淺析PLC的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
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論文導(dǎo)讀：針對當(dāng)前我國水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀，本文在使用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、輪葉雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水輪機(jī)調(diào)速器是水電機(jī)組兩大調(diào)節(jié)設(shè)備之一，它不僅起調(diào)速作用，而且也承擔(dān)了水輪發(fā)電機(jī)組的各種工況轉(zhuǎn)換和頻率、功率、相角等各種控制以及保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的任務(wù)。本文提出了PLC水輪機(jī)雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究，分別利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉雙調(diào)節(jié)，提高了導(dǎo)葉、輪葉針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度。
關(guān)鍵詞：PLC，水輪機(jī)，調(diào)速器
[摘要]針對當(dāng)前我國水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀，本文在使用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、輪葉雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案大大提高了導(dǎo)葉、輪葉之間針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度，提高了水能的利用率。
1 引言
水輪機(jī)調(diào)速器是水電機(jī)組兩大調(diào)節(jié)設(shè)備之一，它不僅起調(diào)速作用，而且也承擔(dān)了水輪發(fā)電機(jī)組的各種工況轉(zhuǎn)換和頻率、功率、相角等各種控制以及保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的任務(wù)。水輪機(jī)調(diào)速器先后經(jīng)歷了機(jī)械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器和微機(jī)數(shù)字型液壓調(diào)速器三個(gè)發(fā)展階段。近年來，可編程控制器已被引入水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高；編程、操作簡單方便；采用模件式結(jié)構(gòu)，通用性好，靈活性大，維修方便；有較強(qiáng)的控制功能和驅(qū)動(dòng)能力等優(yōu)點(diǎn)；已得到實(shí)際驗(yàn)證。
本文提出了PLC水輪機(jī)雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究，分別利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉雙調(diào)節(jié)，提高了導(dǎo)葉、輪葉針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度。實(shí)踐表明，該雙控制系統(tǒng)提高了水能的利用率。
2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
2.1水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖
水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本任務(wù)就是當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化、機(jī)組轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差時(shí)，通過調(diào)速器相應(yīng)地改變水輪機(jī)導(dǎo)葉開度，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，從而使發(fā)電機(jī)組的輸出功率和頻率滿足用戶要求。水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)可分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)和水位調(diào)節(jié)。
2.2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理
水輪發(fā)電機(jī)組是由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)連接而成的機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分是一個(gè)圍繞固定軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的剛體，它的方程可由以下方程來描述:
式中: 
——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg·m2)
——旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)
——水輪機(jī)力矩(N/m)，其中包括發(fā)電機(jī)所有機(jī)械和電氣損失。
——發(fā)電機(jī)阻力矩，指發(fā)電機(jī)定子對轉(zhuǎn)子的作用力矩，它的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，代[2]表發(fā)電機(jī)有功功率輸出，即負(fù)荷的大小。論文檢測。
當(dāng)負(fù)荷變化以后，導(dǎo)葉開度不變，機(jī)組轉(zhuǎn)速仍可穩(wěn)定在某一數(shù)值上。因?yàn)檗D(zhuǎn)速將偏離額定值，所以僅僅依靠自平衡調(diào)節(jié)能力來保持轉(zhuǎn)速是不行的。要使機(jī)組轉(zhuǎn)速在負(fù)荷變動(dòng)以后仍維持在原來額定值，從圖1中可以看出，這就需要相應(yīng)改變導(dǎo)葉開度。當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，阻力矩由
變到
時(shí)，把導(dǎo)葉開度減小到
，機(jī)組轉(zhuǎn)速將維持在
；相反，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，將導(dǎo)葉開度至
，就能維持機(jī)組轉(zhuǎn)速不變。論文檢測。所以隨著負(fù)荷的改變，相應(yīng)改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開度，以使水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在某一預(yù)定值，或按某一預(yù)定規(guī)律變化，這一過程就是水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，或稱水輪機(jī)調(diào)節(jié)。
圖1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)示意圖
3 PLC水輪機(jī)雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)
水輪機(jī)調(diào)速器是通過控制導(dǎo)水葉片開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的流量，從而改變水輪機(jī)的動(dòng)力矩，達(dá)到控制水輪機(jī)組頻率的目的。但在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的運(yùn)行過程中，調(diào)速器不僅要調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，而且還要根據(jù)導(dǎo)葉接力器行程和水頭值，調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片角度，使導(dǎo)葉與輪葉之間保持最佳配合關(guān)系，即協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣可以提高水輪機(jī)效率，減少葉片汽蝕和機(jī)組振動(dòng)，增強(qiáng)水輪機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性。
PLC控制水輪機(jī)輪葉系統(tǒng)的硬件主要由兩部分組成，即PLC控制器和液壓隨動(dòng)系統(tǒng)。首先，我們討論一下PLC控制器的硬件結(jié)構(gòu)。
3.1 PLC控制器
PLC控制器，主要由輸入單元、PLC基本單元和輸出單元三大部分組成，其中輸入單元由A/D模塊和開關(guān)量輸入模塊組成，輸出單元由D/A模塊和開關(guān)量輸入模塊組成。論文檢測。PLC控制器配有LED數(shù)字顯示，以便實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)PID參數(shù)、輪葉接力器位置、導(dǎo)葉接力器位置和水頭值。另外還配有模擬電壓表，以便在微機(jī)控制器故障時(shí)仍能監(jiān)視輪葉接力器的位置。
3.2 液壓隨動(dòng)系統(tǒng)
液壓隨動(dòng)系統(tǒng)是水輪機(jī)輪葉控制系統(tǒng)的重要組成部分，控制器輸出信號(hào)經(jīng)液壓放大，控制輪葉接力器移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片的角度。我們采用了比例閥控制主配壓閥式電液控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)液控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，構(gòu)成了如圖2所示的電液比例閥、機(jī)液閥并聯(lián)式液壓控制系統(tǒng)，作為水輪機(jī)輪葉的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)。
圖 2 水輪機(jī)輪葉液壓隨動(dòng)系統(tǒng)
當(dāng)PLC控制器、電液比例閥和位置傳感器均正常時(shí)，采用PLC電液比例控制方式來調(diào)節(jié)水輪機(jī)輪葉系統(tǒng)，通過電信號(hào)方式傳遞位置反饋值和控制輸出值，通過PLC控制器進(jìn)行信號(hào)綜合、處理和決策，通過比例閥調(diào)節(jié)主配壓閥閥門開度，以控制輪葉接力器的位置，保持導(dǎo)葉、水頭和輪葉三者之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系。電液比例閥控制的水輪機(jī)輪葉系統(tǒng)，它的協(xié)聯(lián)精度較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗油污能力強(qiáng)，便于與PLC控制器接口，組成微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
由于保留了機(jī)械協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)，在電液比例控制方式時(shí)，機(jī)械協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)也同步工作，跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如果PLC電液比例控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么切換閥立即動(dòng)作，機(jī)械協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)基本上能夠跟蹤電液比例控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)切換時(shí)，系統(tǒng)沖擊較小，輪葉系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地過度到機(jī)械協(xié)聯(lián)控制方式，這樣就大大保障了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
我們設(shè)計(jì)液壓回路時(shí)，以盡少改動(dòng)己有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)則，重新設(shè)計(jì)了機(jī)液調(diào)節(jié)閥閥體，閥體與閥套的配合尺寸、閥體與主配壓閥的連接尺寸及機(jī)液閥與主配壓閥間的連桿尺寸都與原來相同，安裝時(shí)只需要更換機(jī)液閥閥體，其他部分均不需做任何改動(dòng)。整個(gè)液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，在完全保留機(jī)械協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了電液比例控制機(jī)構(gòu)，以利于與PLC控制器接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字協(xié)聯(lián)控制，改善水輪機(jī)輪葉系統(tǒng)的協(xié)調(diào)精度;而且該系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程非常容易，縮短了水輪機(jī)組的停機(jī)時(shí)間，便于對水輪機(jī)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，具有很好的實(shí)用價(jià)值。在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)受到電站工程技術(shù)人員的高度評價(jià)，認(rèn)為完全可以在眾多水電站的調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。
3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法
在PLC控制水輪機(jī)輪葉系統(tǒng)中，采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、水頭與輪葉開度之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系，與傳統(tǒng)的機(jī)械協(xié)聯(lián)方式相比較，數(shù)字協(xié)聯(lián)方法具有參數(shù)修整容易、調(diào)試維護(hù)方便、協(xié)聯(lián)精度高的優(yōu)點(diǎn)。輪葉控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，主要由系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能程序、控制算法程序和診斷程序組成，下面我們分別討論上述三部分程序的實(shí)現(xiàn)方法。
調(diào)節(jié)功能程序主要包括一協(xié)聯(lián)子程序、輪葉開機(jī)子程序、輪葉停機(jī)子程序和輪葉甩負(fù)荷子程序。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先識(shí)別判斷當(dāng)前的運(yùn)行工況，然后啟動(dòng)軟件開關(guān)，執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能子程序，計(jì)算輪葉接力器的位置給定值。
（1）協(xié)聯(lián)子程序
通過水輪機(jī)組模型試驗(yàn)，可以得到協(xié)聯(lián)曲面上的一批實(shí)測點(diǎn)傳統(tǒng)的機(jī)械協(xié)聯(lián)凸輪就是根據(jù)這些實(shí)測點(diǎn)制成的，數(shù)字協(xié)聯(lián)方法也利用這些實(shí)測點(diǎn)，并繪制成一組協(xié)聯(lián)曲線。選取協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線上的己知點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，采用二元函數(shù)分段線性插值的辦法，可以求出協(xié)聯(lián)此線上非節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值。
�。�2）輪葉開機(jī)子程序
研究開機(jī)規(guī)律的目的是為了縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，減輕推力軸承的負(fù)荷，為發(fā)電機(jī)組創(chuàng)造最優(yōu)的并網(wǎng)條件。
(3)輪葉停機(jī)子程序
輪葉采用的關(guān)閉規(guī)律如下:當(dāng)控制器接到停機(jī)指令后，輪葉按照協(xié)聯(lián)關(guān)系與導(dǎo)葉同時(shí)關(guān)閉，以確保機(jī)組的穩(wěn)定:當(dāng)導(dǎo)葉開度小于空載開度時(shí)，輪葉滯后于導(dǎo)葉緩慢關(guān)閉，這時(shí)輪葉與導(dǎo)葉之間不再保持協(xié)聯(lián)關(guān)系;當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至80%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，輪葉又重新打開至啟動(dòng)角度Φ0，為下次開機(jī)做好準(zhǔn)備。
(4)輪葉甩負(fù)荷子程序
甩負(fù)荷是指帶負(fù)荷的機(jī)組突然從電網(wǎng)脫離，使機(jī)組和引水系統(tǒng)處于最惡劣的運(yùn)行狀態(tài)，這直接關(guān)系到到電廠及機(jī)組的安全。甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器相當(dāng)于保護(hù)裝置，使導(dǎo)葉、輪葉立即關(guān)閉，直至機(jī)組轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速附近，其調(diào)節(jié)規(guī)律的性能直接影響到轉(zhuǎn)速上升，水壓上升，抬機(jī)量和機(jī)組穩(wěn)定性。因此在實(shí)際甩負(fù)荷時(shí)，一般把輪葉開至某一角度，這一開度是通過實(shí)際電站的甩負(fù)荷試驗(yàn)獲得，它能夠保證機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)，不僅轉(zhuǎn)速上升較小，而且機(jī)組比較穩(wěn)定。
4 結(jié)論
本文針對當(dāng)前我國水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，參考國內(nèi)外水輪機(jī)調(diào)速控制領(lǐng)域的最新資料，將可編程序控制器(PLC)技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制中，開發(fā)出以可編程序控制器(PLC)為核心的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案大大提高了導(dǎo)葉、輪葉之間針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度，提高了水能的利用率。
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