中国水利水电第十六工程局有限公司 福建省福州市 350003
摘要：与传统火力发电相比，水力发电具有清洁环保、运行成本较低、效率高等优点。水轮机调速器作为水电站发电系统的核心组件，在水力发电中扮演着十分重要的作用，它的可靠性直接决定了水电站的经济效益。随着PLC技术和可编程控制器在工业上广泛应用以及数字液压阀产品的日益成熟。采用可编程微机调速器搭配数字液压阀替代原机械式调速器，将具有动作迅速、高实时性、防卡阀性能强、抗油污能力强、稳定性强等优点，降低水电站的维修成本，为电站提高经济效益。
关键词：水电站；电液调速器；数字化技术
引言
智能电网以及数字化水电站是我国电力工业将来的发展方向，它的建设将集国内外的先进技术之大成，引领世界水电厂智能化的标准建设和发展方向。而水轮机调速器作为机组核心控制设备，对调节电厂机组负荷、稳定频率，保证电网的供电品质和质量极其重要。然而目前国内已经投产和正在设计的调速器产品，大都没有意识到当前电网智能化环境的特殊要求，如在TCP/IP网络接口、GPS对时、现场总线、仿真与测试接口方面大多没有充分考虑。
1常规调速器现状
目前水电站一般采用微机调速器匹配机械液压元件等设备来组成调速器系统，具备如下功能：导叶开度控制、频率（转速）控制、功率控制，一次调频功能，机组开停机控制等，以及必要的开度（功率）限制、过速保护等功能。调节器本身一般会带有串行通信接口，可与监控系统LCU进行数据通信，但受通信接口和相关协议的制约，数据通信的量和速率均不太理想，由于不具备以太网接口，不能适应数字化及智能化的要求，与外系统的通信功能一般仍以硬接线为主，串行接口通信往往作为备用或比对数据使用。机械柜一般只布置纯机械和液压元件，不能实现液压元件的状态监测和故障诊断等高级功能。
2项目概况
某水电站有2台YDT-1800电液调速器，属于第二代调速器。工作原理采用电液转换器作为核心控制部件，由模拟电路组成的电器调节器控制电液转换器，电液转换器输出的液压信号源控制液压传动系统的中间接力器，再推动机械杠杆去控制主配压阀，配压阀动作后推动主接力器，主接力器直接推动水轮机导叶杠杆，控制导叶的开启和关闭，这个过程经历了三级液压放大。
3水电站电液调速器数字化技术改造
微机控制器通过采集发电频率、系统油压、接力器位置等信息参数，用程序实现变结构和变参数的复杂运算并给设备相应的动作信号，从而实现对水轮机的转速进行调节。工作流程如图1所示。输入通道主要完成对整个系统的状态检测，主要测量机组发电频率、发电机功率、接力器行程以及其他模拟量和开关量，输出通道将计算机输出的控制信号传递给执行单元，由执行单元完成对机组的调节任务，系统形成闭环控制。控制系统的设计和液压随动系统是水轮机调速器稳定性的关键技术。
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图1微机调速器控制系统框架
3.1PID控制系统
本系统采用PID控制，也是目前的水轮机微机调速器中应用最广泛、技术最成熟的一种控制规律，系统控制主要通过软件来实现，能较好的适用于低阶或不太复杂的线性系统。控制器经过PID运算输出脉冲序列，此脉冲经过放大后作为开关阀的输入信号，采用数字液压阀控制开关阀，可以实现对开关阀的连续流量输出。由开关阀输出的流量信号进入接力器，从而控制接力器的位移，以上为前向通道;接力器位移为反馈信号，将频率信号输入PLC，并与PID运算值进行综合比较。系统输入信号是转速偏差信号，输出信号是与转速偏差信号成比例的控制量，永态反馈信号取自PID综合输出信号。其传递函数为:
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式中，bp为永态转差系数;KD，Kp，KI分别为微分、比例、积分增益。
微机调速器要实现高可靠性调节功能，除了各传感器精度要高，还需要建立合适的数学模型，通过软件完成数学模型的计算，形成完成的控制系统。但结合实际情况考虑时，由于理想微分PID控制在采样周期的输入偏差e(n)较大时，微分作用不能充分发挥。所以在实际应用中，通过实际微分环节代替理想微分环节。实际微分通道上输入e(t)和输出分量为yd(t)的关系如下:
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离散化的数字PID表达式为:
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实用的位置型PID控制算式:
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3.2液压系统设计
虽然出现了基于步进电机或伺服电机驱动阀芯的液压阀，但是它在本质上依然为模拟元件，没有从根本上克服传统液压阀的弊端。液压数字阀的动作是通过数字阀控制器进行驱动，技术核心是采用具有离散值的液压元件控制系统输出。通过控制器向步进电机传输一系列的脉冲信号，每个脉冲对应非常精细的阀口开度，可以精确地控制导叶接力器的动作。数字液压阀具有实时性高、结构简单、控制精度高、对油污不敏感等特点。所以在设计过程中采用数字阀液压随动系统结构取代传统的电液控制阀。
3.3液压集成块的设计和制作
为了满足适配、过渡、扩展液压油路接口以及合理简化管路和优化设备布局的作用，可使不同口径的管接、液压阀等元件匹配起来，系统设计需要使用液压集成块。为了满足相邻孔之间的材质具有一定强度，同时还要致密无裂纹、夹灰，以确保相互间在可能的高油压差状态下不发生渗、泄漏等现象。我们使用35号优质中低碳钢，这样的选材的考虑是基于这种锻件具有近似45号钢的机械强度，又易于锻压并能减少过程中的夹灰及裂纹的产生，这种锻件适合油路结构紧凑的阀块。集成块的加工工艺过程为:工序一:利用铣床进行粗加工，各加工表面留有0.6mm加工余量;工序二:按图纸尺寸要求进行打磨，平行度控制在0.03mm内，两相邻面垂直度小于0.05mm;工序三:钻孔(根据孔道内液压油流动方向，加工合适的圆角，避免产生涡流和冲击性振动减少液压能的内耗);工序四:加工装配时所需要的螺纹孔;工序五:处理毛刺并清除各孔内铁屑(否则容易导致卡阀现象);工序六:打磨处理(将各表面磨至表面粗糙度Ｒa=0.08mm)。为了保证整个元件的清洁度，整个加工过程中，每道工序都应该清洗，以防止杂质污染液压油甚至出现卡阀现象。待加工完成后，按液压系统原理图对集成块的油路孔进行确认，确保油道连通正确且无干涉现象。
4现场安装和调速
为了确保液压系统管路的清洁度，需要在配管后对液压系统进行冲洗，再对冲洗后的油液检测合格后，开始对液压阀集成块和阀体进行安装。项目组和水电站技术人员对调速器系统进行调试，并做静态试验进行验证，使用试验仪器模拟给调速器加入频率信号，模拟导叶开度变化，再完成对液压和电控系统的调试，模拟后，该电站目前已投入正常使用。
结语
目前，水电站智能型调速器系统技术正在逐步研究和完善，相信很快就会有工程实例出现。同时，智能化技术应该说只有开始没有结束，是永无止境的，今后随着运行经验的不断积累、研究的逐渐深入和设备制造水平的不断提升，调速器设备的智能化程度将越来越高，伴随而来的是水电站的智能化程度也将不断进步，对设备技术水平和人员技能水平等都将提出更高要求。
参考文献
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