1 引言
隨著中央提出大力發(fā)展清潔能源的建設(shè)并為激勵農(nóng)村和邊遠(yuǎn)山區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，國家對小水電事業(yè)給予越來越多的關(guān)注。我國的小型水電站在近20年得到了極為迅速的發(fā)展，其中以萬千瓦以下的小型水電站居多。對這些小型水電站的監(jiān)控保護(hù)和自動控制也顯得尤為重要。本文主要講述了三菱FX2N系列PLC在水電站有功調(diào)節(jié)中的應(yīng)用。
水電站的有功調(diào)節(jié)通常是通過調(diào)速器實現(xiàn)的，但當(dāng)水輪機(jī)組并入電網(wǎng)運行時，對于單臺發(fā)電機(jī)來說轉(zhuǎn)速反饋幾乎不起作用。近年來，隨著自動發(fā)電控制(AGC)的需要，有功功率在控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)品質(zhì)已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的突出問題。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)中控制的兩臺水輪發(fā)電機(jī)型號為SFW2500-10/1730、6.3kV/286A。本系統(tǒng)采用分層分布式布局，配置如圖1所示。主要由2個機(jī)組監(jiān)控屏、發(fā)電機(jī)保護(hù)屏、公用監(jiān)控屏、主編線路保護(hù)屏和電量屏構(gòu)成。通訊采用高速以太網(wǎng)與上級調(diào)度、操作員工作站進(jìn)行通訊。其中公用監(jiān)控屏由可編程控制器(由三菱FX2N-80MR和2個FX0N-16EX擴(kuò)展模塊組成)、自動準(zhǔn)同期裝置、觸摸屏、電力測控儀和逆變電源組成，在公用監(jiān)控屏中實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的有功調(diào)節(jié)。
圖1 系統(tǒng)配置圖
3 控制要求
在電力系統(tǒng)中，頻率與電壓是電能的2個主要質(zhì)量指標(biāo)，電力系統(tǒng)中的頻率變化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。系統(tǒng)的負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生變化，要保持系統(tǒng)的頻率為額定值，就必須使發(fā)送的功率不斷跟隨著負(fù)荷的變動，時刻保持整個系統(tǒng)有功功率的平衡。否則，系統(tǒng)的頻率就會大起大落，保證不了電能的質(zhì)量，甚至?xí)斐墒鹿逝c損失。
當(dāng)負(fù)荷吸取的有功功率下降時，頻率增高;當(dāng)負(fù)荷吸取的有功功率增高時，頻率降低，即負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。由于負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的存在，當(dāng)電力系統(tǒng)中因功率平衡破壞而引起頻率變化時，負(fù)荷功率隨之的變化引起補(bǔ)償作用。如系統(tǒng)中因有功功率缺額而引起頻率下降時，相應(yīng)的負(fù)荷功率也隨之減小，能補(bǔ)償一些有功功率缺額，有可能使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個較低的頻率上運行。如果沒有負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)有功功率缺額系統(tǒng)頻率下降時，功率缺額無法得到補(bǔ)償，就不會達(dá)到新的有功功率平衡，頻率會一直下降，直到系統(tǒng)瓦解為止。
頻率和有功功率自動調(diào)節(jié)的方法主要有:
(1) 利用機(jī)組調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行調(diào)頻;
(2) 根據(jù)頻率瞬時偏差，按比例分配負(fù)荷，構(gòu)成虛有差調(diào)節(jié)頻率和負(fù)荷的方法;
(3) 按頻率積分偏差調(diào)節(jié)頻率，滿足“等微增率”原則分配負(fù)荷;
(4) 按給定負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)有功功率(本文所介紹的是按給定負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)有功功率)。
電站的調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該使總功率等于負(fù)荷曲線給定的功率。而機(jī)組之間則按“等微增率”原則經(jīng)濟(jì)分配負(fù)荷。如果系統(tǒng)頻率偏差不超過調(diào)頻電站所能補(bǔ)償?shù)姆秶瑒t調(diào)功電站的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對頻率偏差不應(yīng)作出任何響應(yīng)。如果系統(tǒng)運行工況發(fā)生了變化，出現(xiàn)了較大的頻率偏差則調(diào)頻電站無力完全補(bǔ)償偏差值，那么調(diào)功電站的自動調(diào)節(jié)裝置應(yīng)該作用于各臺機(jī)組的調(diào)速器，使之改變各臺機(jī)組的有功出力來幫助恢復(fù)系統(tǒng)頻率。
圖2 功率與頻率關(guān)系曲線
圖2示出功率與頻率的關(guān)系曲線。在死區(qū)
±Δfmax范圍內(nèi)，頻率偏差信號Δf不起作用，此時電站的實際功率
與給定的總功率PG之間的偏差ΔP產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。
PG為電站負(fù)荷曲線給定裝置取得的，使由各臺機(jī)組有功功率測量元件測到的有功信號相加后得到的。 
時，兩臺機(jī)組的調(diào)節(jié)作用只受有功偏差ΔP的影響，而與頻率偏差Δf無關(guān)，此時調(diào)節(jié)特性方程為:
[NextPage]
4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
圖3示出系統(tǒng)硬件框圖。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求配置硬件如下:
圖3 系統(tǒng)硬件簡圖
?控制器:三菱FX2N-80MR和兩個FX0N-16EX擴(kuò)展模塊組成;
?人機(jī)界面:觸摸屏;
?其它設(shè)備:2個DC24V繼電器、功率表以及其它的輔助器件。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)確保整個系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定和電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。控制流程圖如圖4所示。
[NextPage]
圖4 系統(tǒng)流程圖
部分梯形圖如圖5所示:當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行有功調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)的軟件或是手動發(fā)出信號開始調(diào)節(jié)，此時采集1個實時有功數(shù)據(jù)此數(shù)據(jù)與設(shè)定值(即目標(biāo)功率值)進(jìn)行比較并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理算出需要調(diào)節(jié)的時間，然后發(fā)出信號使調(diào)節(jié)繼電器動所開始調(diào)節(jié)。如未達(dá)到則有可能是系統(tǒng)內(nèi)部有故障。為了避免使程序進(jìn)入死循環(huán)，則調(diào)節(jié)四次仍未能達(dá)到要求就自動中止程序)。如圖4所示，當(dāng)M10接到觸發(fā)信號后瞬時接通使D300采到的瞬時有功功率數(shù)據(jù)與D301(設(shè)定值)進(jìn)行比較。當(dāng)D300 >D301時輸出信號M300使PLC的Y001輸出并使調(diào)節(jié)繼電器動作進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖5 部分程序梯形圖
6 結(jié)束語
本文所設(shè)計的系統(tǒng)操作簡單、自動化程度高、應(yīng)用廣泛。減小了小型水電站工人的勞動強(qiáng)度，增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過一段時間的認(rèn)真測試證明該系統(tǒng)已經(jīng)完全符合小型水電廠的有功調(diào)節(jié)的要求。