调速器冗余系统在水电站中的优越性

摘要：水电站的调速系统对于水电站的正常运行具有重大意义。本文通过比较来论述水电站调速器采用“冗余系统”调节性能的优越性。

关键词：电液转换器；调速器的“冗余系统”； 伺服比例阀

中图分类号：TP62文献标识码： A

引言：

水轮机调节系统是一个本质非线性、时变、非最小相位系统，其控制性能指标稳定性一直是人们所关注的问题。随着控制技术的发展，水轮机调速系统的控制规律也在不断地发展和完善。

水轮机调速器是控制水轮发电机组在各种工况下，安全运行的控制设备之一，它的任务是：控制水轮发电机组自动开机、停机、转速调节、负荷调整、机组各种运行工况的转换、机组或电力系统故障时紧急停机。调速器在作转速调节和负荷调整时，其任务的实质是维持进入水轮机的能量和发电机组输出的电能之间的平衡。因此，调速器的调节功能在水电站运行中起着非常重要的作用。

调速器一般由转速（和频率）测量机构，调节决策和执行机构三大部分组成，而调节决策和执行机构又是调速器最核心的部件。传统的调速器一般由数字阀做为电液转换控制，其结构简单、操作维护方便，对油质要求不高，具有很强的抗油污能力，在额定负荷运行时耗油量小成本低。但是其调节精度较差。

另外一种由伺服比例阀做为电液转换控制的调速器。伺服比例阀是上世纪八十年代后才发展起来的一种新型电液转换装置，它是德国BOSCH公司的专利产品。它一开始是用于高档汽车的ABS及ESP系统中，后来被广泛用于控制精度及动态响应要求较高的工业控制系统中，它是将传统的伺服阀和比例阀的优点结合起来，同时又克服了彼此的缺点，它即具有伺服阀的高响应、高精度又具有比例阀的对油质的要求稍低的特点。它的动态频响在3dB时可达100HZ，死区为零。其调节精度较高，在控制水轮机组时比较平稳，但对油质要求较高，一般要求滤油精度在60μ以下，长期运行油质变差后就可能出现卡阻故障，而且其本身不具备机械手动操作功能。

现今，新型全数字式可编程微机调速器的伺服比例阀+数字阀的冗余系统解决了这个不可兼得的问题，由伺服比例阀和数字阀共同组成电液转换控制系统，正常运行时采用伺服比例阀，调节精度比较好；在油质达不到比例阀要求时，可以自动或者手动切换到数字阀运行，并且可以在线清洗比例阀。

调速器的原理框图如下：

YWT型调速器由可编程微机调节器（电气部分）+调速器机械液压系统（机械部分）+油压装置三大部分构成。

调速器电气部分由PLC、智能测频模块、I/O模块、电源系统、操作及显示设备、齿盘及测频接近开关、导叶位置传感器、功率变送器等组成。机械部分主要包括比例阀、数字阀组成的电液转换控制系统、过速限制器、分段关闭装置、手操机构、连杆、支架等。调速器机械液压柜采用液压集成技术。采用伺服比例阀+数字阀构成冗余式电液转换方式。

调速器机械液压系统图如下：

1、自动控制通道采用德国BOSCH伺服比例阀作为电液转换元件

伺服比例阀是介于开关型的液压阀与传统的电液转换器之间的一种液压元件。其控制精度及响应快速性方面的性能和控制水平可与传统的电液转换器媲美，其动、静态性能完全可以满足水电站控制应用的要求。伺服比例阀的功能是把输入的电气控制信号转换成相应输出的流量控制，该伺服阀的阀芯装备了位置控制传感器反馈，可将反馈信号引入电路形成闭环控制，因此控制精度很高（行程控制精度达1‰），阀的滞环和不重复性均很小。在断电或故障时，该阀具有“故障保险”位置，保证失电时阀芯回复到中位。该阀的最大特点是结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺机服阀的高精度高响应性又有比例阀的出力大、耐污染能力及防卡能力强等高可靠性，电磁操作力大，为环喷式、双锥式电液伺服阀电磁操作力的5倍以上。

2、备自动（手动）控制通道采用了进口高速数字阀组作为执行元件

数字阀组平时运行时作为手动控制通道，当伺服比例阀故障时，则自动切换到容错控制，由电气柜输出高速脉宽信号进行调节，调节精度达1%。数字阀是在现代计算机控制技术、电力电子技术推动下出现的一种新型控制阀。它采用高速开关阀或电磁球阀，并采用高速脉冲调制信号对其进行控制，可实现精密流量控制的目的，适用于现代全数字式电液控制系统。

3、伺服比例阀与数字阀主备工作管理

调速器电液随动系统的电液转换部分，采用伺服比例阀和数字阀两套电液转换装置，他们与各自相对应的电气单元构成主－备自动双通道的冗余结构。

系统原理图所示位置： 伺服比例阀通道在自动运行状态；数字阀通道处于热储备状态。当主通道的伺服比例阀故障时，发生问题的通道则通过故障监控予以切除，通过切换阀接通备用通道，此时，不影响调速系统的正常自动运行。如果需要可以通过备用通道进行电手动操作。因此，本电液转换单元具有故障工作/故障安全能力。

综上所述，采用伺服比例阀+数字阀构成冗余式电液转换器的调速器兼顾了高频响、高精度、滞环小、出力大、无零位死区和耐污染能力及防卡能力强的双重优点，相信这一技术将会在今后的水电站建设和中得到大力的推广。