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摘要：结合安徽省佛子岭水电站新厂12.5MW机组调速器更换，讨论比例阀式微机调速器的调节品质、实际功能应用和应用中的优缺点，促进水电站的安全运行。
关键词：调速器 原理 比例阀 功能 优缺点
中图分类号：TM37 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-047-02
1 概述
调速器是水力发电厂的重要基础控制设备。现在电力系统要求它既要维护发电机机组频率恒定和进行有功调节外，还必须保证电力系统的动态和暂态稳定。它与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增/减负荷、频率调整、紧急停机等任务；并可和其他装置一起完成自动发电控制、开度调节、水位调节等任务，其可靠性和调节品质已能够满足电厂“无人值班、少人值守”的要求。
佛子岭水电站新厂12.5MW机组，原采用的第一代国产微机调速器，电液转换器为环喷式电液伺服阀。该调速器运行至今，电器元器件逐步老化、且环喷式电液伺服阀对现场用油要求很高，其可靠性和调节品质逐渐下降，已不能满足电力系统要求。为满足现代电力系统和电厂的运行需要，2011年5月初，将调速器更换为YWT-100数字式可编程调速器，采用电气控制部分、电液转换部分和油压装置组合式结构形式。通过安装调试和试运行，该调速器能够满足我厂机组运行的要求。
2 调速器的系统组成
该调速器采用PLC微机调节器+电液随动系统组成的系统结构。采用数字阀组件实现先导级的液压控制，由逻辑控制阀（即插装阀、嵌入式结构阀）组件实现主级放大元件（相当于主配压阀），同时进行元件-组件-回路的多层次组合与优化设计，实现调速器的应有功能。改变了一成不变的电气-机械/液压转换元件+主配压阀的经典形式。新调速器系统主要由液压柜、接力器以及电气调节柜部分组成。本次主要更换了液压柜和电气调节柜，保留了原有的油压装置和接力器。
3 主要特点和功能
3.1 主要特点
（1）采用智能控制模块，技术先进、可靠性高；
（2）采用可编程控制器作为硬件主体，使整机平均无故障运行时间提高到MTBT≥50000小时；
（3）采用彩色触摸屏作为调速器与运行人员的人机接口，具有显示信息大、清晰、准确、操作方便等优点；
（4）具有多种运行运行模式：频率调节、开度调节、按水位控制和功率调节等，能适应不同运行工况的要求；
（5）设有电气开度限制，操作灵活，运行可靠；
（6）具有与上位机的通讯接口，便于实现电站计算机监控。
3.2 主要功能
3.2.1 自动调节与控制功能
（1）频率调节与频率跟踪
在频率调节模式运行时，可实现机组频率的调整。空载工况时，可实现机组频率对电网频率的跟踪，进行快速并网。
（2）开度调节与按水位控制
在开度调节模式时，可根据水位控制机组出力。
（3）功率调节
在功率调节模式时，可实现机组根据负荷给定值调整机组出力。
（4）一次调频
机组并网运行时，参与电网的一次调频，保障系统稳定。
3.2.2 手动控制功能
调速器设有传统的手动控制功能。手动状态下，操作阀组上的手动按钮可直接控制接力器，从而控制导叶开度、调整机组出力。
3.2.3 安全保护功能
（1）容错功能：在机组运行时，出现机频断线、网频断线、电源消失等故障时，能够保持机组导叶开度不变，并能手动调整机组出力。
（2）紧急停机：无论是自动工况还是手动工况，当机组过速或出现严重的电气或机械故障时，调速器可自动过速保护或手动操作投入紧急停机命令，能可靠实现紧急停机。
（3）在线诊断和出力功能：能实现机频、网频、导叶反馈、水头信号、电液转换、电液随动系统以及微机主要模块的在线故障检测、诊断和处理，确保机组安全运行。
4 调试情况
（1）调试中，绝缘试验、功能操作试验、操作回路动作试验、导叶同步试验、空载扰动试验、空载频率摆动实验均正常，充水前试验：紧急停机与复归、手/自动切换、开机、并网、调相、甩负荷、停机模拟试验，各工作状态均正常。最后整定开机时间为20秒，关闭时间为20秒。急停时间为6秒。
（2）故障模拟和控制模式切换试验：开度打开40%，交、直流电源消失，接力器不动作，接力器信号消失接力器不动作。
（3）静特性试验：接力器最大行程Ymax：273 mm。
非线性度：开方向0.436% 关方向0.375%
转速死区：0.05%
（4）甩负荷试验：负荷：12000KW
Ts（调节时间）：6s
fmax（最大转速上升值）：63.5Hz
n（波动次数）：2.5次
pmax（最大水压上升值）：0.56Mpa
5 应用中存在的优缺点
比例阀式微机调速器在技术上是成熟的，从测频到比較计算，再将频差信号放大后进行电液转换，与其他型式微机调速器一样，系统调节稳定、可靠，速动性和可靠性均能很好满足电力系统对水轮发电机组的运行要求。
由于该型调速器将电气频差信号放大后直接由比例阀进行电液转换，省去了杠杆机构，使得机械液压系统进一步简化，减小了原杠杆机构变形、连接间隙等造成的死区、误差，反馈也随着原杠杆机构的消失，安装位置和实现方式更简单、刚性，反馈速度和精准度更好。因此，调速器的调节品质能进一步提高，调节的准确性也有所增强。
比例阀式微机调速器的机械液压系统实现了用阀组进行电液转换、放大，推动水轮发电机组的导水机构，系统虽简化，但执行电液转换的阀组由于要克服卡涩、漂移和调节要求，不停进行动作，阀芯频繁磨损，造成阀组的使用寿命减短，随着阀芯的磨损，阀组的阀芯与衬套的配合间隙增大、压力腔漏油增大，调节精准度下降，调节次数和频率加大，阀芯磨损会进一步加剧；同时，阀组的遮程设计要科学、严谨、合理，遮程过小，调速器速动性较好，但阀芯封油效果不佳，压力腔油压损失大，阀组动作频繁，稳定性不好；遮程过大，调速器稳定性较好、阀组工作可靠，但造成调速系统死区较大，调节精准度下降，速动性偏差。
6 结论
水电站的调速器作为重要控制设备，为满足电力系统不断提高的电能质量要求，并随着集成电路的高速发展，调节运行方式逐步由软件实现，大大简化了机械液压随动系统，电液转换部件也改用电液比例伺服阀，不再使用传统的电液转换器。降低调速器对工作环境和用油标准，不断适应现代水电发展和电力系统的需要。
关键词：调速器 原理 比例阀 功能 优缺点
中图分类号：TM37 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-047-02
1 概述
调速器是水力发电厂的重要基础控制设备。现在电力系统要求它既要维护发电机机组频率恒定和进行有功调节外，还必须保证电力系统的动态和暂态稳定。它与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增/减负荷、频率调整、紧急停机等任务；并可和其他装置一起完成自动发电控制、开度调节、水位调节等任务，其可靠性和调节品质已能够满足电厂“无人值班、少人值守”的要求。
佛子岭水电站新厂12.5MW机组，原采用的第一代国产微机调速器，电液转换器为环喷式电液伺服阀。该调速器运行至今，电器元器件逐步老化、且环喷式电液伺服阀对现场用油要求很高，其可靠性和调节品质逐渐下降，已不能满足电力系统要求。为满足现代电力系统和电厂的运行需要，2011年5月初，将调速器更换为YWT-100数字式可编程调速器，采用电气控制部分、电液转换部分和油压装置组合式结构形式。通过安装调试和试运行，该调速器能够满足我厂机组运行的要求。
2 调速器的系统组成
该调速器采用PLC微机调节器+电液随动系统组成的系统结构。采用数字阀组件实现先导级的液压控制，由逻辑控制阀（即插装阀、嵌入式结构阀）组件实现主级放大元件（相当于主配压阀），同时进行元件-组件-回路的多层次组合与优化设计，实现调速器的应有功能。改变了一成不变的电气-机械/液压转换元件+主配压阀的经典形式。新调速器系统主要由液压柜、接力器以及电气调节柜部分组成。本次主要更换了液压柜和电气调节柜，保留了原有的油压装置和接力器。
3 主要特点和功能
3.1 主要特点
（1）采用智能控制模块，技术先进、可靠性高；
（2）采用可编程控制器作为硬件主体，使整机平均无故障运行时间提高到MTBT≥50000小时；
（3）采用彩色触摸屏作为调速器与运行人员的人机接口，具有显示信息大、清晰、准确、操作方便等优点；
（4）具有多种运行运行模式：频率调节、开度调节、按水位控制和功率调节等，能适应不同运行工况的要求；
（5）设有电气开度限制，操作灵活，运行可靠；
（6）具有与上位机的通讯接口，便于实现电站计算机监控。
3.2 主要功能
3.2.1 自动调节与控制功能
（1）频率调节与频率跟踪
在频率调节模式运行时，可实现机组频率的调整。空载工况时，可实现机组频率对电网频率的跟踪，进行快速并网。
（2）开度调节与按水位控制
在开度调节模式时，可根据水位控制机组出力。
（3）功率调节
在功率调节模式时，可实现机组根据负荷给定值调整机组出力。
（4）一次调频
机组并网运行时，参与电网的一次调频，保障系统稳定。
3.2.2 手动控制功能
调速器设有传统的手动控制功能。手动状态下，操作阀组上的手动按钮可直接控制接力器，从而控制导叶开度、调整机组出力。
3.2.3 安全保护功能
（1）容错功能：在机组运行时，出现机频断线、网频断线、电源消失等故障时，能够保持机组导叶开度不变，并能手动调整机组出力。
（2）紧急停机：无论是自动工况还是手动工况，当机组过速或出现严重的电气或机械故障时，调速器可自动过速保护或手动操作投入紧急停机命令，能可靠实现紧急停机。
（3）在线诊断和出力功能：能实现机频、网频、导叶反馈、水头信号、电液转换、电液随动系统以及微机主要模块的在线故障检测、诊断和处理，确保机组安全运行。
4 调试情况
（1）调试中，绝缘试验、功能操作试验、操作回路动作试验、导叶同步试验、空载扰动试验、空载频率摆动实验均正常，充水前试验：紧急停机与复归、手/自动切换、开机、并网、调相、甩负荷、停机模拟试验，各工作状态均正常。最后整定开机时间为20秒，关闭时间为20秒。急停时间为6秒。
（2）故障模拟和控制模式切换试验：开度打开40%，交、直流电源消失，接力器不动作，接力器信号消失接力器不动作。
（3）静特性试验：接力器最大行程Ymax：273 mm。
非线性度：开方向0.436% 关方向0.375%
转速死区：0.05%
（4）甩负荷试验：负荷：12000KW
Ts（调节时间）：6s
fmax（最大转速上升值）：63.5Hz
n（波动次数）：2.5次
pmax（最大水压上升值）：0.56Mpa
5 应用中存在的优缺点
比例阀式微机调速器在技术上是成熟的，从测频到比較计算，再将频差信号放大后进行电液转换，与其他型式微机调速器一样，系统调节稳定、可靠，速动性和可靠性均能很好满足电力系统对水轮发电机组的运行要求。
由于该型调速器将电气频差信号放大后直接由比例阀进行电液转换，省去了杠杆机构，使得机械液压系统进一步简化，减小了原杠杆机构变形、连接间隙等造成的死区、误差，反馈也随着原杠杆机构的消失，安装位置和实现方式更简单、刚性，反馈速度和精准度更好。因此，调速器的调节品质能进一步提高，调节的准确性也有所增强。
比例阀式微机调速器的机械液压系统实现了用阀组进行电液转换、放大，推动水轮发电机组的导水机构，系统虽简化，但执行电液转换的阀组由于要克服卡涩、漂移和调节要求，不停进行动作，阀芯频繁磨损，造成阀组的使用寿命减短，随着阀芯的磨损，阀组的阀芯与衬套的配合间隙增大、压力腔漏油增大，调节精准度下降，调节次数和频率加大，阀芯磨损会进一步加剧；同时，阀组的遮程设计要科学、严谨、合理，遮程过小，调速器速动性较好，但阀芯封油效果不佳，压力腔油压损失大，阀组动作频繁，稳定性不好；遮程过大，调速器稳定性较好、阀组工作可靠，但造成调速系统死区较大，调节精准度下降，速动性偏差。
6 结论
水电站的调速器作为重要控制设备，为满足电力系统不断提高的电能质量要求，并随着集成电路的高速发展，调节运行方式逐步由软件实现，大大简化了机械液压随动系统，电液转换部件也改用电液比例伺服阀，不再使用传统的电液转换器。降低调速器对工作环境和用油标准，不断适应现代水电发展和电力系统的需要。