摘要：水轮机调节系统是由调速系统和调节对象组成的闭环系统，其中，调速系统包括调速器电气部分、电液随动系统以及油压装置，调节对象包括水轮机及其有压过水系统、发电机及电网。水轮机调速器是水电站进行机组出力调节的重要设备，也是水电站中自动化控制的关键设备之一，其基本任务是供水轮发电机组稳定地以额定转速运行，在机组负荷变化或其他外扰作用下，保证机组的转速变化不超过一定的范围，并能迅速地稳定在新的工况下运行。此外调速器还具有对机组进行正常的控制操作，保证机组安全、经济运行等功能。
关键词：水轮机；调速器；技术；选型
1 水轮发电机组中调速器的作用
就我国的现有情况来说，从各种资源条件的对比中，大力建设水电站是最为明智的选择，可以说，水电站的建设在我国的经济发展中作出了非常重要的贡献。水电站的电能供应不仅能够保证人们的日常电量的供应，同时还是一种非常清洁的能源，这对于日益严重的环境污染的现状来说，无疑是一种明智之举。而水电站的要想实现自身的正常运转就不能离开水轮发电机，水轮发电机是水电站发电的核心部分，在水电站提供电量时，水轮发电机的运行对其电压和频率都有着非常重要的影响。
但是，在水轮发电机运行的时候也需要进行一定的有效控制，否则就有可能会出现由于水轮机转速过快而出现机组飞逸的情况，这种状况对于水电站来说无疑是重大的打击。而一些水电站为了能够有效的控制水轮发电机的转速，对水轮发电机安装了一定的保护系统，这个系统在水轮发电机转速过快的情况下对其实现停机保护操作。在这种情况之下，水轮发电机停止运行，水电站的电量供应就会出现供电的不稳定，这也会给水电站造成一定的负面的效应。同时水轮发电机在运行的过程中受到水流的速度和大小的影响，因此，水轮发电机的转速和水流的速度是有直接的关系的，当进水的速度出现了增快的情况之时，水轮发电机的转速也会相应的提高，如果转速过快就会导致保护系统的启动，这又需要一定的人员对进水闸来进行调整，水电站才能够重新投入使用，这种情况也是会影响水电站的电量供应的稳定性的。
2 水轮机调速器技术现状
2.1 控制器特点
基于单片机的微机调速器硬件多为自行设计制造，由于元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等受到规模的限制，故障率较高，从而使调速器的可靠性降低。基于工控机的微机调速器，虽然其硬件标准化程度比较高，软件资源丰富，有实时操作系统的支持，但装置访问时间较长，体积大，且成本高。基于PLC的微机调速器，虽然PLC本身的可靠性很高，但它的计数频率低，测频单元一般由单片机来实现，然后再向PLC传递数据，这样就造成了由于测频装置的可靠性不高，使得调速器的可靠性仍旧不太高。
PCC集成了PLC和IPC的优势，既有PLC的高可靠性、易扩展性，又有IPC的分时多任务操作系统功能，具有运算能力强、实时性好、编程方便的特点;同时，PCC的CPU模块有独特的时间处理单元(TPU)，可以在不增加主CPU负荷的前提下很好地解决调速器的频率测量问题，把PCC作为调速器控制器的硬件，能保证调速器的高可靠性。
2.2 电液随动系统特点
国内水轮机调速器的电液随动系统也有多种方式。电液随动系统中的电液转换器是油质清洁度的敏感元件，以前采用电液伺服阀，易出现阀芯卡涩和油路堵塞情况，且漏油量大，后来研制出了双锥式、环喷式电液转换器和伺服电机、步进电机等电液转换器，提高了抗油污、抗卡涩能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆最近，相关厂家研制出数字球阀和插装阀并联式电液随动系统，这种电液随动系统的原理是当主接力器位置偏差较大时，利用插装阀大流量输出进行系统粗调，当位置偏差调小到一定范围内时，关闭插装阀，转到数字球阀小流量精密调节，其特点是抗油污、抗卡涩能力强，可以提高系统的速度。但双锥式、环喷式、伺服电机、步进电机等电液转换器以及插装阀式电液随动系统的频率响应较低，接力器不动时间较大，最突出的表现是在空载频率跟踪、甩负荷指标等方面存在不足，这将制约其在大型、特别是巨型机组中的应用。
目前采用伺服比例阀的电液随动系统在大型、巨型调速器中广泛应用。伺服比例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，阀的滞环和不重复性均很小，而且，伺服比例阀在断电或故障时具有“故障保险”位置，保证失电时阀芯回复到中位。伺服比例阀结合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺服阀的高精度、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特性，较好地解决了液压卡阻的问题。
2.3 控制规律
在硬件进步的同时，国内水轮机调速器调节规律的研究也取得了很大进展。传统的模拟式调速器的调节规律是PI或PID调节，而且只有空载和负荷2组参数。近年来，随着计算机调速器硬件水平的提高和控制理论的发展，许多先进的调节规律相继出现，例如:连续变参数适应式PID控制，自适应、变结构变参数自完善控制，模型参考多变量最优控制，模糊控制，人工神经网络控制等新型控制规律和基于微分几何理论的非线性控制等新型控制规律，等等，这些研究成果在理论研究和工程实践中对调速器的发展均起着积极的推动作用。
在水轮机调速器当中系统结构是其重要的组成部分，对于水轮机组的选型需要将其列入到选型参考标准当中。相关人员在具体的选择当中需要和水轮机组调速器的实际使用情况进行结合来分析，就电站的发展特点来看，主要选择为微机调节器和电液随动系统结构，或是选择电机伺服装置+微机调节器+机械液压随动系统结构等两种选择方式。通过大量的实践证明，这两种选择方式非常适用于电站的水轮机调速器的使用和运行系统结构的选型，对确保系统运行的安全性以及提高水轮机调速器运行的可靠性、效率性等给予一定的帮助。
2.4 人机界面
人机界面作为水轮机调速器的重要组成部分，在对水轮机调速器进行选型的过程中，应将其作为选型的重要参考因素，由于水轮机调速器各个厂家设计的操作显示模板的不同，而如果选择不合理的话，就会造成主机外的连接，产生的显示模板故障率会偏高，不利于水轮机调速器的正常运行，因此，为了提高水轮机调速器的使用标准化、可靠性，应结合水轮机调速器的实际使用情况，适当的选用人机界面，尽量减少微机辅助电路以及复杂的连线方式，这样才能有效的提升水轮机组调速器的运行效率。
2.5 技术指标
在水轮机调速器选型的过程中，需要做好技术指标的控制，如，转速死区指标应小于0.08%；机组自动空载频率的摆动值应＜士0.25%；导叶接力器的实践应＜0.3s；备用电源的切换，以及手动运行模式和自动运行模式切换时的导水叶开度变化应＜±1%；在水轮机组稳定运行的情况下，导叶波动应＜±5%等。因此，水轮机调速器的选型非常关键，选型过程中必须要结合实际的使用情况以及各个技术指标等进行选择，这样才能确保水轮机调速器使用的适宜性。
3 结语
总之，在水轮机调速器使用的过程中，需要结合实际的使用要求来选取适宜的型号，同时在科技不断发展的过程中，应对水轮机调速器技术展开更深层次的研究和开发，这样才能推动水轮机调速器技术迈向新的阶段，从而为水电站等方面提供高效的运行功效。
参考文献
[1]曲全磊.基于PLC的水轮机调速器的研究[D].湖南大学，2009.
[2]赵坤耀.水轮机调速器发展综述[J].水力发电学报，1996，01:78-83.
论文作者:徐永平
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/17
标签：调速器论文; 水轮机论文; 水轮发电机论文; 水电站论文; 系统论文; 机组论文; 转速论文; 《电力设备》2016年第24期论文;