調速器液壓隨動系統故障冗余設計與實踐

張 強，李士哲

（雅礱江流域水電開發有限公司錦屏水力發電廠，四川 西昌615000）

0 引言

錦屏一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣和木里縣境內，距西昌市約187 km，是雅礱江干流（卡拉至江口河段）五個梯級中的龍頭電站，水庫正常蓄水位1 880 m，相應庫容77.6億m3，調節庫容49.1億m3，為年調節水庫，其下游梯級為錦屏二級、官地、二灘和桐子林電站。

錦屏一級水電站樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發電建筑物組成。混凝土雙曲拱壩高305 m，泄洪建筑物有壩身4個表孔和5個深孔及右岸1條泄洪洞。地下主、副廠房布置在右岸，主廠房中安裝6臺單機容量600 MW混流式水輪發電機組，總裝機容量3 600 MW，年平均發電量為166.2億kW·h。

錦屏一級電站調速器為雙微機和雙比例閥調速系統，分為電氣控制部分和機械液壓調節部分，電氣控制部分采用了貝加萊公司的雙套熱備用的PCC2005控制器為核心，雙套PCC2005控制模件的切換通過外部的智能切換模件根據切換信號、故障信號進行切換，通過采集機組頻率信號實現頻率閉環，通過采集機組導葉信號實現開度閉環，通過采集機組功率信號實現功率閉環，并將閉環計算輸出的控制信號轉換為電流量送給機械控制柜。

調速器機械柜配置了兩套獨立的綜合控制板（MB），可實現調速器電手動閉環控制。通過電氣控制柜手自動切換，可實現電氣控制柜自動與機械控制柜電手動的無擾轉換。機械液壓調節部分由德國博世公司生產的比例伺服閥和功率放大單元組成電-液轉換單元，實現電氣控制信號與機械液壓信號的連接。選用美國通用電氣公司的FC5000閥組作為機械液壓單元的主配壓閥，用于接收比例伺服閥的控制油路，從而實現導葉的開啟關閉。FC5000主配壓閥控制閥組具備自復中功能和緊急停機功能，可進行機械手動操作和緊急停機。調速器電氣控制部分與液壓調節部分共同組成調速器的閉環調節系統，實現水輪發電機組的控制。

1 概述

調速器的液壓隨動系統的作用是執行電氣調節柜的控制命令，將電控制信號轉換為油壓控制，通過逐級驅動的方式最終進行水輪機的導葉調整，從而起到機組功率調整的作用。調速器的液壓隨動系統主要包括伺服比例閥及其控制反饋裝置、主配壓閥及其反饋裝置、液壓管路及接力器、導葉位置傳感器等一系列元器件。

調速器液壓隨動系統中任何一個控制閥組不正常動作或油管路堵塞均有可能引起導致整個液壓系統動作異常，導致整個調速器的調節失敗。對于具有位置反饋信號的伺服比例閥，可以將反饋信號送至功率放大板進行檢測，判斷比例閥動作是否正常；同樣主配壓閥也有相同的反饋機構，反饋信號上送至控制模塊構成閉環調節，控制模塊可以對液壓異常情況進行判斷，這些故障信號都以開關量的形式送調速器電氣控制柜進行判斷，進而進行伺服比例閥的切換。但這些都是電氣量上的測量，可能存在測量誤區無法準確判斷，可以考慮增設調速器液壓系統的綜合故障，用于判斷整個液壓隨動系統回路是否正常。

2 液壓系統故障邏輯功能完善思考及實踐

根據調速器副環傳遞函數（圖1）可知，對于調速器電氣調節部分來說，整個液壓隨動系統就是一個執行機構，調節柜電氣控制系統發出一個開度調節命令（±10 V DC）至機械液壓柜，液壓隨動系統進行調節，接力器進行開方向或關方向動作，帶動固定在接力器支架上的導葉位移傳感器進行相應的動作，導葉位移傳感器的測量反饋上送至電氣控制柜作為整個控制系統的大閉環。

雖然液壓隨動系統內部有比例伺服閥閉環、主配壓閥閉環，但液壓系統內部任何故障最終均能通過開度閉環來反映。

圖1 調速器副環傳遞函

根據調速器副環傳遞函數進行導葉給定與導葉反饋進行模擬試驗，其中導葉偏差按百分比計算，即0%～100%對應全關-全開，控制電壓輸出為±10 V，其中正值對應開啟導葉，負值對應關閉導葉。解開調速器控制系統電氣柜控制信號輸出至機械液壓柜接線，接入電壓量信號發生器，根據發出不同的電壓量記錄導葉給定與導葉反饋之間偏差關系，見表1。

根據控制結構示意圖可見，程序中導葉控制采用PI計算環節并對積分進行限幅，根據模式實測與理論計算一致。

根據上述試驗結果，對調速器液壓系統綜合故障邏輯進行完善。調速器液壓系統的綜合故障邏輯如下：本套為主機自動狀態、導葉無總故障下，當導葉給定與導葉反饋的差值大于3%時，持續2.6 s后判斷開啟方向導葉動作速度小于0.5%，并持續0.5 s，判斷為導葉液壓隨動系統故障；當導葉給定與導葉反饋的差值大于-3%時，持續2.6 s后判斷關閉方向導葉動作速度小于0.5%，并持續1 s，判斷為導葉液壓隨動系統故障（由于液壓隨動系統存在一定的動作滯后性及接力器不動時間，開度給定和開度反饋的變化方向和速度應考慮一定延時）。

表1 導葉給定控制電壓與導葉偏差關系

圖2 控制電壓與導葉偏差關系

試驗驗證：接入頻率信號發生器，通過短接開機令、并網令、一次調頻令，模擬機組并網狀態，調試電腦錄制 Gv_Give（開度給定）、Freq_Unit_Fdbk（機組頻率）、Gv_Fdbk（開度反饋）、Gv_Hydr_Error（液壓故障）波形。在調速器當前開度，關閉油路，短接導葉增加令或減少令改變導葉給定，使用導葉給定變化超過3%，觀察液壓故障報警報出正常，并對該過程進行全程錄波。試驗波形見圖3、圖4。

圖3 導葉給定關閉方向液壓故障邏輯驗證

圖4 導葉給定開啟方向液壓故障邏輯驗證

3 結語

調速器作為水輪發電機組有功功率調節的自動控制設備，它的穩定運行直接關系到機組的穩定運行，從而直接影響電網的安全。現代微機調速器可以更加精確有效的控制機組運行，確保機組發出更優質電能，同時減少機組異常停機的可能，為電力行業取得了良好的社會效益和經濟效益。但由于行業的發展和需要，微機調速器始終處于不斷發展的階段，調速器的邏輯設計需要實踐與優化才能更加完善，才能確保機組安全穩定運行。

大型水電廠調速器液壓隨動系統均設置了一些報警保護功能，能夠對滿足絕大多數異常狀況進行報警，但也存在一些不完善的地方。本文結合現場維護實踐，從調速器液壓隨動系統綜合故障邏輯報警功能完善思考，并提出一些有針對性的試驗方法，希望為其他水電廠提供借鑒。