调速器的功能与特点：抽水蓄能电站的关键设备

二、调速器的功能与特点

调速器在蓄能机组按发电方向运行时，功能与常规水轮发电机组的调速器系统相同；而在按抽水方向运行时，其功能主要是根据水泵扬程和电网频率的变化适时调整导叶最优开度，实现抽水效率最大化。

（一）调速器的功能

调速器是抽水蓄能电站最重要的控测设备之一，其功能不仅是在单机运行时用来维持机组转速恒定（或在允许的范围内），而且还承担机组启动、停机、并网和增减负荷等操作。此外，还有有功功率的成组调节，按有差特性分配各机组之间的负荷，实现按水位调节、按功率调节、按开度调节等。调速器同时还是电站与机组的安全监控系统的执行装置之一。例如当发生电气事故或机械事故导致发电机突然跳闸后，调速器可以及时地关闭水泵水轮机的导水机构，以防止事态的进一步扩大。一旦事故消除，调速器又能迅速启动机组，增加系统备用机组快速投入的灵活性。

水泵水轮机调速器与常规水轮机调速器并无太大的差别，那是因为它们都必须具有空载和单机运行时的频率自动调节、并网运行时的负荷自动调节以及机组的开停机控制和事故时的自动紧急停机控制。但水泵水轮机除了发电、调相、调频外，其最大的特殊点在于它还能抽水蓄能，以便在系统负荷低谷时，用系统多余的电能来抽水蓄能，而在系统负荷高峰时，利用储存的水能来发电，以起到调峰填谷的作用。因此水泵水轮机调速器在水泵工况时，也需要对机组进行控制。但这与发电工况不同，在水泵工况时，导叶开度对水泵输入功率几乎没有影响，事实上，水泵的输入功率与机组转速的三次方成正比，只要对转速略加调整，就可以实现较宽的水泵输入功率调节。而导叶开度的调节主要是使水泵效率最高。因此，在水泵工况时，水泵水轮机调速器的任务是根据水头、电网频率计算最优的导叶开度，并将导叶开到最优开度，以保证水泵效率最高。

如上所述，尽管调速器有很多功能，而且调速器的类型也很多，但要衡量一台调速器性能的好坏仍可提出一些共同性的技术标准。通常可以从静态特性和动态特性的优劣来分析。静态特性的品质指标主要是调速器的转速死区i_x，对双重调节的调速器还有随动系统的不准确度i_a、调速器静态特性的非线性度（或称不准确度）ε等。动态特性的性能指标主要是稳定性和过渡过程品质指标，如超调量、超调次数、调整时间等。

简言之，评价一台调速器性能的优劣，主要看其各项性能指标是否满足有关规律的要求，也就是说调速器应能控制机组稳定运行，并能维持一定的静态准确度。在各种扰动信号作用下，应能达到快速收敛，满足过渡过程的各项指标，尤其是甩负荷工况，应能确保机组安全，使大波动过渡过程品质也符合要求。调速器技术规程中对各种性能指标作了明确的规定，具体可参考水轮机电液调节系统及油压装置的技术规程。

（二）调速器的工作原理

自动调速器是蓄能机组的主控制设备之一，它的基本作用就是维持机组的转速在给定的范围内。那么它究竟是如何根据频率的变化进行调整的？又是如何使失去平衡的调速系统重新达到平衡状态的呢？对此分别讨论如下。

1.机组空载运行

当机组空载运行时，调速器的任务就是要使机组稳定地在空载额定转速下运行。就以机组启动过程为例。当机组自动启动时，调速器的测速单元首先监测到机组频率（或转速）比电网频率低，因而测速单元就输出一个要求开大导叶开度的频差信号（若有测加速度功能，则同时有一个加速度频差信号）。该信号被送入综合放大单元（或积分单元），使该单元输出增大。同时该单元输出信号又被送入暂态反馈单元，而暂态反馈单元输出信号又被反送至综合放大单元输入端，去抵消和减弱测速单元的输出信号，以免综合放大单元输出变化过大而造成过调节。由于在空载运行时，调差率（即永态转差系数）b_p＝0，所以调差单元（硬反馈）不起作用。综合放大单元输出的调节信号（即PI或PID调节器输出信号），即要求电液随动系统将导叶开到与调节器输出相对应的位置。该调节信号与反映导叶开度的接力器反馈信号在电气综合放大器进行综合放大后，去驱动电液转换单元，并由电液转换单元转换为要求开大导水叶的相应位移（或流量）信号，再通过液压放大执行单元（即引导阀、辅助接力器和主配压阀、主接力器）两级液压放大，并借助压力油的巨大能源以推动主接力器活塞，使导叶开度增大到调节器输出要求的对应开度，使电液随动系统暂时达到平衡（即电气综合放大器输出为零）。

但由于机组在启动过程中，受启动回路控制，通常先将导叶开到启动开度（比空载开度约大3%～5%的开度），然后在转速上升到90%n_r时，启动回路输出值又从启动开度减到整定空载开度。但整定空载开度通常比实际空载要大一些，所以机组在启动过程中，机组转速将超过空载额定转速，这时测速单元将输出要求导叶关小的频差信号，因而综合放大单元（或积分单元）输出减小，因此，其他单元也作与此相应的调节，即液压放大执行单元的最后输出——主接力器将操作导叶关小，以减小进入水泵水轮机的流量，使机组的主动力矩减小，使转速降到额定转速。当然在实际中这一过程是要波动几次最后才稳定在空载额定转速允许的范围内的。

2.单机带负荷或并网作单机调频运行

单机带负荷或并网作单机调频的机组为了保证转速恒定，通常整定b_p＝0或将b_p整定在稍大于零（1%～2%），如果忽略其影响，可认为调差单元（硬反馈）不起作用，因此当外界用户负荷变化时，导致发电机的阻抗力矩M_g变化。如果是用户负荷增加，则阻抗力矩M_g增大，此时发电机转速下降，这时测速单元监测到机组转速低于额定转速，则测速单元输出要求开大导叶的频差信号，综合放大单元、暂态反馈单元及测速单元的测加速度回路共同构成的PID调节器，则输出一个要求导叶开到相应开度的调节信号。该信号使由电气综合放大器、电液转换单元和液压放大执行单元构成的电液随动系统的输出（即主接力器）也增大到相应开度，即操作导水叶开到相应开度，以使机组转速回升到额定值。但实际调整过程并非一次调节就能完成，通常要经过几次调节才能达到稳定。也就是说当转速回到额定值时，由于机组的惯性，转速会超过额定值，然后调速器又进行反向调节（按前面所述的相反方向调节），经过几次调节后，最后重新进入稳定平衡状态，即主动力矩M_t与阻抗力矩M_g达到平衡（M_t＝M_g），以维持转速恒定。

3.机组并网运行

机组并网运行，也就是说多台机组（甚至上百成千台机组）并列运行，此时为了实现并列运行机组间的负荷合理分配，一般将各台调速器调差率b_p整定为大于零，此时机组与电网同步运转（频率相同），而系统的频率则由系统调频装置来控制。由于单机容量与系统总容量相比非常有限，故单机调节不能改变系统频率（转速），此时调速器只能通过功给机构（对机械调速器来说则是变速机构）来改变本机组所带负荷。即功给机构增功率时，通过调差单元（硬反馈）给综合放大单元（或积分单元）馈入要求增加输出的调节信号，直至综合放大单元输出与功给值相一致为止。此时电液随动系统接收到该调节信号后，则将接力器开大到与PI调节器（即综合放大单元）输出相一致的开度，则导叶开大，通过转轮的流量增加，输入机组的主动力矩M_t增加，由于系统同步转速不变，则该机为了维护平衡，因而增加了所带负荷，即反映为阻抗力矩增加，直至M_t＝M_g平衡为止。如果此时外界负荷不变，则该机所增加的负荷势必使别的机组减少负荷来保持平衡。所以在并网运行时，调速器的操作控制相当于是开环控制（因为机组频率等于网频，而网频不变，所以不能通过频率进行自动调节）。

但在系统负荷发生较大变化，引起系统周波（频率）变化时，这时各台机组将根据频率的变化量和本调速器所整定的调差率（永态转差系数）b_p值，自动承担变动负荷中相对应的那一部分，但调整后系统频率将变为新的稳定值。

4.抽水工况运行

蓄能机组作为水泵运行时，利用系统电能将下水库的水搬运至上水库，作为能量储存起来。机组启动时，调速器首先根据预设程序将导叶开至固定开度（启动开度），待水流稳定后，将导叶开至第二开度（根据扬程计算得出），待水流稳定后，此时调速器系统根据扬程、网频，利用经验公式，实时计算并控制导叶至具抽水最优效率的开度。

5.调相运行

调速器在发电或水泵工况下，若收到调相模式指令，调速器将复归开度调节、功率调节、转速调节及水泵模式，而进入调相模式。此时调速器导叶开度设定值将变为零，调速器进入调相运行模式。

6.拖动机运行(www.xing528.com)

背靠背启动是指一台机组发电给另一台机组抽水调相提供动力。当机组作为拖动机启动时，导叶首先开启到启动开度，此后以一定速率开启至空载开限；当升速至75%额定转速时调整导叶至第二级开度；当升速至85%额定转速时投入PID并进行调节。

（三）调速系统性能参数

调速系统基本的要求是保证调节系统的稳定性和优良的调节过程质量。调速系统的性能有静态特性和动态特性。

1.静态特性

调速器的静态特性主要包括非线性度和转速死区。

（1）静态特性的非线性度

由于接力器是作直线运动的，而导水机构是做旋转运动的，接力器行程与导叶开度之间就不可能是线性关系。这种非线性关系必然会影响调节系统的静特性。所以调速系统的静特性线应近似为一条直线，其最大非线性度不大于5%。调速器的b_p值应能在零到最大值范围内任意整定，且最大值应不小于8%。

（2）转速死区i_x

在分析无差特性或有差特性时，都是假定调速器在理想状态下进行工作的。由于调速器液压系统各运动部件有阻力和干摩擦，联接部分存在间隙和死行程等，必然影响到自动调速器的输入值和输出值之间的正确关系。在此情况下，接力器推拉杆开始以一个方向运动，然后改变为反方向运动时，必须使调速器的输入值（转速）对其稳定值产生某种偏差，才能使接力器开始工作，这种现象称为调速器具有不灵敏区（转速死区）。转速死区定义为指令信号恒定时，不起调速作用的两个转速相对值间的最大区间。对大型电液调速器要求其不得超过0.02%。

2.动态特性

（1）接力器不动时间T_q

当调节的外扰作用于调速器时，接力器由于主配压阀的几何搭叠量和运动部件的惯性并不马上动作，这种滞后时间称为接力器不动时间T_q。接力器不动时间对调节过程的稳定性是有害的，对调节质量也有不良影响，还影响调节过程中导叶关闭规律。对于大型电液调速器，当转速或指令信号按给定方式变化时，其接力器不动时间不得超过0.2s。

（2）调节系统稳定性

1）调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。

2）在空载工况自动运行时，施加一阶跃型转速指令信号，观察过渡过程，以便选择调速器的运行参数。待稳定后记录转速摆动相对值，对大型电调速器其应不超过±0.15%。

（3）机组启动特性

从机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带（＋1%～—0.5%）的时间t_SR不得大于从机组启动开始至机组转速达到80%额定转速的时间t_0.8的5倍。

（4）机组甩负荷后的动态品质

1）甩100%额定负荷后，在转速变化过程中，超过额定转速3%以上的波峰，不得超过2次。

2）从机组甩负荷（甩100%额定负荷）时起，到机组转速相对偏差小于±1%为止的调节时间t_E与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间t_M的比值，对高水头反击式水轮机来说应不大于15。