小型水電站水輪機(jī)控制探討

摘? 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)也在不斷地完善，其中電力工業(yè)行業(yè)在基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮出了重要的作用，而且在電力工業(yè)企業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，逐步進(jìn)入了深化改革階段，許多小水電站也在基礎(chǔ)建設(shè)中得到了完善，為了保證小型水電站功能的可靠性和穩(wěn)定性，必須對(duì)水電站中重要的水輪機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，使其性能和作用得到全面的發(fā)揮，促進(jìn)水輪機(jī)控制系統(tǒng)的輸出符合電力系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前我國(guó)小型水電站正在向智能化的方向發(fā)展，在職能化的推動(dòng)下水輪機(jī)的調(diào)節(jié)與控制水平也在不斷地提升，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題。所以為了能夠保證水輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，使其自我調(diào)節(jié)和控制能力得到提升。本文圍繞小型水電站水輪機(jī)控制策略進(jìn)行探析，促進(jìn)水力發(fā)電的持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能控制;水輪機(jī);網(wǎng)絡(luò)控制

中圖分類號(hào)：TP273;TV734? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）20-0139-03

Abstract：With the rapid development of Chinas economy，social infrastructure is also constantly improving，in which the power industry plays an important role in infrastructure construction，and in the process of continuous development of power industry enterprises，gradually entered the stage of deepening reform，many small hydropower stations have also been in the infrastructure construction. In order to ensure the reliability and stability of the functions of small hydropower stations，it is necessary to conduct in-depth research on the important turbine control systems in hydropower stations，so that their performance and functions can be fully played，and to promote the output of the turbine control system to meet the relevant standards of the power system. At present，small hydropower stations in our country are developing towards intellectualization，and the regulation and control level of launching turbines is constantly improving under the promotion of functionalization，but there are still some problems in practical application. Therefore，in order to ensure a more stable operation of the turbine system，its self-regulation and control capabilities have been improved. This paper focuses on the turbine control strategy of small hydropower stations，to promote the sustainable development of hydropower.

Keywords：intelligent control;hydraulic turbine;network control

0? 引? 言

在小型水電站中，水輪機(jī)是不可缺少的主要設(shè)備之一，其在水力發(fā)電中的作用也十分顯著，既能夠提高水力發(fā)電的效率，也能夠促進(jìn)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，為能源的供應(yīng)提供基礎(chǔ)保障。想要保證小型水電站的正常運(yùn)行，必須對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行合理的控制。調(diào)速器是控制水輪機(jī)正常運(yùn)行的主要設(shè)備，要對(duì)調(diào)速器采取相應(yīng)的策略進(jìn)行控制，為水電站的正常發(fā)電提供支持。

1? 水輪機(jī)調(diào)速器的概述

1.1? 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要組成

在水電站系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)是重要的組成部分之一，該系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)λ啓C(jī)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證其運(yùn)行正常，促進(jìn)了電能供應(yīng)的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在水輪機(jī)的運(yùn)行中起到了重要的作用，不僅促進(jìn)了水輪機(jī)的運(yùn)行效率，還有效地保障了發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。就水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，其主要的組成部分分別是調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)對(duì)象[1]。另外，調(diào)速器和電氣部分、電液隨動(dòng)、油壓系統(tǒng)是調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分。水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)等是構(gòu)成調(diào)節(jié)對(duì)象的主要內(nèi)容。在水電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)起到了重要的作用，保證了機(jī)組的正常運(yùn)行，同時(shí)在水電機(jī)組的運(yùn)行全過(guò)程，都能夠得到水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制，而且還能夠?qū)C(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，根據(jù)其運(yùn)行要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速及功能方面的有效控制。

1.2? 分析水輪調(diào)速器的類型和發(fā)展

水輪機(jī)是小型水電站中的核心設(shè)備，同時(shí)水輪機(jī)的運(yùn)行離不開(kāi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配合，而且該系統(tǒng)想要發(fā)揮出重要的作用，必須得到水輪機(jī)調(diào)速器的支持，只有這樣才能夠保證發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，有效地避免機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差。在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，調(diào)速器可以根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)機(jī)組進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，主要針對(duì)發(fā)電機(jī)組中的導(dǎo)葉進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的合理控制。另外，想要保證發(fā)電效率、質(zhì)量以及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，必須設(shè)置調(diào)速器。近幾年，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)水平的提升，小型水電站中的水輪機(jī)系統(tǒng)也逐漸從傳統(tǒng)類型向自動(dòng)化的方向改進(jìn)，并在長(zhǎng)期實(shí)踐中朝著智能化的方向持續(xù)發(fā)展，就水輪機(jī)的自動(dòng)化而言，其自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)調(diào)速器的發(fā)展與進(jìn)步。與此同時(shí)，在長(zhǎng)期發(fā)展的過(guò)程中，水輪機(jī)調(diào)速器的類型也逐漸變得多樣化，且在調(diào)節(jié)和控制的過(guò)程中，系統(tǒng)的運(yùn)行效率得到了有效的提高，提升了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性，而且調(diào)速器也逐漸地實(shí)現(xiàn)了利用智能化的方式對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，從而為小型水電站節(jié)約了大量的成本。以下對(duì)調(diào)速器的類型進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

（1）直流伺服、步進(jìn)電機(jī)控制的水輪機(jī)調(diào)速器。由于我國(guó)的水電站運(yùn)行離不開(kāi)水輪機(jī)的作用，所以水輪機(jī)調(diào)速器在我國(guó)水力發(fā)電站中得到了廣泛的應(yīng)用，其中調(diào)速器的類型多種多樣，直流伺服、步進(jìn)電機(jī)控制下的水輪機(jī)調(diào)速器是當(dāng)前我國(guó)水電站中的應(yīng)用十分廣泛。就步進(jìn)機(jī)水輪調(diào)速器而言，其完成控制的主要途徑就是脈沖控制，在實(shí)際應(yīng)用中有著良好的適用效果，而且該系統(tǒng)的操作較為簡(jiǎn)單，受到許多水電站的關(guān)注[2]。就直流伺服而言，其在控制方面具有方便快捷、調(diào)速效果好、范圍廣、轉(zhuǎn)矩輸出較高、承載能力強(qiáng)、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)，并且其優(yōu)勢(shì)在實(shí)際控制中起到了顯著的作用。雖然以上兩種調(diào)速器在實(shí)際應(yīng)用中有著明顯的效果，但是兩者仍然存在一些不足。如果出現(xiàn)大負(fù)荷的情況，必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度進(jìn)行合理的控制，使其響應(yīng)速度降低，如果得不到良好的控制，就會(huì)對(duì)調(diào)速器的運(yùn)行造成一定的影響[3]，使其運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低。這種情況下一旦出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，步進(jìn)機(jī)電的運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)失步的情況。此外，在直流伺服電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中其缺點(diǎn)較為明顯，主要體現(xiàn)在換向器與電刷在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，長(zhǎng)時(shí)間的摩擦?xí)斐苫鸹ìF(xiàn)象的發(fā)生，長(zhǎng)此以往，就會(huì)使電刷的磨損嚴(yán)重，進(jìn)而造成機(jī)組的故障，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行埋下隱患。

（2）可編程交流伺服控制的水輪機(jī)調(diào)速器。由于水輪機(jī)調(diào)速器在電站中占有重要的地位[4]。因此，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)其有著較高的重視，基于以上兩種調(diào)速器的缺點(diǎn)，在長(zhǎng)期的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累中，相關(guān)人員對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)，進(jìn)而形成了可編程的交流伺服控制的調(diào)速器，這種調(diào)速器有效地避免了以上兩種調(diào)速器的缺陷，并且實(shí)現(xiàn)了功能的增加、控制方式更加多樣化，靈活性、穩(wěn)定性和可靠性較高。

2? 水輪機(jī)控制策略分析

2.1? PID型常規(guī)控制策略

在小型水電站中，想要保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行以及高品質(zhì)的電能供應(yīng)，必須采取相應(yīng)的策略對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行合理的控制。以往在水輪機(jī)調(diào)節(jié)器控制方面，通常以PID型控制策略為主，這種策略具有操作便捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)參數(shù)合適等特點(diǎn)，如今小型水電站的發(fā)展得到了進(jìn)一步的推動(dòng)，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，雖然自動(dòng)化在水電站中得到了普及，但是PID型控制策略的使用仍然廣泛，而且對(duì)于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制仍然有著良好的效果。

2.2? 智能控制策略

2.2.1? 模糊控制

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)水平的提高，智能化在電站水輪機(jī)系統(tǒng)的控制中也得到了良好的應(yīng)用。在智能化控制中，模糊控制是典型的代表，該控制策略在進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制時(shí)，對(duì)數(shù)字模型沒(méi)有較高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中該類型的控制策略對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的非線性時(shí)變參數(shù)有著較好的效果。然而這種控制策略，在信息處理的過(guò)程中較為簡(jiǎn)單和模糊，使控制系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)控制的精度下降，導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行受到影響。如今，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了該控制方式的改進(jìn)，而且還研發(fā)出了多種控制方式，如模糊自適應(yīng)控制、模型和辨識(shí)控制等，該類型的控制策略具有較為穩(wěn)定的分析能力。在小型水電站中利用模糊調(diào)速器可以提高控制系統(tǒng)的決策速度、完成實(shí)時(shí)控制等。另外，還有一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)模糊控制器，該系統(tǒng)能夠改善傳統(tǒng)控制器的性能及缺點(diǎn)，提高控制器的自身適應(yīng)能力。同時(shí)，該調(diào)速器還具有一定的學(xué)習(xí)能力，在實(shí)際運(yùn)行中能夠?qū)ο嚓P(guān)規(guī)則及參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。因此，在小型水電站水輪機(jī)的控制中，無(wú)論哪種運(yùn)行狀況，合理地使用模糊雙積分并聯(lián)變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制器能夠出色地，完成各種情況下的控制任務(wù)，從而為小型水電站電能供應(yīng)品質(zhì)的提高提供技術(shù)支持。

2.2.2? 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制

在小型水電站，可采用人工神經(jīng)元的方式對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。近年來(lái)，這種方式在水輪機(jī)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵摽刂萍夹g(shù)在實(shí)際控制中能夠凸顯出自身的優(yōu)勢(shì)和能力，它能夠在兩種不同的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自我適應(yīng)和學(xué)習(xí)，無(wú)論是在線控制還是離線控制都能夠使系統(tǒng)的適應(yīng)力和學(xué)習(xí)力得到優(yōu)化，同時(shí)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，還具有一定的處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的控制和快速處理。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、聯(lián)想功能完善、容錯(cuò)性高等突出特點(diǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)還能夠?yàn)榭刂葡到y(tǒng)提供相應(yīng)的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。在對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行控制時(shí)，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制的方法可分為兩種，分別是建立相應(yīng)的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的控制和作為控制器直接使用，現(xiàn)代水電站進(jìn)行調(diào)速器控制時(shí)，對(duì)后者較為青睞。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制的主要原理是，利用自身的優(yōu)勢(shì)對(duì)PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的功能得到提升，使其能夠自主使用合理的控制方案。然而在實(shí)際使用中，雖然人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制能夠發(fā)揮出較好的效果，但是仍然存在一些不足，其中最明顯的是學(xué)習(xí)速度慢、計(jì)算方式復(fù)雜，滿足不了水輪機(jī)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性的要求，基于此，為了能夠使水輪機(jī)控制的效果更加良好，可將其與模糊控制、PID控制融合使用，對(duì)于水輪機(jī)的大范圍情況可采用模糊控制，然而小規(guī)模的情況下可利用PID進(jìn)行控制，不僅能夠起到一定的控制效果，還能夠使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，從而實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)調(diào)速器控制的精確性。在這種情況下，控制系統(tǒng)對(duì)于水輪機(jī)的控制能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合使用，能夠促進(jìn)控制系統(tǒng)的作用得到全面的發(fā)揮。

3? 結(jié)? 論

綜上所述，小型水電站的建立與使用是我國(guó)社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的一部分，它促進(jìn)了社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的完善。同時(shí)，想要將小型水電站的功能發(fā)揮得更全面，必須采取相應(yīng)的策略對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行全面、合理的控制，保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，為水電站的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：張彬（1980.09-），男，漢族，四川內(nèi)江人，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，研究方向：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。