黄金坪水电站4×200 MW机组调速器优化研究

刘少文

（四川大唐国际甘孜水电开 发有限公司，四川 甘孜626001）

1 调速系统介绍

1.1 调速器总体结构

黄金坪水电站是位于大渡河干流的第十一级电站，左岸大厂机组调速器由微机调节器和机械液压系统两大部分组成。其中微机调节器为能事达MGC4004型，采用施耐德公司BMX系列双可编程控制器构成双微机交叉冗余配置。机械液压系统由双比例伺服阀+纯机械手动自复中装置、油压装置，两部分组成。

调速器型号：PFWT-150-6.3-STARS油压装置型号：YZ-8.0-6.3

1.2 调速器整体布置

调速系统整体采用压力油罐+回油箱+调速器机械部分+调速器电气柜的布置型式。回油箱落地式安装，与压力油罐之间有管道相连，调速器电气柜与调速器现地电气控制柜及调速器现地机械柜之间由电缆相连。调速器机械部分布置于回油箱顶，外设调速器现地机械柜防尘防潮，调速器现地机械柜内部装设导叶开度、机组转速指针表，便于手动操作时观察开度。

2 原设计方案（双比例伺服阀+纯机械手动）说明

原设计的双比例伺服阀冗余控制方案（图1），避免了单个比例阀故障造成机组停机。当比例阀A工作时，比例阀B备用。当比例阀A故障时，可通过电气控制或手动操作，使主备用切换阀换向，切至比例阀B主用。缺点：当调速器用油精度不够或油路不洁净时，容易导致单个比例阀发卡。即使切换，备用比例阀同样存在发卡隐患。一旦控制电源消失，比例阀A、比例阀B、切换阀均不受控制，机组将停机或切至机械手动。

图1 原方案原理图

2.1 机械部分工作原理

来自油压装置的主压力油分为两路，一路为操作油，进入主配压阀的压力腔和恒压腔；一路经过双精油滤器输出控制用油。控制用油经自动回路依次通过比例伺服阀、主备用切换阀、手/自动切换阀、紧急停机电磁阀到主配压阀的控制腔。手动回路通过液压反馈阀、手/自动切换阀、紧急停机电磁阀到主配压阀的控制腔。

在自动或电手动工况下，微机调节器给比例伺服阀的驱动放大器提供电气信号，比例伺服阀的阀芯换位，输出压力信号油。正常状态下手/自动切换阀长期带电，主阀活塞受比例伺服阀流量控制，实现自动运行和电手动运行；失电时，手/自动切换阀应自动切到复中位，切断了比例伺服阀的控制油源。而始终保持在自复中位的手操机构驱使主配活塞回到零位，接力器停止运动，保持当前开度。

2.2 比例伺服阀简介

比例伺服阀是一种电气控制的滑阀式结构。比例伺服阀的功能是把微机调节器输出的电气控制信号转换为成比例的流量输出信号，用于控制主配压阀。

比例伺服阀具有4个工作位（图2），通常只用3个工作位，即开、关、停。只有当比例伺服阀出现故障或失电时，才处于第4个工作位，第4个工作位称作故障保险位，处于这个位时，主配压阀的控制腔通回油，此时接力器关闭充分保证机组安全。

图2 比例伺服阀原理图

2.3 电气部分说明

黄金坪水电站微机调速器控制部分采用施耐德公司BMX系列PLC的双微机控制器，设有开关量I/O通道、模拟量I/O通道、测频通道和电源通道。当自动通道系统故障时能自动切换到手动运行。

微机调节器采用双微机控制器A和B、交叉冗余容错系统。微机控制器A和B的测频、输入、输出和电源等均相互独立，运行过程中将其中一个控制器退出时不影响调速系统的正常工作。机械部分采用双比例阀控制结构，每套PLC输出两路比例阀控制信号。

3 优化方案（比例伺服阀+伺服电机自复中转换器）说明

此方案为比例伺服阀和伺服电机控制自复中元件的冗余可编程微机调速器（图3）。此方案在比例伺服阀控制和伺服电机控制的自复中状态时对油质的要求不同，比例伺服阀控制状态时用油精度为10 μm，伺服电机控制状态时用油精度为 20 μm，这种方式对新建电厂以及大修后的机组安全运行拥有较多益处。

图3 优化方案原理图

3.1 自复中转换器

自复中转换器为调速器中的机、电相互转换部件，是关键元件，有以下几种特点：

（1）无发卡现象：不但彻底克服了液压伺服装置始终存在的噪声、而且改变了油质中污物敏感等薄弱环节，它对用油精度要求较低。

（2）表面无漏油：转换器部分无油，仅下部阀体部分需用油，所以无油质污染。

（3）机械运动部件的动态性能好。

（4）电机正-反运转的交替过程中行程无死区，尤其是机组断电时能准确的自动复中，保证机组安全、可靠运行。

该自复中转换器可通过伺服电机直接驱动，或者通过操作手柄，经传动齿轮机构将传动轴的旋转角度转变为精密螺纹的上下位移，达到控制主配上下精确运动的目的。

3.2 伺服电机

伺服电机具有控制电源电压保护、过电压保护、主电压保护、过流保护、过热保护及过载保护等自身保护功能，采用220 V交、直流供电，PLC的定位单元模拟输出脉冲信号给驱动器，由于伺服电机带有旋转编码器，其自身组成闭环控制系统，定位精度非常高，启动力矩大。由于其性能可靠，可以保证调速器运行的稳定性及可靠性。

伺服驱动器、电机参数：交流、直流220 V，IGBT PWM控制（正弦波脉宽控制），最大输入脉冲频率500 kp/s，6位数-7段显示。

3.3 优化方案电气部分说明

优化方案的电气部分控制原理与原设计方案差别不大，只是由于机械部分增加伺服电机控制功能，所以要在现有方案基础上增加一个定位模块和伺服电机的驱动器（图 4、5）。

图4 伺服电机控制回路

图5 优化方案电气部分原理图

3.4 调速器通道切换工作原理

优化方案中调速器控制器A控制伺服电机，控制器B控制比例伺服阀，主/备用工作状态可以通过手/自动切换阀切换。通道切换时，首先由电气选择比例伺服阀或伺服电机控制自复中电液转换器主用权，若比例伺服阀为主用，则手/自动切换阀将打开比例伺服阀侧的油路，伺服电机控制自复中电液转换器为备用。手/自动切换阀为常通电阀，失电将切至纯机械手动位，由自复中电液转换器执行其纯手动功能，同时可以维持主配处于中位。在任何工况下，动作紧急停机电磁阀可使主配处于关闭位，来关闭导叶接力器。

3.5 优化方案的优点

优化方案采用比例伺服阀加伺服电机自复中转换器等冗余方式，当比例伺服阀失电后可以自动切至伺服电机自复中转换器，不同控制方式之间可以实现无扰动切换，并且可以任意选择比例阀或伺服电机控制。

优化方案在自复中转换器上方增加一个伺服电机控制系统，使自复中控制系统具备了电动功能，完全可以替代比例伺服阀控制系统进行日常运行控制，是真正的双套不同原理控制冗余系统。当比例阀因故不能正常使用时可以切换至自复中控制回路，由伺服电机来控制机组运行。此方案虽为单比例伺服阀，但由于自复中电转机构无需用油来操作，所以对油质的要求比比例伺服阀要低得多，而且纯手操功能在调速器失电时，仍能够满足试验、黑启动和黑操作的手动运行要求。

4 结语

通过两种方案的对比以及优化方案的论证研究，优化方案具有较多的优点，实际运行可靠性较高。优化后的调速器至今未发生过因调速器故障造成机组停运，这对于黄金坪水电站进行电力系统频率调节和投入AGC运行具有重要的意义。