1 はじめに
水車調速機は、水力発電ユニットの2大調整装置の一つです。速度調整だけでなく、水力発電ユニットの各種作動条件の変換や周波数、電力、位相角などの制御、水車の保護など、発電機セットの任務を担っています。水車調速機は、機械式油圧調速機、電動油圧調速機、マイコンデジタル油圧調速機の3段階の発展を経てきました。近年、プログラマブルコントローラが水車速度制御システムに導入され、耐干渉性が強く信頼性が高い、プログラミングと操作が簡単で便利、モジュール構造で汎用性、柔軟性が高く、メンテナンスが簡単、強力な制御機能と駆動能力などの利点があり、実用的に検証されています。
本稿では、PLC水車二重調整システムの研究を提案し、プログラマブルコントローラを用いてガイドベーンとパドルの二重調整を実現することで、異なる水頭におけるガイドベーンとパドルの調整精度を向上させる。実践では、この二重制御システムによって水エネルギーの利用率が向上することが示された。
2. タービン制御システム
2.1 タービン制御システム
水車速度制御システムの基本的な役割は、電力系統の負荷が変化し、ユニットの回転速度が変動した場合に、調速機を介して水車ガイドベーンの開度を適宜変更し、水車回転速度を規定範囲内に維持することで、発電機を稼働させることです。出力電力と周波数はユーザーの要求を満たします。水車制御の基本的な役割は、速度制御、有効電力制御、水位制御に分けられます。
2.2 タービン制御の原理
水力発電機ユニットは、水車と発電機を接続して構成されるユニットです。水力発電機セットの回転部分は、固定軸を中心に回転する剛体であり、その方程式は次の式で表されます。
式の中で
——ユニットの回転部分の慣性モーメント（Kg m2）
——回転角速度（rad/s）
——発電機の機械的損失と電気的損失を含むタービントルク（N/m）。
——発電機抵抗トルクは、発電機固定子が回転子に作用するトルクを指し、その方向は回転方向と反対であり、発電機の有効電力出力、つまり負荷の大きさを表します。
負荷が変化しても、ガイドベーンの開度は変化せず、ユニットの速度は依然として一定の値に安定しています。速度は定格値からずれるため、速度を維持するために自己平衡調整能力に頼るだけでは不十分です。負荷が変化した後もユニットの速度を元の定格値に保つには、図1からわかるように、ガイドベーンの開度をそれに応じて変更する必要があります。負荷が減少すると、抵抗トルクが1から2に変化すると、ガイドベーンの開度は1に減少し、ユニットの速度は維持されます。したがって、負荷の変化に伴い、導水機構の開度もそれに応じて変化し、水力発電機ユニットの速度は所定の値に維持されるか、または所定の法則に従って変化します。このプロセスは、水力発電機ユニットの速度調整です。 、またはタービン調整。
3. PLC水車二重調整システム
水車調速機は、水車ランナーへの流入量を調整するために水車ガイドベーンの開度を制御し、それによって水車の動トルクを変化させ、水車ユニットの周波数を制御する。しかし、軸流回転パドル水車の運転中、調速機はガイドベーンの開度を調整するだけでなく、ガイドベーンフォロワのストロークと水頭値に応じてランナーブレードの角度を調整し、ガイドベーンとベーンが互いに協力関係、つまり協調関係を維持する必要があります。これにより、水車効率が向上し、ブレードのキャビテーションとユニットの振動が減少し、水車運転の安定性が向上します。
PLC制御タービンベーンシステムのハードウェアは、主にPLCコントローラと油圧サーボシステムの2つの部分で構成されています。まず、PLCコントローラのハードウェア構造について説明します。
3.1 PLCコントローラ
PLCコントローラは、主に入力ユニット、PLC基本ユニット、出力ユニットで構成されています。入力ユニットはA/Dモジュールとデジタル入力モジュール、出力ユニットはD/Aモジュールとデジタル入力モジュールで構成されています。PLCコントローラにはLEDデジタルディスプレイが搭載されており、システムPIDパラメータ、ベーンフォロア位置、ガイドベーンフォロア位置、水頭値をリアルタイムで確認できます。また、マイコンコントローラの故障時にベーンフォロア位置を監視するためのアナログ電圧計も搭載されています。
3.2 油圧追従システム
油圧サーボシステムは、タービン翼制御システムの重要な部分です。コントローラの出力信号は油圧増幅され、翼従動子の動きを制御し、それによってランナーブレードの角度を調整します。図2に示すように、比例弁制御主圧弁型電気油圧制御システムと従来の機械油圧制御システムを組み合わせることで、電気油圧比例弁と機械油圧弁の並列油圧制御システムを構築しました。タービンブレードの油圧追従システム。
タービンブレードの油圧追従システム
PLCコントローラ、電気油圧比例弁、位置センサーがすべて正常な場合、PLC電気油圧比例制御方式を使用してタービン翼システムを調整し、位置フィードバック値と制御出力値を電気信号で伝送し、信号をPLCコントローラで合成します。 、処理と意思決定を行い、比例弁を介して主圧力分配弁の弁開度を調整して翼フォロワーの位置を制御し、ガイドベーン、水頭、および翼間の協力関係を維持します。 電気油圧比例弁で制御されるタービン翼システムは、高い相乗精度、シンプルなシステム構造、強力な油汚染耐性を備えており、PLCコントローラとインターフェイスしてマイコン自動制御システムを形成するのに便利です。
機械リンケージ機構の保持により、電気油圧比例制御モードでは、機械リンケージ機構も同期して動作し、システムの動作状態を追跡します。PLC電気油圧比例制御システムに障害が発生した場合、切替弁は直ちに作動し、機械リンケージ機構は基本的に電気油圧比例制御システムの運転状態を追跡できます。切り替え時のシステムへの影響は小さく、ベーンシステムはスムーズに機械連動制御モードに移行できるため、システム動作の信頼性が大幅に保証されます。
油圧回路を設計する際に、油圧制御弁の弁体、弁体と弁スリーブのマッチングサイズ、弁体と主圧力弁の接続サイズ、および機械油圧弁と主圧力分配弁間のコネクティングロッドのサイズを再設計しました。設置時に油圧弁の弁体のみを交換し、他の部品を変更する必要はありません。油圧制御システム全体の構造は非常にコンパクトです。機械的なシナジーメカニズムを完全に保持した上で、電気油圧比例制御メカニズムを追加し、PLCコントローラーとのインターフェースを容易にして、デジタルシナジー制御を実現し、タービンベーンシステムの調整精度を向上させました。; また、システムのインストールとデバッグのプロセスが非常に簡単で、水車ユニットのダウンタイムを短縮し、水車油圧制御システムの改造を容易にし、実用価値が高くなります。実際の現場での運用において、このシステムは発電所のエンジニアリングおよび技術者から高い評価を受けており、多くの水力発電所の調速機の油圧サーボシステムに普及・応用できると考えられています。
3.3 システムソフトウェアの構造と実装方法
PLC制御タービンベーンシステムでは、デジタルシナジー方式を用いて、ガイドベーン、水頭、ベーン開度間のシナジー関係を実現しています。従来の機械式シナジー方式と比較して、デジタルシナジー方式はパラメータ調整が容易、デバッグとメンテナンスが便利、連携精度が高いなどの利点があります。ベーン制御システムのソフトウェア構造は、主にシステム調整機能プログラム、制御アルゴリズムプログラム、診断プログラムで構成されています。以下では、上記の3つのプログラムの実現方法についてそれぞれ説明します。調整機能プログラムは、主にシナジーのサブルーチン、ベーン起動サブルーチン、ベーン停止サブルーチン、ベーンの負荷遮断サブルーチンで構成されています。システムが作動すると、まず現在の動作状態を識別・判断し、次にソフトウェアスイッチを起動し、対応する調整機能サブルーチンを実行して、ベーンフォロワの位置指定値を計算します。
（1）関連付けサブルーチン
タービンユニットの模型試験を通じて、接合面上の一連の測定点が得られます。従来の機械式ジョイントカムはこれらの測定点に基づいて作成され、デジタルジョイント法でもこれらの測定点を用いて一連の接合曲線を描画します。接合曲線上の既知の点をノードとして選択し、2値関数の区分線形補間法を適用することで、この接合線上のノード以外の関数値を得ることができます。
（２）ベーン起動サブルーチン
起動法則を研究する目的は、ユニットの起動時間を短縮し、スラストベアリングの負荷を軽減し、発電機ユニットの系統連系状態を作り出すことです。
（３）ベーン停止サブルーチン
ベーンの閉じルールは次のとおりです。コントローラがシャットダウンコマンドを受信すると、ベーンとガイドベーンは協力関係に従って同時に閉じられ、ユニットの安定性を確保します。ガイドベーンの開度が無負荷開度より小さい場合、ベーンは遅れてガイドベーンがゆっくり閉じられると、ベーンとガイドベーンの協力関係は維持されなくなります。ユニット速度が定格速度の 80% を下回ると、ベーンは開始角度 Φ0 まで再び開き、次の起動の準備が整います。
(4) ブレード負荷遮断サブルーチン
負荷遮断とは、負荷がかかっているユニットが電力系統から突然切断され、ユニットと分水システムが不良な運転状態に陥ることを意味し、これは発電所とユニットの安全に直接関係しています。負荷遮断時、調速機は保護装置に相当し、ユニット速度が定格速度付近まで低下するまで、ガイドベーンとベーンを直ちに閉じます。安定性。そのため、実際の負荷遮断では、ベーンは一般的に一定の角度まで開かれます。この開度は、実際の発電所の負荷遮断試験を通じて得られます。これにより、ユニットが負荷を遮断しているときに、速度の上昇が小さいだけでなく、ユニットが比較的安定していることを保証できます。 。
4 結論
本稿では、我が国の水車調速機産業の現状を踏まえ、国内外の水車速度制御分野における新情報を参照し、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）技術を水車発電機セットの速度制御に適用する。プログラムコントローラ（PLC）は、軸流パドル式水車デュアルレギュレーションシステムの中核を成す。実用化により、この方式は、異なる水頭条件におけるガイドベーンとベーン間の調整精度を大幅に向上させ、水力エネルギーの利用率を向上させることが示された。
投稿日時: 2022年2月11日
