1、概述
      中國的第一臺微機調速器是1984年11月在湖南歐陽海電站試運行成功的。從那時開始，我國水電站全自動調速器技術基本是與國外保持同步發展。歐陽海水電站于1975年正式發電運行，當時裝機3.6kW，也就是標準的農村水電站。我國很多水電站的高新技術產品都是在農村水電站實驗成功的，都適用于農村水電站。
在研制微機調速器的同時，武漢華中工學院、湖南水科院等單位就已經開始了高油壓調速器的研究。進而，武漢華中理工大學、武漢市儀表總公司、長江水利委員會等大專院校、國有企業和科研單位集體的投入到高油壓微機調速器的研究中,1984年高油壓全自動調速器在湖南桃花江水電站投入試運行，然后快速的形成了高油壓微機調速器的研制和產品化工作。高油壓微機調速器的研究成功是老一代調速器人群體的功勞，在當時的技術水平和技術條件下，任何一個公司都不可能獨立的完成高油壓微機調速器的研制。武漢地區大專院校、設計研究院所、工廠企業在微機高油壓調速器的技術研究領先于其它地區，如大家熟知的劉玉其教授、葉魯卿教授、魏守平教授、饒培棠教高、周泰經研究員、吳應文研究員等都作出了開創性貢獻。
       我國最早的水輪機調速器都是機械液壓調速器。 20世紀50年代以后，電氣液壓調速器獲得了較為廣泛的應用，經歷了電子管、磁放大器、集成電路等幾個發展階段。與微機調節器的發展同步，水輪機調速器的電液轉換裝置也由原來的單一的專用電液轉換器和電液伺服閥，發展成為由通用電磁閥、比例閥或步進電機/伺服電機構成的電液轉換裝置。
        高油壓微機調速器的核心是設計選用了液壓行業的標準高壓液壓產品，工作油壓設定為10 Mpa ～16Mpa，而傳統的常規油壓中、小型水輪機調速器的工作油壓一般都被設定為2.5 Mpa～4.0Mpa，大型水輪機調速器的工作油壓一般都被設定為6.3Mpa。
       高油壓微機調速器由兩部分組成，機械部分和電氣部分。機械部分也就是液控站部分。我們常說的液壓隨動系統俗稱液壓放大系統。又稱為液壓伺服系統。就是液控站的閥組部分。
       高油壓調速器的壓力油源部分采用了高壓齒輪泵、濾油器、囊式蓄能器；液壓控制部分則采用了標準的滑閥、球閥、錐閥、液壓缸（接力器）及其他各類液壓件；結構上采用了液壓集成（油路）塊和標準的液壓附件；電氣部分則采用自制測頻電路、通用可編程序控制器（PLC）、自制信號隔離和調整電路、交直流開關電源和中間繼電器組成的出口電路等。與傳統的常規油壓調速器相比，高油壓調速器應用現代電液控制技術，減少了液壓放大環節，結構十分簡單；儲能部分采用了囊式蓄能器，膠囊的可靠密封，保證蓄能器一年、甚至幾年都無需補氣，電站不需要設中壓氣系統。如果配置減壓剎車模塊，則還可以取消低壓氣系統，這樣就可以取消電站氣系統和相配套的建筑物，可節省一筆可觀的氣系統設備投資和運行、維護費用。因為采用的液壓元器件是大批量工業化生產的通用元件，不僅標準化程度高，質量也可靠，采購更方便。較高的工作油壓使調速器的體積可以設計的很小，重量也就能夠減輕很多，使電站布置更加方便、美觀。我國的中、小型調速器基本都是采用一級液壓放大的電液隨動系統，可由電液比例閥或電磁換向閥直接控制接力器。
2、高油壓微機調速器的基本結構
2.1、電氣部分
       高油壓微機調速器的的電氣部分主要由交直流開關電源、PLC、測頻板、信號隔離和調整板、出口繼電器和人機界面組成。
2.1.1、交直流開關電源
         但凡數字電路，都少不了交直流開關電源。他的主要作用就是將220V的交直流操作電源變換成24V、12V、5V直流電源供數字電路和出口繼電器使用，其次該環節還可以起到隔離作用。這已成為習慣，也成為標配。在低壓機組水電站就可以考慮取消調速器直流開關電源，因為低壓機組水電站很少配直流系統的。
2.1.2、PLC
       微機調速器的硬件由單板機發展到單片機、可編程序控制器，現在幾乎都以PLC作為控制核心。 PLC在微機調速器的主要功能是數據處理和指令發出，調速器的應用軟件都裝在PLC內，運算和分析都是通過PLC的CPU模塊來完成，執行指令都是通過PLC的開出模塊發出。由于微機調速器的應用軟件基本都是出自華科大教授之手，所以全國的微機調速器采用的PLC基本都是日系產品，大部分是日本三菱的FX2N系列，也有部分廠家采用西門子產品，基本都是組合式結構。
        水電站自動化設備采用PLC并不是最好的選擇，是沒有辦法解決硬件電路抗干擾問題的無奈選擇。微機調速器采用PLC作為核心元件也是同樣的成因，而不是必須要采用PLC或PLC就是比單片機的好。隨著超大規模單片機的問世，單片機取代PLC作為微機調速器的控制核心將是必然趨勢
      測頻板
     目前我國水電站自動化設備的開發都是各自為陣，數據采集都盡量自己完成，微機調速器也不例外，自己需要的數據自己采集，設計了一套外圍電路將所需信號通過自制的測頻板采集、整形后傳給PLC處理。自制的測頻板都是用單片機、阻、容元件構成，根據木桶理論，影響微機調速器可靠性的主要因素之一是自制的測頻板，所以宣傳PLC調速器比單片機調速器可靠的提法并不科學。
2.1.4、信號隔離和調整板
         微機調速器主要信號隔離部分在調整板，采用1：1的隔離電路，保證PLC接收的信號不受外界的干擾。該環節還完成對數值的歸算。
2.1.5、中間繼電器
        數字電路受布置結構的影響，電路板上都不可以安裝接點容量較大的中間繼電器，一般采用小型固態中間繼電器，PLC也不例外。PLC的開出信號需通過外部中間繼電器放大后去執行操作任務，所以微機調速器電氣部分都安裝有多個插拔式中間繼電器，完成對輸入、輸出信號的隔離或轉換。
2.1.6、人機界面
        常規調速器的人機界面十分簡單，二個調整把手和一個開度表。一個調整把手是開度限制，另一個調整把手是開度調節，開度表則反映的是導葉的實際開度和開度限制設定指示。如此簡單的人機界面，對運行人員的要求就不是很高。
        微機調速器的應用本應人機界面更加簡單，其實不然。微機調速器的人機界面從數碼管發展到顯示屏，再到觸摸屏，還有大量的操作按（旋）扭和指示燈，其復雜程度可想而知，沒有受過專門培訓很難掌握。其實，采用微機調速器以后，人工調整會更少，人機界面應該更加簡單。否則就是倒退。
2.2、機械部分
       微機高油壓調速器的的機械部分十分簡單，主要由油箱、電機/油泵組、儲能罐、電液轉換和控制模塊組成。
2.2.1、油箱
       調速器的油箱是設備的主要部分，可分為接力器內置式油箱和接力器外置式油箱。調速器油箱的主要功能是儲存調速器用油、散發熱量、沉淀污物、分離水分及支撐調速器機械部分和電氣部分，油箱加上電機/油泵組、儲能罐、電液轉換和控制模塊，液壓行業稱之為油站，負責提供油源。
        常規中、小型調速器多為內置式油箱結構，大型調速器則為外置式油箱結構。內置式油箱結構與外置式油箱結構的區別僅在于內置式油箱結構是將接力器布置于油箱內，接力器的作用力和反作用力是通過油箱傳導到主廠房地板，而外置式油箱結構是油箱與接力器分開布置，接力器的作用力和反作用力是直接傳導到主廠房地板。前者結構復雜，浪費材料，維護困難，不利于調速器的布置，同等操作功的調速器設備價格要高出一萬多元。
         油箱的容積的大小，液壓行業一般是按油泵流量的5--7倍計算，中、小型高油壓調速器的油泵一般在8升/分鐘左右，且農村水電站基本都與電網相連，并網后每天的調節次數很少，閥組的泄漏也很小，按此計算40升左右就可以滿足要求。調速器行業則比較保守，多按5倍接力器來回動作3次的用油量選擇儲能器的儲油量，再乘以20倍來確定調速器的用油量，再將用油量乘3就是油箱需要的容積。由于高油壓調速器接力器容積都很小，所以調速器的油箱容積都有很大的富裕。
2.2.2、電機/油泵組
        調速器的油壓力都是靠電機驅動油泵打壓來實現的，目前都采用高壓齒輪泵。過去常油壓調速器各部件泄漏嚴重，需配置單臺大功率的油泵或配置多臺油泵來抵消泄漏造成的壓力下降，且停泵時間很短。現在采用標準的液壓件，各部件泄漏很小，且停泵時間很長，耗電量減少很多，也延長了設備的使用壽命，所配置的油泵功率就不需要太大，避免造成不必要的浪費，多臺油泵的配置就更沒有多少必要。
2.2.3、儲能罐
         國產中、小型微機調速器通過自主創新，采用高操作油壓（10～16MPa）的皮囊式蓄能器，使得調速器的體積大幅減小。不僅降低了設備成本，也大大減少維護成本。已基本上取代了原有2.5MPa～6.3MPa操作油壓。皮囊式蓄能器可以保證膠囊內所充氮氣與液壓油不發生直接接觸，液壓油油質不易劣化，使用壽命延長。皮囊式蓄能器的公稱容量有0.4～100L十余種規格，公稱壓力有10MPa、20MPa、31.5MPa三個規格。農村水電站多選用6～30L，20MPa的產品。皮囊式蓄能器的容量一般按5倍接力器來回動作3次的用油量確定儲能器的儲油量，然后乘3來選擇皮囊式蓄能器的容量。一般3000N·m的調速器選擇16升，6000N·m的調速器選擇25升，10000N·m的調速器選擇40升。接入國家電網的小型水電站可以適當減小。
2.2.4、電液轉換和控制部分

      a閥塊
        調速器使用的電磁閥都是安裝在標準的閥塊上俗稱閥組。閥塊有集成式和分離式之分，技術上沒有本質區別，區別在液控站安裝和維護方式不同，現在大多采用集成式閥塊。閥塊的鉆孔多少體現了廠家的液壓設計水平，封堵的孔越少，液壓設計的水平越高。調速器的技術水平多體現在閥組的設計，完成同樣的功能，用的閥越少越好。
       b壓力濾油器
       具有清潔的油質是保證調速器液壓閥可靠工作的必要條件，壓力濾油器就是保證油質清潔的關鍵設備。在調速器里就設置有二個壓力濾油器，一個粗濾、 一個精濾，以保證油品的質量。粗濾由油泵的吸油濾油器來完成，精濾壓力濾油器則裝設在供油壓力管路上，可以濾除設備加工時混入的機械雜質和液壓油本身化學變化所產生的雜質等，防止液壓元件閥芯卡死、孔隙堵塞以及過快磨損等故障。

       C液壓控制閥
        控制閥的分類：按用途分為方向控制閥，壓力控制閥和流量控制閥；按安裝連接形式分為管式連接，板式連接，疊加式連接和插裝式連接；按控制原理分為開關閥，比例閥，伺服閥和數字閥。
         調速器使用的電磁閥主要有：電磁換向閥，屬方向閥，控制接力器對導葉的開度進行調節，是調速器的主要液壓閥；是利用電磁鐵及復位彈簧推動閥芯來變換液壓油流動方向的控制閥。電磁換向閥在調速器中常用作自動調節閥、手自動切換閥、緊急停機閥等。電磁換向閥為滑閥結構，所用的電磁鐵多為濕式電磁鐵，電磁鐵激磁線圈的電壓等級有：直流：220V、110V、24V、12V；交流：220V、110V，允許電壓波動范圍為額定電壓的85%～110%。在調速器中，常用的電磁換向閥有二位四通、三位四通等結構形式，其中四通的電磁換向閥也可以當做三通使用。剎車電磁換向閥，也是電磁換向閥，作用是控制剎車油缸的動作；緊急停機兩位電磁換向閥，也是電磁換向閥，是控制主接力器在水輪發電機需要緊急停止時可迅速關閉導葉；比例換向閥，常簡稱比例閥，它可根據輸入的電氣信號，按比例控制壓力油的流量和方向，其閥體部分與普通電磁閥類似。但是比例閥用比例電磁鐵取代了電磁閥的普通電磁鐵，可將綜合放大器輸出的電信號轉換成與之成比例的位移；比例閥的閥芯有特殊形狀的閥口，因而可對油的流量進行連續控制。在調速器中，多采用直動式比例換向閥。

         手動換向閥，是依靠手動操作驅動閥芯運動，從而實現油路通斷或切換的方向控制閥。手動換向閥在液壓系統中所起的作用與電磁換向閥和電液換向閥相同。由于它操作簡便，工作可靠，又能使用在沒有電力的場合，因而在調速器中多用于無電源時的手動液壓操作。調速器通常采用彈簧復位式手柄操作換向閥，
單向閥屬方向閥，調速器用的最多的是單向閥，其功能是限制液壓油在管路中只能按一個方向流動；
液壓鎖屬方向閥，由兩個單向閥組成的一套液壓回路，其作用是在電磁換向閥仍處于中位或液壓系統失壓時，將主接力器鎖定在當時的位置上而不會因外力作用而發生移動；單向節流閥屬流量閥，任何一個流量控制閥，都有一個節流部分，稱為節流口。改變節流口的同流面積就可以改變通過節流閥的流量。單向節流閥用于調節接力器動作運行速度；
       截止閥屬流量閥，可以鎖閉蓄能器的油路，長期停機時可保持蓄能器內壓力在工作壓力范圍；
       溢流閥屬壓力閥，是液壓系統中最重要的器件，其作用是調控整個液壓系統的壓力并保持其壓力的穩定；
        減壓閥屬壓力閥，其工作原理與溢流閥相似，其可以在主液壓系統的局部調節出比主系統壓力低一些的壓力子系統。如用于剎車、軸流轉漿的調漿。

       3、調速器調速功選擇
        水輪機調速器的調速功是依據設計院或主機廠提供的數據進行選擇；如果是設備改造原則上按原運行調速器調速功選擇。在調速器調速功的選擇上設計院、調速器廠家和主機廠家的計算結果都不一樣，根據實踐經驗，按主機廠家提供的調速功選擇是比較合適的。
        按水輪機調速器系列型譜[JB/T7072—2004]中小水輪機調速器調速功分：
        3000N·m   (300kg·m)
        6000N·m   (600kg·m)
       10000N·m   (1000kg·m)
       18000N·m   (1800kg·m)
        30000N·m   (3000kg·m)
       一般混流、軸流機組，調速器調速功可按下式進行估算：
        W=2.5～3.0(N/ )其中：W：調速功（kg·m）N：水輪機功率（kW）H：設計水頭（m）
4、高油壓微機調速器的性能指標要求
4.1、總體要求：
4.1.1、符合國家規程、規范的要求。
4.1.2、適應頻繁啟停，空載快捷平穩，并網運行安全可靠，小網運行響應迅速。
4.1.3、滿足各種運行工況下穩定運行、相互跟蹤、切換無擾動、安全可靠性高。
4.1.4、調節控制功能完備、人機界面友好。
4.1.5、試驗、事件記錄、自診斷、幫助等輔助功能完備。
4.2、主要性能指標：
4.2.1、導葉接力器全關閉時間調整范圍為：　   　2～30S
4.2.2、導葉接力器全開啟時間調整范圍為：     　2～30S
4.2.3、槳葉接力器全關閉時間調整范圍為：　  　10～120S
4.2.4、槳葉接力器全開啟時間調整范圍為：    　10～120S
4.2.5、頻率調整范圍：                        45～55 Hz
4.2.6、永態轉差bp調整范圍：                  0～10%
4.2.7、比例增益Kp調整范圍：                  0.5～20
4.2.8、 積分增益KI調整范圍：                 0.05～10 1/s
4.2.9、微分增益KD調整范圍：                 0.0～10 s
4.2.10、人工失靈區調節范圍：                0～±1 .5%nr
4.2.11、測至主接力器的轉速死區不超過：        0.02  %
4.2.12、水輪機甩25%負荷后，接力器不動時間不超過： 0.2 s
4.2.13、靜特性曲線非線性度不超過：                0.5%
4.2.14、自動空載運行3分鐘，機組轉速相對擺動值不超過 ±0.15% 。
4.2.15、甩100%額定負荷后轉速波動超過3%的波動次數不超過  2次，由調速器引起的機組轉速持續波動相對值不大于：±0.15％。
4.3、系統可靠性：
4.3.1、自動工況可利用率：　　                 >99.99%
4.3.2、自動＋手動可利用率：　                100%
4.3.3、首次無故障間隔時間（自現場驗收起） 不小于35000小時
4.3.4、大修間隔時間：　　　　                  10年
4.3.5、退役前的使用期限：　　                  >20年
5、農村水電站水輪機調節技術的發展趨勢
5.1、智能型調速器
        智能型調速器是未來新型調速器的發展方向，其自適應能力較強，各組件更加標準化、模塊化，參數可以自動設定，實時自動調整。自檢、自恢復功能強大，現場不需要調試和維護。
5.2、單一功能液控站
       我國調速功在3000N·m以下的水電站的數量占全部水電站總量的80%強，不是所有的農村水電站都用得起和有必要使用全自動調速器。未來單一功能液控站和低壓機組一體化屏將是解決這一類型水電站自動化的最佳組合。其價格也是用戶可以接受的。可以大大提高500kW以下，機端電壓400V農村水電站的自動化和安全控制問題。
5.3、智能負荷控制器
         在國外，小機組采用負荷控制器已有多年，國內研究的單位很少，但我國過去使用的水阻就是負荷控制器的初級階段。現在技術上與國外有較大的差距。隨著支流水能資源的被開發和國防的需要，未來小的支流和渠道、河溝資源的利用會被重視，整裝和箱式水電站將會大量生產，體積過大、價格過高及技術復雜的全自動調速器將會被智能負荷控制器取代，微型機組也將大量采用智能負荷控制器進行負荷調節，這也包括孤立電網的負荷調節。
5.4、智能型手電動調速器
         最原始的調速器就是手動調速器。隨著電氣控制技術的發展，產生了手、電動調速器，他體積小、安裝方便，價格也能被用戶接受。雖然現在全自動自儲能調速器價格已經很低，但最小的調速功為3000N·m，其售價也要2.8萬元一臺。因此，有很大一部分小機組用不起，很多電站運行只有兩種狀態，開機、停機，配有好的控制系統就可以順利并網，也就沒有必要使用全自動調速器，新型的智能型手電動調速器應運而生。隨著材料科學的發展和自動控制技術的進步，智能型手電動調速器將會有很大的一塊市場。
6、結語
         高油壓微機調速器在一代人的辛勤努力下，完成了一次技術性的革命。產品技術已十分成熟。在很多的中、小型調速器文章、說明書和書籍里面，會經常出現隨動系統、主配壓閥、大波動閥、小波動閥和一次調頻等。大家不必較真，也不需要去研究其概念出處。大家知道液壓系統是儲能和放大，閥的作用就是控制、調節液體流量就可以了，只要接力器可以移動，調速器基本就沒有大的問題，其他問題用戶就不必擔心，因為控制軟件基本都是出自于魏教授之手，十分成熟、可靠，目前還沒有發現被人修改過，只是功能添加而已，最多將軟件重新再裝一遍。
          我們不要去計較閥的多少、電機/油泵組的多少和容量大小、油箱的大小，相信廠家都是計算過的，比我們專業。我們應該去關心閥的速度、泄漏量，儲能罐的容量，電磁閥和濾油器的拆卸是否方便，操作、設置是否簡單，油質是否干凈，這些與現場關系緊密的問題。更主要的是價格是否合理。
在我見到的調速器，最少的是5個閥，很多是7個閥和9個閥，還有更多的，實現的功能都是一樣的，技術指標也都符合國家相關標準。所以不要用閥多、閥少來衡量調速器的技術含量。

參考文獻：
陳格林  張磊 主編   液壓技術與應用    北京電子工業出版社2002
作者簡介：
尹 剛  男  1957年2月
《小型水電站技術改造規范》GB/T50700-2011編寫者，《小型水電站監控保護設備應用導則》SL692-2014主編。長期從事農村水電廠設計、管理及監控系統研究。現在從智能農村水電站技術研究。
E-mail: yg76531@163.com