and electric control
system). This study aims to investigate the proper response of the
governor in different operation demands for hydro power plant. The
response and performance of the governor system are very important
during the operation .The function of the governor is to regulate the speed
changing rate of the generator by system frequency variation and speed
increase rate.At the same time the automation of power station is
established, so that the operation is safer and more efficient. This thesis
first described the principles and demands of the governor , then studied
the theory and structure of digital governor system. The final purpose is
to develop a flexible digital governor system and apply to different hydro
power stations.
The theory of the new controller is based on the control model
“HYGOV” provided by the PTI. The HYGOV model is widely applied to
governor for water turbine in the world for many years. According to the
theory we develop the hardware and software for new governors of
IV
hydraulic servo system and electrical control system .During the field
testing, The new designed governor was installed in a hydro power
station in Taiwan power company. After running test the function and
performance of the governor met the demands as we expected before.
Now the new governor is operating very well in plant. In the near future
we hope the technology and new design can be applied to other similar
hydro power station.

目 錄
中文摘要-------------------------------------------------------------------------- I
英文摘要------------------------------------------------------------------------ III
誌 謝------------------------------------------------------------------------- V
目 錄------------------------------------------------------------------------ Ⅵ
表目錄 ------------------------------------------------------------------------- VIII
圖目錄 ---------------------------------------------------------------------------I X
第一章 緒論---------------------------------------------------------------------- 1
1.1 發電機組概述------------------------------------------------------------ 1
1.2 文獻回顧------------------------------------------------------------------ 1
1.3 研究動機與目的--------------------------------------------------------- 2
1.4 大綱------------------------------------------------------------------------- 3
第二章 水輪發電機調速系統介紹------------------------------------------- 4
2.1 水輪發電機結構及原理------------------------------------------------- 4
2.1.1 法蘭西斯(Francis Turbine)水輪機--------------------------- 5
2.1.2 帕爾登(Pelton Turbine)水輪發電機------------------------- 6
2.1.3 卡布蘭(Kaplan Turbine)水輪發電機------------------------ 7
2.1.4 抽蓄式(Pump-Storage Turbine)水輪發電機---------------8
2.2 調速伺服控制原理------------------------------------------------------- 9
2.3 傳統機械式調速機----------------------------------------------------- 11
2.4 並聯於系統之調速機特性-------------------------------------------- 12
2.5 電力系統對調速機動作要求----------------------------------------- 14
2.6 系統運轉上所需之調速機-------------------------------------------- 16
2.7 調速機動作及控制分析----------------------------------------------- 17
第三章 研究理論及方法----------------------------------------------------- 18
VII
3.1 油壓伺服機構----------------------------------------------------------- 18
3.2 數位控制理論----------------------------------------------------------- 19
3.3 控制策略----------------------------------------------------------------- 23
第四章 系統設計及硬體研製----------------------------------------------- 30
4.1 系統架構----------------------------------------------------------------- 30
4.1.1 導翼操作機構動作說明--------------------------------------- 30
4.1.2 電液轉換器------------------------------------------------------ 32
4.1.3 發電機速度檢出------------------------------------------------ 37
4.1.4 導翼位置檢出----------------------------------------------------37
4.2 系統數學模式----------------------------------------------------------- 38
4.2.1 壓力鋼管水力模式(Penstock Water Model)--------------39
4.2.2 水輪機之模式(Turbine Model )-----------------------------40
4.2.3 導翼之模式(Guide Vane Model)----------------------------40
4.2.4 發電機之模式(Generator Model)---------------------------41
4.3 數位式控制系統-------------------------------------------------------- 42
4.4 機組控制----------------------------------------------------------------- 47
第五章 系統實際測試-------------------------------------------------------- 54
5.1 機組啟動前導翼無水操作試驗-------------------------------------- 54
5.2 機組啟動順序控制功能試驗----------------------------------------- 56
5.3 發電機啟動併聯前轉速控制試驗----------------------------------- 56
5.4 併聯後加載試驗-------------------------------------------------------- 56
5.5 發電機卸載轉速控制試驗-------------------------------------------- 56
第六章 結論與建議----------------------------------------------------------- 63
6.1 結論----------------------------------------------------------------------- 63
6.2 未來研究方向----------------------------------------------------------- 64
參考文獻------------------------------------------------------------------------ 65
附錄一---- ----------------------------------------------------------------------- 67
作者簡介------------------------------------------------------------------------ 73
VIII
表 目 錄
表4-1 主要保護電驛分類表--------------------------------------------- 51
表5-1 導翼位置檢出數據------------------------------------------------ 54
表5-2 資料頡取儀繪圖刻度對應各物理量--------------------------- 57
表5-3 調速機卸載測試數據--------------------------------------------- 57
IX
圖 目 錄
圖2-1 Francis Turbine -----------------------------------------------------5
圖2-2 Pelton Tubine--------------------------------------------------------6
圖2-3 Kaplan Tubine ------------------------------------------------------7
圖2-4 Pump-Storage Tubine ---------------------------------------------8
圖2-5 調速機方塊圖------------------------------------------------------ 11
圖2-6 機械式調速機動作示意圖--------------------------------------- 12
圖2-7 速度調整率--------------------------------------------------------- 13
圖2-8 水輪發電機負載跳脫後負載與轉速之時間響應------------ 14
圖3-1 伺服閥動作圖------------------------------------------------------ 18
圖3-2 離散時間系統顯示------------------------------------------------ 20
圖3-3 N 次IIR 式數位濾波器------------------------------------------ 22
圖3-4 Biquad 電路的級聯結構----------------------------------------- 22
圖3-5 水力伺服系統方塊圖--------------------------------------------- 23
圖3-6 機械式調速機方塊圖--------------------------------------------- 23
圖3-7 HYGOV 水力伺服系統方塊圖--------------------------------- 24
圖3-8 調速機伺服控制系統方塊圖------------------------------------ 25
圖3-9 3 次IIR 式數位濾波器------------------------------------------- 27
圖3-10 閥控制模式--------------------------------------------------------- 28
圖4-1 調速機系統架構方塊圖------------------------------------------ 30
圖4-2 小水力電廠發電機外觀------------------------------------------ 31
圖4-3 導翼伺服機及操作機構------------------------------------------ 31
圖4-4 小水力電廠之水輪發電機外觀--------------------------------- 32
圖4-5 比例伺服閥結構圖------------------------------------------------ 33
圖4-6 比例伺服閥流量信號曲線--------------------------------------- 33
圖4-7 比例伺服閥步階響應圖------------------------------------------ 34
圖4-8 比例伺服閥頻率響應圖------------------------------------------ 34
X
圖4-9 壓油系統電液轉換器(比例伺服閥) ---------------------------- 35
圖4-10 導翼驅動伺服系統及壓油單元系統--------------------------- 35
圖4-11 導翼開閉壓油伺服控制系統流程圖--------------------------- 36
圖4-12 發電機轉速之轉速計--------------------------------------------- 37
圖4-13 感測器安裝於伺服機示意圖------------------------------------ 38
圖4-14 位移類比信號產生電路示意圖--------------------------------- 38
圖4-15 水輪發電機結構方塊圖------------------------------------------ 39
圖4-16 數位式調速機方塊圖--------------------------------------------- 43
圖4-17 調速機控制箱及面盤--------------------------------------------- 49
圖4-18 機組啟動時調速機之動作方塊圖------------------------------ 50
圖4-19 機組正常停機時調速機之動作方塊圖------------------------ 51
圖4-20 電氣故障緊急停機時調速機之動作方塊圖------------------ 52
圖4-21 機械故障緊急停機時調速機之動作方塊圖------------------ 52
圖4-22 調速機控制器及PLC 各數位及類比模組-------------------- 53
圖5-1 導翼開度與輸出電流----------------------------------------------- 55
圖5-2 伺服機最大開度全閉所需時間----------------------------------- 55
圖5-3 100kw 跳脫試驗曲線---------------------------------------------- 58
圖5-4 200kw 跳脫試驗曲線---------------------------------------------- 59
圖5-5 300kw 跳脫試驗曲線---------------------------------------------- 60
圖5-6 400kw 跳脫試驗曲線---------------------------------------------- 61
圖5-7 緊急停(5E 動作)跳脫試驗曲線----------------------------------- 62

                                

[1]臺灣電力公司訓練所教材水輪機附屬設備發電類,林勸桓,1984
[2]臺灣電力公司工程月刊第486 期78 年2 月林永松
[3]Brekke,H.:Governing of hydro power machines.Lecture compendium at
NTNU,1999.(In Norwegian)
[4]Robert E. Doan and Krishnamoorthy Natarajan “Modeling and Control
Design for Governing Hydroelectric Turbines With Leaky Wicket Gates”
IEEE Transactions on Energy Conversion,Vol.19,No.2,June 2004
[5]J.M. Voith GmbH D-7920 Heidenheim”Electro-hydrolic Governors for
Water Turbines”Pressure Oil Supply System t2359e
[6]桂山發電廠機組(V.A.)調速機壓油管路迴路圖,1990
[7]義興發電廠水輪發電機(Mitsubishi)各設備規範及操作說明書,1980
[8]RobertE. De Jaeger N.Janssens B.Malfliet F.Van De Meulebroeke”Hydro
Turbine Model For System Dynamic Studies”IEEE Transactions on
Power System Vol.9,No.4 Nov.1994
[9]Shawn Patterson WECC Governor Modeling Workshop ”Hydro
Governor Modeling “August 19-20, 2002
[10] PTI Conducting and analyzing test to find machine parameters a course
for Taiwan Power. February 1994
[11]臺灣電力公司訓練所教材水輪機概要, 陳定光,1984
[12]臺灣電力公司水輪發電機及汽柴油發電機的調速機,賴彌澄,1981
[13]油空壓的數位控制與應用許正道編譯文笙全華民86 年
[14]數位信號處理王啟川、郭弘政編譯全華出版社1989 年12 月
[15] http://www.moog.com/noq/%5Fcapabilities%5F%5Fc473/
[16]E.De Jaeger N.Janssens B.Malfliet F.Van De Meulebroeke” Hydro
Turbine Model For System Dynamic Studies”IEEE Transactions on Power
System Vol.9,No.4 Nov.1994
66
[17] S.C.TRIPATHY,”Didital Governor For Use In Computer Control Of A
Generating Unit”Energy Convers.Mgmt Vol.39,No.10,pp 973-983,1998
[18]Ladder Logic for S7-300 and S7-400 Programming, Siemens Reference
Manual,2003
[19]Statement List for S7-300 and S7-400 Programming, Siemens
Reference Manual,2003
[20]Structured Control Language for S7-300 and S7-400 Programming,
Siemens.Reference Manual,2003
[21]Continuous Function Chart for S7 and M7, Siemens Reference Manual
[22]S7-400 and M7-400 Programming Controller Hardware
Installation,2003
[23]Sulzer Escher Wyss Water turbine for Hydro Machinery catalog ,1993

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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