PLC在小水電低壓機(jī)組準(zhǔn)同期并網(wǎng)的應(yīng)用

徐國(guó)君

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 概 述

作為綠色可再生能源的小水電在我國(guó)農(nóng)村電氣化建設(shè)和小水電代燃料建設(shè)中發(fā)揮了獨(dú)特的作用，農(nóng)村電氣化也是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的基礎(chǔ)，占我國(guó)水電總裝機(jī)容量和發(fā)電量約1/5的小水電，對(duì)我國(guó)能源建設(shè)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整起著重要的作用。

受小水電盈利能力制約及資金投入少的影響，部分小水電站設(shè)備陳舊，自動(dòng)化程度低，運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率都較低。另一方面，由于小水電站多位于偏僻的山區(qū)，交通不便，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，招工難問(wèn)題日益突出，運(yùn)行值班人員素質(zhì)參差不齊；加之早期建成的相當(dāng)多的小水電站技術(shù)資料缺失，往往造成機(jī)組檢修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，停機(jī)事故多的情況，嚴(yán)重影響小水電站的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而影響其自我造血功能。

在我國(guó)裝機(jī)容量5萬(wàn)kW及以下的小水電站中，400 V出線的低壓機(jī)組占了極大部分，且往往只有一兩臺(tái)機(jī)組。受資金投入所限，加上準(zhǔn)同期裝置價(jià)格較高，很大部分低壓機(jī)組采用機(jī)械式的同步表手動(dòng)并網(wǎng)；有的采用3只燈泡的亮暗實(shí)現(xiàn)手動(dòng)并網(wǎng)，避免發(fā)電機(jī)的非同期并網(wǎng)都依賴于運(yùn)行操作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度。為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少設(shè)備投入，提高電站生產(chǎn)效率，提出了基于PLC完成小水電低壓機(jī)組準(zhǔn)同期并網(wǎng)和自動(dòng)化程序控制于一體的控制系統(tǒng)。

2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)及自動(dòng)化程序控制設(shè)備構(gòu)成

控制系統(tǒng)由PLC、發(fā)電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置及1臺(tái)完成降壓、整形、濾波的模擬電路裝置構(gòu)成。PLC選用FX5—64MT，若機(jī)組的開(kāi)關(guān)量和模擬量多，則相應(yīng)增加開(kāi)關(guān)量輸入模塊和模擬量模塊(見(jiàn)圖1)。

圖1 準(zhǔn)同期并網(wǎng)及自動(dòng)化程序控制框圖

發(fā)電機(jī)電壓、電網(wǎng)電壓經(jīng)降壓、濾波、整形后輸出方波至PLC，由PLC的高速計(jì)數(shù)器完成發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)的頻率和兩者相角差的采樣。電網(wǎng)的電壓值由FX5—64MT自帶的模擬量采集，發(fā)電機(jī)的電壓值通過(guò)RS485 通訊接口從微機(jī)保護(hù)裝置讀取。同時(shí)，讀取發(fā)電機(jī)電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等。這樣發(fā)電機(jī)并網(wǎng)所需的條件中，電壓差小于設(shè)定值、頻率差小于設(shè)定值、相位差小于設(shè)定值所需的數(shù)據(jù)都已取得，機(jī)組的自動(dòng)化控制由順序程序控制完成；若電站配置上位計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)通信，則經(jīng)PLC的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并可通過(guò)手機(jī)APP或遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)監(jiān)控電站。

3 準(zhǔn)同期并網(wǎng)

通過(guò)PLC采集電網(wǎng)電壓值和讀取微機(jī)保護(hù)的發(fā)電機(jī)電壓值，經(jīng)數(shù)據(jù)比較作用于勵(lì)磁系統(tǒng)，使兩者的電壓差小于設(shè)定值。

相位差的采集由PLC的中斷功能和高速計(jì)數(shù)器配合完成(見(jiàn)圖2)，電網(wǎng)電壓、發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)降壓、整形、濾波和運(yùn)放電路后輸出如圖2中所示的電網(wǎng)頻率和發(fā)電機(jī)頻率方波。

由于FX5—64MT可以達(dá)到200 kHz的高速計(jì)數(shù)，所以使用200 kHz的晶振將兩者與200 kHz晶振方波經(jīng)“與門”芯片輸出圖中的相位差方波，把電網(wǎng)頻率方波輸入到PLC的中斷輸入，相位差方波輸入到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入。當(dāng)電網(wǎng)頻率在50.00 Hz，且發(fā)電機(jī)相位與電網(wǎng)完全重合時(shí)，即相位差等于零時(shí)，高速計(jì)數(shù)器可以采到200 000×0.010=2 000個(gè)脈沖，采樣精度為180°/2 000=0.09°。當(dāng)發(fā)電機(jī)相位與電網(wǎng)相反時(shí)，即相位差為180°時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的采樣值為零，即相位差的高速計(jì)數(shù)器采樣范圍為0～2 000。經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部運(yùn)算180.00-0.09×N，得到實(shí)際的相位差，以方便顯示和理解。

圖2 發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)相位差采樣方波圖

理論上，PLC采樣的相位差值誤差是±0.09°，但在實(shí)際應(yīng)用中，受器件和濾波電路影響，采樣誤差值往往在-0.45°和-0.27°之間；但這點(diǎn)誤差不影響低壓機(jī)組的準(zhǔn)同期并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率采集原理同相位差，只是為了提高發(fā)電機(jī)頻率的采樣精度，輸出方波后又經(jīng)過(guò)分頻電路和PLC內(nèi)部的多次平均值計(jì)算，且頻率采集基本不受器件、濾波電路和運(yùn)放電路的影響，可以做到±0.01 Hz的采樣精度。

PLC根據(jù)采集的電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的頻率值，作用于調(diào)速系統(tǒng)，使兩者的頻率差小于設(shè)定值；在電壓差、頻率差小于設(shè)定值滿足條件后，再根據(jù)當(dāng)前采樣頻率和相位差變化計(jì)算出斷路器合閘的導(dǎo)前時(shí)間，提前發(fā)出合閘命令，使兩者的相位差接近于零時(shí)完成并網(wǎng)操作。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于PLC完成小水電低壓機(jī)組準(zhǔn)同期并網(wǎng)和自動(dòng)化程序控制于一體的控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次實(shí)驗(yàn)?zāi)M后目前已成功應(yīng)用于幾十座小水電站的100多臺(tái)低壓機(jī)組；有的已投運(yùn)數(shù)年，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的效果。該系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，功能強(qiáng)，對(duì)小水電站減少設(shè)備投入，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和運(yùn)行可靠性起到了積極的作用。