1. はじめに
タービンガバナーは、水力発電ユニットの2つの主要な調整装置の1つです。速度調整の役割を果たすだけでなく、水力発電ユニットのさまざまな運転条件の変換、周波数、電力、位相角などの制御を行い、水車を保護する発電機セットの任務も担っています。タービンガバナーは、機械式油圧ガバナー、電気油圧ガバナー、マイクロコンピュータデジタル油圧ガバナーの3つの開発段階を経てきました。近年、プログラマブルコントローラがタービン速度制御システムに導入され、強力な耐干渉性と高い信頼性、シンプルで便利なプログラミングと操作、モジュール構造、優れた汎用性、柔軟性、便利なメンテナンス、強力な制御機能と駆動能力という利点を持ち、実際に検証されています。
本論文では、PLCを用いた水力タービン二重調整システムに関する研究を提案する。プログラマブルコントローラを用いてガイドベーンと羽根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羽根の協調精度を向上させる。実証実験の結果、この二重制御システムは水力エネルギーの利用率を向上させることが示された。
2. タービン制御システム
2.1 タービン制御システム
タービン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、発電機の回転速度がずれた際に、ガバナーを介してタービンのガイドベーンの開度を適切に調整し、タービンの回転速度を規定の範囲内に維持することで、発電機ユニットが動作し、出力電力と周波数がユーザーの要求を満たすようにすることです。タービン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
水力発電ユニットとは、水力タービンと発電機を接続して構成されるユニットである。水力発電ユニットの回転部分は、固定軸を中心に回転する剛体であり、その運動方程式は次の式で表される。
式では
――ユニットの回転部分の慣性モーメント（kg m2）
——回転角速度（ラジアン/秒）
――タービントルク（N/m）。発電機の機械的損失および電気的損失を含む。
――発電機抵抗トルクとは、発電機固定子が回転子に及ぼすトルクを指し、その方向は回転方向と逆であり、発電機の有効電力出力、すなわち負荷の大きさを表します。
負荷が変化すると、ガイドベーンの開度は変化せず、ユニットの速度は一定の値に安定します。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。負荷変化後もユニットの速度を元の定格値に維持するためには、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に変化し、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、負荷の変化に応じて水路案内機構の開度がそれに応じて変化し、水力発電機ユニットの速度が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。このプロセスが水力発電機ユニットの速度調整、またはタービン制御です。
3. PLC油圧タービン二重調整システム
タービンガバナーは、水案内羽根の開度を制御してタービンのランナーへの流量を調整し、それによってタービンの動的トルクを変化させ、タービンユニットの周波数を制御します。しかし、軸流回転羽根タービンの運転中、ガバナーは案内羽根の開度を調整するだけでなく、案内羽根フォロワー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も調整し、案内羽根とランナーブレードが連動して協調関係、すなわち協調関係を維持するようにする必要があります。これにより、タービンの効率が向上し、ブレードのキャビテーションとユニットの振動が低減され、タービンの運転安定性が向上します。
PLC制御タービン羽根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成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、および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で構成され、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、システムPIDパラメータ、ベーンフォロワ位置、ガイドベーンフォロワ位置、および水頭値をリアルタイムで監視するためのLEDデジタルディスプレイが装備されています。また、マイクロコンピュータコントローラの故障時にベーンフォロワ位置を監視するためのアナログ電圧計も備えています。
3.2 油圧式追従システム
油圧サーボシステムは、タービン羽根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、羽根フォロワーの動きを制御し、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、比例弁制御主圧力弁タイプの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て、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。
タービンブレード用油圧追従システム
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羽根システムを調整します。位置フィードバック値と制御出力値は電気信号で送信され、これらの信号はPLCコントローラによって合成、処理、決定され、比例弁を介して主圧力分配弁の開度を調整して羽根従子の位置を制御し、案内羽根、水頭、羽根間の協調関係を維持します。電気油圧比例弁で制御されるタービン羽根システムは、高いシナジー精度、シンプルなシステム構造、強い耐油汚染性を持ち、PLCコントローラとのインターフェースが容易で、マイクロコンピュータ自動制御システムを構築できます。
機械式リンク機構が保持されているため、電気油圧比例制御モードでは、機械式リンク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、切替弁が即座に作動し、機械式リンク機構は基本的に電気油圧比例制御システムの動作状態を追跡できます。切替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式リンク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向上します。
油圧回路を設計する際、油圧制御弁の弁本体を再設計し、弁本体と弁スリーブの適合サイズ、弁本体と主圧力弁の接続サイズ、および油圧弁と主圧力分配弁間のコネクティングロッドの機械的サイズは元のものと同じです。設置時に交換する必要があるのは油圧弁の弁本体のみで、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。機械的なシナジー機構を完全に維持した上で、電気油圧比例制御機構を追加し、PLCコントローラ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、タービン羽根システムの協調精度を向上させています。また、システムの設置およびデバッグプロセスが非常に容易であるため、水力タービンユニットのダウンタイムを短縮し、水力タービンの油圧制御システムの変換を容易にし、優れた実用性を有しています。現場での実際の運用において、このシステムは発電所の技術者や技術担当者から高く評価されており、多くの水力発電所のガバナー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る。
3.3 システムソフトウェアの構造と実装方法
PLC制御タービン羽根システムでは、案内羽根、水頭、羽根開度間のシナジー関係を実現するためにデジタルシナジー方式が用いられています。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で、デバッグやメンテナンスが容易で、関連付けの精度が高いという利点があります。羽根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、プログラムの上記3つの部分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、羽根の起動サブルーチン、羽根の停止サブルーチン、羽根の負荷遮断サブルーチンで構成されています。システムが動作しているときは、まず現在の動作状態を識別して判断し、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、羽根追従の位置指定値を計算します。
（１）関連サブルーチン
タービンユニットの模型試験を通して、接合面上の測定点群が得られる。従来の機械式接合カムはこれらの測定点に基づいて作成され、デジタル接合方式でもこれらの測定点を用いて接合曲線群が描画される。関連曲線上の既知の点をノードとして選択し、二値関数の区分的線形補間法を用いることで、この関連曲線上の非ノードの関数値が得られる。
（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条件を整えることである。
（３）ベーン停止サブルーチン
ベーンの閉鎖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、ユニットの安定性を確保するために、ベーンとガイドベーンは協調関係に従って同時に閉じられます。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と閉じられ、ベーンとガイドベーンの間の協調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、次の起動準備が整います。
（４）ブレード負荷除去サブルーチン
負荷遮断とは、負荷がかかっているユニットが突然電力系統から切り離されることを意味し、ユニットと取水システムが運転状態不良となり、発電所とユニットの安全性に直接関係します。負荷遮断時には、ガバナは保護装置として機能し、ユニットの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。そのため、実際の負荷遮断時には、ベーンは通常、一定の角度まで開きます。この開度は、実際の発電所の負荷遮断試験によって決定されます。これにより、ユニットが負荷遮断時に速度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が保証されます。
4. 結論
本稿では、我が国の水力タービン調速機産業の現状を踏まえ、国内外の水力タービン速度制御分野における最新情報を参照し、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）技術を水力タービン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、軸流式パドル型水力タービンの二重制御システムの中核を成す。実用化の結果、この方式は、異なる水頭条件下におけるガイドベーンと羽根の協調精度を大幅に向上させ、水力エネルギーの利用率を高めることが示された。
投稿日時：2022年2月11日
