基于PLC的水轮机调速系统的开发与研究

1 引言

　　 水轮机调速器是水电机组两大调节设备之一，它不仅起调速作用，而且也承担了水轮发电机组的各种工况转换和频率、功率、相角等各种控制以及保护水轮发电机组的任务。水轮机调速器先后经历了机械液压型调速器、电气液压型调速器和微机数字型液压调速器三个发展阶段。近年来，可编程控制器已被引入水轮机调速系统，其抗干扰能力强、可靠性高；编程、操作简单方便；采用模件式结构，通用性好，灵活性大，维修方便；有较强的控制功能和驱动能力等优点；已得到实际验证。

　　 本文提出了PLC水轮机双调节系统研究，分别利用可编程控制器实现导叶、桨叶双调节，提高了导叶、轮叶针对不同水头情况的协调精度。实践表明，该双控制系统提高了水能的利用率。

2 水轮机调节系统

　　2.1水轮机调节系统框图

　　水轮机调速系统的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。

　　2.2 水轮机调节原理

　　水轮发电机组是由水轮机和发电机连接而成的机组。水轮发电机组转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的方程可由以下方程来描述:
　　 
　　式中: ——机组转动部分的转动惯量(Kg·m2)
　　——旋转角速度(rad/s)
　　——水轮机力矩(N/m)，其中包括发电机所有机械和电气损失。

　　——发电机阻力矩，指发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与旋转方向相反，代[2]表发电机有功功率输出，即负荷的大小。论文检测。

　　当负荷变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可稳定在某一数值上。因为转速将偏离额定值，所以仅仅依靠自平衡调节能力来保持转速是不行的。要使机组转速在负荷变动以后仍维持在原来额定值，从图1中可以看出，这就需要相应改变导叶开度。当负荷减少时，阻力矩由变到时，把导叶开度减小到，机组转速将维持在；相反，当负荷增加时，将导叶开度至，就能维持机组转速不变。论文检测。所以随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，以使水轮发电机组的转速维持在某一预定值，或按某一预定规律变化，这一过程就是水轮发电机组的转速调节，或称水轮机调节。

图1 水轮机调节示意图

3 PLC水轮机双调节系统

　　水轮机调速器是通过控制导水叶片开度，调节进入水轮机转轮的流量，从而改变水轮机的动力矩，达到控制水轮机组频率的目的。但在轴流转桨式水轮机的运行过程中，调速器不仅要调节导叶开度，而且还要根据导叶接力器行程和水头值，调整转轮叶片角度，使导叶与轮叶之间保持最佳配合关系，即协调关系，这样可以提高水轮机效率，减少叶片汽蚀和机组振动，增强水轮机组运行的平稳性。

　　PLC控制水轮机轮叶系统的硬件主要由两部分组成，即PLC控制器和液压随动系统。首先，我们讨论一下PLC控制器的硬件结构。

　　3.1 PLC控制器

　　PLC控制器，主要由输入单元、PLC基本单元和输出单元三大部分组成，其中输入单元由A/D模块和开关量输入模块组成，输出单元由D/A模块和开关量输入模块组成。论文检测。PLC控制器配有LED数字显示，以便实时观测系统PID参数、轮叶接力器位置、导叶接力器位置和水头值。另外还配有模拟电压表，以便在微机控制器故障时仍能监视轮叶接力器的位置。

　　3.2 液压随动系统

　　液压随动系统是水轮机轮叶控制系统的重要组成部分，控制器输出信号经液压放大，控制轮叶接力器移动，从而调节转轮叶片的角度。我们采用了比例阀控制主配压阀式电液控制系统与传统的机液控制系统相结合的方式，构成了如图2所示的电液比例阀、机液阀并联式液压控制系统，作为水轮机轮叶的液压随动系统。

图 2 水轮机轮叶液压随动系统

　　当PLC控制器、电液比例阀和位置传感器均正常时，采用PLC电液比例控制方式来调节水轮机轮叶系统，通过电信号方式传递位置反馈值和控制输出值，通过PLC控制器进行信号综合、处理和决策，通过比例阀调节主配压阀阀门开度，以控制轮叶接力器的位置，保持导叶、水头和轮叶三者之间的协联关系。电液比例阀控制的水轮机轮叶系统，它的协联精度较高，系统结构简单，抗油污能力强，便于与PLC控制器接口，组成微机自动控制系统。

　　由于保留了机械协联机构，在电液比例控制方式时，机械协联机构也同步工作，跟踪系统的运行状况。如果PLC电液比例控制系统出现故障，那么切换阀立即动作，机械协联机构基本上能够跟踪电液比例控制系统的运行状态，当切换时，系统冲击较小，轮叶系统能够平稳地过度到机械协联控制方式，这样就大大保障了系统运行的可靠性。

　　我们设计液压回路时，以尽少改动己有的调节系统结构为准则，重新设计了机液调节阀阀体，阀体与阀套的配合尺寸、阀体与主配压阀的连接尺寸及机液阀与主配压阀间的连杆尺寸都与原来相同，安装时只需要更换机液阀阀体，其他部分均不需做任何改动。整个液压控制系统的结构非常紧凑，在完全保留机械协联机构的基础上，增加了电液比例控制机构，以利于与PLC控制器接口，实现数字协联控制，改善水轮机轮叶系统的协调精度;而且该系统的安装调试过程非常容易，缩短了水轮机组的停机时间，便于对水轮机液压控制系统进行改造，具有很好的实用价值。在现场实际运行时，该系统受到电站工程技术人员的高度评价，认为完全可以在众多水电站的调速器液压随动系统中推广应用。

　　3.3 系统软件结构和实现方法

　　在PLC控制水轮机轮叶系统中，采用数字协联方法实现导叶、水头与轮叶开度之间的协联关系，与传统的机械协联方式相比较，数字协联方法具有参数修整容易、调试维护方便、协联精度高的优点。轮叶控制系统的软件结构，主要由系统调节功能程序、控制算法程序和诊断程序组成，下面我们分别讨论上述三部分程序的实现方法。

　　调节功能程序主要包括一协联子程序、轮叶开机子程序、轮叶停机子程序和轮叶甩负荷子程序。当系统工作时，首先识别判断当前的运行工况，然后启动软件开关，执行相应的调节功能子程序，计算轮叶接力器的位置给定值。
　　（1）协联子程序

　　通过水轮机组模型试验，可以得到协联曲面上的一批实测点传统的机械协联凸轮就是根据这些实测点制成的，数字协联方法也利用这些实测点，并绘制成一组协联曲线。选取协联关系曲线上的己知点作为节点，采用二元函数分段线性插值的办法，可以求出协联此线上非节点的函数值。

　　（2）轮叶开机子程序

　　研究开机规律的目的是为了缩短机组启动时间，减轻推力轴承的负荷，为发电机组创造最优的并网条件。

　　(3)轮叶停机子程序

　　轮叶采用的关闭规律如下:当控制器接到停机指令后，轮叶按照协联关系与导叶同时关闭，以确保机组的稳定:当导叶开度小于空载开度时，轮叶滞后于导叶缓慢关闭，这时轮叶与导叶之间不再保持协联关系;当机组转速降至80%额定转速以下时，轮叶又重新打开至启动角度Φ0，为下次开机做好准备。

　　(4)轮叶甩负荷子程序

　　甩负荷是指带负荷的机组突然从电网脱离，使机组和引水系统处于最恶劣的运行状态，这直接关系到到电厂及机组的安全。甩负荷时，调速器相当于保护装置，使导叶、轮叶立即关闭，直至机组转速降至额定转速附近，其调节规律的性能直接影响到转速上升，水压上升，抬机量和机组稳定性。因此在实际甩负荷时，一般把轮叶开至某一角度，这一开度是通过实际电站的甩负荷试验获得，它能够保证机组在甩负荷时，不仅转速上升较小，而且机组比较稳定。

4 结论

　　本文针对当前我国水轮机调速器行业技术现状，参考国内外水轮机调速控制领域的最新资料，将可编程序控制器(PLC)技术应用于水轮发电机组的转速控制中，开发出以可编程序控制器(PLC)为核心的轴流转浆式水轮机双调节系统。实际应用表明，该方案大大提高了导叶、轮叶之间针对不同水头情况的协调精度，提高了水能的利用率。