27、电力系统自动化2010研讨会论文

几种典型调速器液压控制结构及特点分析

张辉（湖北省宜昌市443002）

摘要水轮机控制系统中数字式电液调速器（DEH）紧随着计算机技术、控制工程的发展，构成数字式电液调速器机械液压部分的主要元件（电/机转换装臵，主配压阀、事故配压阀、机械手动装臵等）朝着模块化、结构化的方向发展，注重结构可靠性、冗余性。本文根据不同控制方式组合，形成几种典型的冗余控制结构，并着重分析每种结构的特点。讨论了配臵事故配压阀后，与圆筒阀等的紧急停机配合问题。

关键词数字式电液调速器（DEH）机械液压冗余控制

0 引言

现代水电厂及电力系统，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的更严格的要求。水电对电网安全运行的影响越来越重要，同时电站对水轮发电机组及水工建筑的安全运行越来越重视。计算机技术的发展及其在自动化领域中的应用，极大促进了调速器的行业进步。20世纪80年代，出现了以数字计算机为基础的数字式电气液压控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System, DEH）,简称数字电调，现今更着重在PCC（PLC）的基础上向着网络化、全数字化

发展。

国内水电厂的水轮机控制系统很多均已过渡到微机数字电调。微机数字调速器随着微机技术的长足发展而发展，由于微机具有丰富的运算和逻辑判断功能、强大的记忆能力、丰富的硬件资源，在调速器中充分发挥微机的这些优势，使微机调速器不断扩大、加强。

以PCC（PLC）调节器为基础的微机调速器，极大丰富了执行元件的选取范围，开阔了调速器控制系统的冗余方式，同时对于冗余切换的无扰要求也逐步明确细致化。

调速器机械液压部分的主要元件上，通过引进、吸收，再到自主设计、制造，完成了超大流量（直径）复合控制型主配压阀、高精度电液伺服阀等重要执行部件的自主制造。

1 电/机转换装臵

电/机转换装臵是电－机和电－液转换器的总称，电－机转换将微机出口电气控制信号，转换、放大成具有一定驱动力的机械位移输出，电－液转换则把电气控制信号转换、放大为相应的液压控制信号输出。

电/机转换装臵一般与主配压阀相接口，电－机转换器与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合，电－液转换器则与带辅助接力器的液压控制型主配压阀接口。

电/机转换装臵是电液调速器的重要部件，在很大程度上影响水轮机控制系统的静、动态特性及可靠性，是机械液压系统中的发展最

迅速的部件之一。

按照我国的运行习惯及系统运行需求，电/机转换装臵无论使用电－机还是电－液转换，在与主配压阀接口后，均需尽可能保证电源消失后，自动恢复至中间平衡位臵（自复中）的功能。

1.1 电－机转换器

电－机转换重点是机械位移转换输出，在应用上多为控制电动机的旋转运动，来转化为直线（折线）机械位移，带动引导阀（控制阀）实现对主配压阀的驱动。

典型的水轮机调速器电－机转换器应用核心包括伺服电机及步进电机，主要性能指标及技术参数如下：

滞环 < 0.2%

重复性 < 0.1%

阶跃信号调节时间 < 10 ms

响应频宽 20～70 Hz

如前所述，电－机转换器多与引导阀连接，两者之间为实现自复中的功能，增加自复中弹簧机构，以方便无扰切换及断电时，使其驱动的主配压阀保持中间平衡状态。

步进电机为一种广泛应用的电/机转换装臵，采用脉冲数字控制，方便可靠，电源结构简单，采用闭环控制（闭环到丝杆输出），定位精度高，抗油污能力强。通过步进电机驱动器输出正反向脉冲，控制步进电机正反转。脉冲的频率快慢，控制步进电机的速度，减少了用模拟量转换控制引起的延时。其优点是无需额外装臵，即可实现纯手

动功能，但一般需与自复中装臵配套。

图1-1 电机自复中结构示意

1.2 电－液转换器

电－液转换器重点是液压输出，多采用电磁结构，应用较多的为电液伺服阀及比例伺服阀。

图1-2 动圈式电液伺服阀

电液伺服阀是较早期（上世纪90年代）的产品，其结构简单，通过增加环喷结构，大大提高了抗油污的能力，但其制造工艺略显粗糙，如伺服阀线圈断裂及弹簧脱焊，均属于工艺品质问题。其静态特

无环喷结构 环喷结构

性也较稳定，动态调节性能较好。电液伺服阀多为与电气调节器的配套产品，配臵灵活性较差。

比例伺服阀是目前电－液转换器应用较广的一种，它是一种电气控制的引导阀，在大型和特大型数字式调速器中得到广泛的应用，其功能是把微机调节器输出的电气控制信号转换为与其成比例的流量输出信号，实现流量控制，其静态和动态性能较好。由比例伺服阀作为电－液转换器组成的数字式电液调速器在电站的试验运行结果表明，水轮机调节系统具有优秀的静态和动态性能。但其对油质要求高，控制管路油垢的轻微沉积易造成卡阻，国内对比例阀的控制逻辑也在逐步完善。

电/机装换装臵的特性进行简要对比：

表1-1 电/机装换装臵对比

从实际应用相比较而言，液压流量控制的电液伺服阀虽具有抗污能力强的优势，但其为上代产品，性能不如后出现的比例阀等，且制造工艺、品质欠缺严谨。

比例阀的动、静态特性优良，但油质要求较高，现今很多采用比例阀实现控制的调速器油系统均配备静电滤油器，使油质过滤级别再升一个层次，更好满足比例阀的油质要求。在设计中对比例阀的动作闭环趋势加以判断，可以有效判断可能出现的卡阻现象，大大增加设备可靠性。比例阀良好的性能、灵活的配臵方式，是电液伺服阀无法达到的，是一种发展前景较好的控制方式。

位移控制的电机在很多水电厂取得成功应用，步进电机的控制特性在大型双调节调速系统中得到了可靠证明，数字脉冲控制特性、方便的纯手动实现方式、失电故障保持等具备强大的吸引力。

2 主配压阀型式

对水轮机调速器的性能及功能的新的要求，以及冗余切换的无扰要求，很大程度上决定了调速器关键机械部件——主配压阀的设计及制造要求，国内水电站应用的主配压阀结构型式多样，控制方式也较多，包括液压流量控制、位移控制等。此处重点针对在大型和特大型数字式调速器中广泛使用具有各自特点的两种结构进行阐述。

主配压阀的搭叠量是主配压阀的重要特性之一，其定义为配压阀中阀盘厚度与控制窗口高度之差的一半，即λ=(a－b）/2。λ< 0称

卧式主配压阀，阀芯为自由活动方式，重量分布于阀体衬套中，可以移动至任意位臵，其静态特性较好，同时可以将主配搭叠量做小，接近零搭叠，这间接提高了动态特性的响应速度。而搭叠量小，动态调节时，主配的漏油量又偏大，造成油泵加载的频繁。阀芯与阀套间隙很小，抗污能力相对偏弱。

一种卧式主配压阀的结构：

图2-2 卧式双阀盘结构示意

2.2 立式主配

立式主配压阀，阀芯有自下落趋势，其重量依靠压力顶起，无压力有自关闭趋势，这是立式主配的优点，但也正是由于自关闭趋势，对主配搭叠量有一定要求，相对卧式主配偏大，故立式主配动态特性

响应速度稍差于卧式，但动态调节漏油量相对较小，油泵加载次数减

少，抗污能力也较强。国产主配设计制造上，也在力求寻找到搭叠量与漏油量、抗污力的较好结合点。

一种立式主配压阀的结构：

对两种结构型式主配压阀的特性进行简要对比：

表2-1 主配压阀结构型式对比

立式或卧式主配均有各自优缺点，在选取上，无需拘泥于追求卧

式主配的响应速度，毕竟立式与卧式主配的响应速度差别在毫秒级

别。应更强调主配压阀的抗污能力、漏油量、自关闭趋势，以及故障状态下的稳定性。

3 典型冗余结构

作为水电站机组控制的核心，保证机组安全运行、故障状态下稳定机组是调速器的重要任务，在满足该前提下，微机调速器系统基本均采用了冗余的结构。

调速器电气控制多采用为全冗余双（三）微机调节器，实现“主机/热备”功能。机械液压控制部件中执行元件也同样形成冗余。执行元件可以进行组合、交叉，并可以和不同结构型式主配压阀进行合适配合。电气控制与机械结构并行冗余组合，构成各具特色的调节控制结构。

3.1 不完全对称结构

调速系统电气控制部分一般由主用、备用调节器，两者互为冗余，通过电气连接或者油路进行切换；通常配有紧急调节器，起故障状态下稳定机组状态的功能。主、备用调节器控制同一个电液伺服阀，紧急调速器控制另一个不同型号的伺服阀，配合立式主配压阀结构。各调节器之间互相可进行无扰动的进行切换。部分调速系统也采用主、备用调节器，外接事故配压阀等结构。此种结构特征点在于执行器同属性，如均为电-液转换，但不同型号，可以方便实现液压流量控制，且在成本上能得到较好控制。

图3-1 双电液伺服阀（不同型号）不完全对称结构示意

3.2 完全对称结构

调速系统电气控制部分由三（二）套调节器进行冗余，执行元件型号及特性完全一致，如双比例阀。通过电气连接或者油路进行切换；通常配有紧急手动调节，起故障状态下稳定机组状态的功能。各调节器之间互相可进行无扰动的进行切换。可以配合卧式主配压阀，外接事故配压阀。

此种结构特征点在于执行器同属性，如均为电-液转换，且型号完全相同，由于冗余两侧的各向属性均相同，可以较方便实现无扰的功能，对应的电气控制逻辑实现也克完全相同。

图3-2 双比例阀（同型号）完全对称结构示意

3.3 完全不对称结构

完全不对称结构，其结构特点是执行器属性完全不同，如电-液转换与电-机转换互相结合，电-机转换与自复中结构结合，控制引导阀，驱动主配压阀。电-液转换直接实现液压流量控制，或在二级系统中实现辅助接力器控制。调速系统电气控制部分由2套调节器进行冗余，执行元件通过电气连接进行油路切换；故障状态下由电-机转换稳定机组状态。各调节器之间互相可进行无扰动的进行切换。多与立式主配压阀配合，外接事故配压阀。

图3-3 比例阀+步进电机完全不对称结构示意对这三种较典型的调速器冗余结构进行对比：

表3-1 三种典型冗余结构对比表格

4 过速保护配合

水轮机控制系统的一个重要功能，是在紧急及事故状态下，可靠的将机组安全停机。对水轮机影响较大的事故之一即为过速。过速保护可通过主配压阀实现停机，在配备事故配压阀的情况下，动作事故配压阀停机。而高水头水电站，还包括机组进水口快速门、导叶圆筒阀，这些设备也同样可以实现过速保护的功能，具有同样功能的设备在动作次序上，应能够按照既定动作逻辑实现顺序控制，从而在不同级别完成保护功能。

图4-1 一种多级过速保护动作逻辑示意

5 结语

从上述对各种结构的总结及对比分析，水电厂调速器选型需根据

电站的自身特色，选取较合适的结构型式，应更强调整个调速系统的动、静态特性及整体性能，重点提高设备故障状态的稳定性，并以故障状态下，尽可能维持机组状态为出发点。

明确对水头—功率—开度（H-P-Y）对应关系曲线的要求，因该曲线是提高调速器调节质量的重要参考。合理配臵手动控制方式，可以大大方便运行人员操作及维护人员检修，以电手动方式作为正常手动调节方式，应简单易操作。纯手动方式可在失电、调节器PLC完全故障等状态下，可靠保持机组状态。

高水头电站机组选取配臵了筒形阀，理论上筒形阀可起替代事故配压阀作用，但建议将筒形阀作为事故配压阀拒动的后备，即机组过速，事故配压阀动作失败后，动作筒形阀，这样可多一层可靠保障。

鉴于调速器在水电站控制设备中的独特性，更多去注重设备软、硬件的自主设计能力，应避免软件无法自主的现象，且优良的设计经验、思路是优化设备功能的重要途径。

作者简介：

张辉（1979-）男，硕士研究生，工程师，长江电力溪洛渡水力发电厂筹建处，从事电力系统自动化、计算机控制系统、自动控制系统运行与控制研究及工作。

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