1 引言
水輪機調速器是水電機組兩大調節設備之一，它不僅起調速作用，而且也承擔了水輪發電機組的各種工況轉換和頻率、功率、相角等各種控制以及保護水輪發電機組的任務。水輪機調速器先后經歷了機械液壓型調速器、電氣液壓型調速器和微機數字型液壓調速器三個發展階段。近年來，可編程控制器已被引入水輪機調速系統，其抗干擾能力強、可靠性高；編程、操作簡單方便；采用模件式結構，通用性好，靈活性大，維修方便；有較強的控制功能和驅動能力等優點；已得到實際驗證。
本文提出了PLC水輪機雙調節系統研究，分別利用可編程控制器實現導葉、槳葉雙調節，提高了導葉、輪葉針對不同水頭情況的協調精度。實踐表明，該雙控制系統提高了水能的利用率。
2 水輪機調節系統
2.1水輪機調節系統框圖
水輪機調速系統的基本任務就是當電力系統負荷發生變化、機組轉速出現偏差時，通過調速器相應地改變水輪機導葉開度，使水輪機轉速保持在規定的范圍之內，從而使發電機組的輸出功率和頻率滿足用戶要求。水輪機調節的基本任務可分為轉速調節、有功功率調節和水位調節。
2.2 水輪機調節原理
水輪發電機組是由水輪機和發電機連接而成的機組。水輪發電機組轉動部分是一個圍繞固定軸線作旋轉運動的剛體，它的方程可由以下方程來描述:
式中: ——機組轉動部分的轉動慣量(Kg·m2)
——旋轉角速度(rad/s)
——水輪機力矩(N/m)，其中包括發電機所有機械和電氣損失。
——發電機阻力矩，指發電機定子對轉子的作用力矩，它的方向與旋轉方向相反，代[2]表發電機有功功率輸出，即負荷的大小。論文檢測。
當負荷變化以后，導葉開度不變，機組轉速仍可穩定在某一數值上。因為轉速將偏離額定值，所以僅僅依靠自平衡調節能力來保持轉速是不行的。要使機組轉速在負荷變動以后仍維持在原來額定值，從圖1中可以看出，這就需要相應改變導葉開度。當負荷減少時，阻力矩由變到時，把導葉開度減小到，機組轉速將維持在；相反，當負荷增加時，將導葉開度至，就能維持機組轉速不變。論文檢測。所以隨著負荷的改變，相應改變導水機構的開度，以使水輪發電機組的轉速維持在某一預定值，或按某一預定規律變化，這一過程就是水輪發電機組的轉速調節，或稱水輪機調節。
圖1 水輪機調節示意圖
3 PLC水輪機雙調節系統
水輪機調速器是通過控制導水葉片開度，調節進入水輪機轉輪的流量，從而改變水輪機的動力矩，達到控制水輪機組頻率的目的。但在軸流轉槳式水輪機的運行過程中，調速器不僅要調節導葉開度，而且還要根據導葉接力器行程和水頭值，調整轉輪葉片角度，使導葉與輪葉之間保持最佳配合關系，即協調關系，這樣可以提高水輪機效率，減少葉片汽蝕和機組振動，增強水輪機組運行的平穩性。
PLC控制水輪機輪葉系統的硬件主要由兩部分組成，即PLC控制器和液壓隨動系統。首先，我們討論一下PLC控制器的硬件結構。
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模塊和開關量輸入模塊組成，輸出單元由D/A模塊和開關量輸入模塊組成。論文檢測。PLC控制器配有LED數字顯示，以便實時觀測系統PID參數、輪葉接力器位置、導葉接力器位置和水頭值。另外還配有模擬電壓表，以便在微機控制器故障時仍能監視輪葉接力器的位置。
3.2 液壓隨動系統
液壓隨動系統是水輪機輪葉控制系統的重要組成部分，控制器輸出信號經液壓放大，控制輪葉接力器移動，從而調節轉輪葉片的角度。我們采用了比例閥控制主配壓閥式電液控制系統與傳統的機液控制系統相結合的方式，構成了如圖2所示的電液比例閥、機液閥并聯式液壓控制系統，作為水輪機輪葉的液壓隨動系統。
圖 2 水輪機輪葉液壓隨動系統
當PLC控制器、電液比例閥和位置傳感器均正常時，采用PLC電液比例控制方式來調節水輪機輪葉系統，通過電信號方式傳遞位置反饋值和控制輸出值，通過PLC控制器進行信號綜合、處理和決策，通過比例閥調節主配壓閥閥門開度，以控制輪葉接力器的位置，保持導葉、水頭和輪葉三者之間的協聯關系。電液比例閥控制的水輪機輪葉系統，它的協聯精度較高，系統結構簡單，抗油污能力強，便于與PLC控制器接口，組成微機自動控制系統。
由于保留了機械協聯機構，在電液比例控制方式時，機械協聯機構也同步工作，跟蹤系統的運行狀況。如果PLC電液比例控制系統出現故障，那么切換閥立即動作，機械協聯機構基本上能夠跟蹤電液比例控制系統的運行狀態，當切換時，系統沖擊較小，輪葉系統能夠平穩地過度到機械協聯控制方式，這樣就大大保障了系統運行的可靠性。
我們設計液壓回路時，以盡少改動己有的調節系統結構為準則，重新設計了機液調節閥閥體，閥體與閥套的配合尺寸、閥體與主配壓閥的連接尺寸及機液閥與主配壓閥間的連桿尺寸都與原來相同，安裝時只需要更換機液閥閥體，其他部分均不需做任何改動。整個液壓控制系統的結構非常緊湊，在完全保留機械協聯機構的基礎上，增加了電液比例控制機構，以利于與PLC控制器接口，實現數字協聯控制，改善水輪機輪葉系統的協調精度;而且該系統的安裝調試過程非常容易，縮短了水輪機組的停機時間，便于對水輪機液壓控制系統進行改造，具有很好的實用價值。在現場實際運行時，該系統受到電站工程技術人員的高度評價，認為完全可以在眾多水電站的調速器液壓隨動系統中推廣應用。
3.3 系統軟件結構和實現方法
在PLC控制水輪機輪葉系統中，采用數字協聯方法實現導葉、水頭與輪葉開度之間的協聯關系，與傳統的機械協聯方式相比較，數字協聯方法具有參數修整容易、調試維護方便、協聯精度高的優點。輪葉控制系統的軟件結構，主要由系統調節功能程序、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現方法。
調節功能程序主要包括一協聯子程序、輪葉開機子程序、輪葉停機子程序和輪葉甩負荷子程序。當系統工作時，首先識別判斷當前的運行工況，然后啟動軟件開關，執行相應的調節功能子程序，計算輪葉接力器的位置給定值。
（1）協聯子程序
通過水輪機組模型試驗，可以得到協聯曲面上的一批實測點傳統的機械協聯凸輪就是根據這些實測點制成的，數字協聯方法也利用這些實測點，并繪制成一組協聯曲線。選取協聯關系曲線上的己知點作為節點，采用二元函數分段線性插值的辦法，可以求出協聯此線上非節點的函數值。
（2）輪葉開機子程序
研究開機規律的目的是為了縮短機組啟動時間，減輕推力軸承的負荷，為發電機組創造最優的并網條件。
(3)輪葉停機子程序
輪葉采用的關閉規律如下:當控制器接到停機指令后，輪葉按照協聯關系與導葉同時關閉，以確保機組的穩定:當導葉開度小于空載開度時，輪葉滯后于導葉緩慢關閉，這時輪葉與導葉之間不再保持協聯關系;當機組轉速降至80%額定轉速以下時，輪葉又重新打開至啟動角度Φ0，為下次開機做好準備。
(4)輪葉甩負荷子程序
甩負荷是指帶負荷的機組突然從電網脫離，使機組和引水系統處于最惡劣的運行狀態，這直接關系到到電廠及機組的安全。甩負荷時，調速器相當于保護裝置，使導葉、輪葉立即關閉，直至機組轉速降至額定轉速附近，其調節規律的性能直接影響到轉速上升，水壓上升，抬機量和機組穩定性。因此在實際甩負荷時，一般把輪葉開至某一角度，這一開度是通過實際電站的甩負荷試驗獲得，它能夠保證機組在甩負荷時，不僅轉速上升較小，而且機組比較穩定。
4 結論
本文針對當前我國水輪機調速器行業技術現狀，參考國內外水輪機調速控制領域的最新資料，將可編程序控制器(PLC)技術應用于水輪發電機組的轉速控制中，開發出以可編程序控制器(PLC)為核心的軸流轉漿式水輪機雙調節系統。實際應用表明，該方案大大提高了導葉、輪葉之間針對不同水頭情況的協調精度，提高了水能的利用率。
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本文標題：基于PLC的水輪機調速系統的開發與研究
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