兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)水箱液位開關(guān)控制

摘 要：傳統(tǒng)的高位水箱液位開關(guān)控制方法多采用機械式開關(guān)，實際的控制效果并不理想。針對上述問題，本文提出兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制方法。首先，根據(jù)水箱的最低和最高液位閾值，計算出水箱相應的最低和最高液位容積，從而確定高位水箱的液位范圍。其次，利用實時液位監(jiān)測裝置和紅外線液位傳感器，獲取高位水箱實時液位數(shù)據(jù)。再次，將PID控制技術(shù)與模糊控制理論相結(jié)合，設定高位水箱液位開關(guān)自動控制參數(shù)。最后，將PID控制器輸出值轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，并與水箱最高和最低閾值進行比較，確定水箱液位開關(guān)信號的輸出。在試驗過程中，將本文方法與另外2種方法進行比較，結(jié)果表明，本文方法的超出高位液位和低于低位液位的高度最小，分別為82 cm和18 cm，并且響應速度最快，說明本文方法的自動控制效果最好。

關(guān)鍵詞：變流器冷卻系統(tǒng)；高位水箱；自動控制方法；液位變化" " 中圖分類號：K 928" " 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，變流器冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接關(guān)系整個電力系統(tǒng)的安全與效率。國外一些先進實驗室和企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出高精度、高可靠性的液位自動控制系統(tǒng)，并在多個行業(yè)廣泛應用。目前，國內(nèi)科研機構(gòu)和企業(yè)也取得了顯著進展，液位自動控制技術(shù)的研發(fā)與應用正逐步與國際接軌。在該背景下，研究兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)的自動控制方法，對提升發(fā)電機組運行的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟性具有重要意義。文獻[1]采用模糊自適應PID策略優(yōu)化高位水箱液位控制，利用模糊邏輯動態(tài)調(diào)整參數(shù)，直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)高效的自動液位調(diào)節(jié)。文獻[2]提出基于機器視覺技術(shù)的高位水箱液位開關(guān)自動控制方法，利用雙目視覺傳感器采集高位水箱液位圖像，再利用異步收發(fā)傳輸器，并根據(jù)液位圖像生成自動控制指令。

本文研究兆瓦機組變流器冷卻水箱液位自控方法，旨在助力于技術(shù)創(chuàng)新與應用，推動工業(yè)自動化控制進步。

1 兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制方法設計

1.1 確定高位水箱液位范圍

在確定兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱的液位范圍過程中，需要明確高位水箱的基本尺寸信息，進而根據(jù)水箱的長、寬和高計算水箱容積。然而，計算出的總?cè)莘e還包括底部和頂部安全區(qū)等一些不可用水的部分。因此，在水箱總?cè)莘e中排除不可用水部分容積，才是高位水箱的有效容積[3]。進而根據(jù)設計規(guī)范，設置水箱最低液位閾值，以保證在任何情況下，水箱中的水量都可以滿足兆瓦機組變流器的冷卻要求。同時設置水箱最高液位閾值，防止由水箱水量過滿帶來的安全隱患。因此，結(jié)合水箱長度和水箱寬度計算出對應的最低液位容積和最高液位容積，可以確定高位水箱的液位范圍（即最低液位容積與最高液位容積之間）。

1.2 獲取高位水箱實時液位數(shù)據(jù)

在獲取高位水箱實時液位數(shù)據(jù)階段，本文選擇使用紅外線液位傳感器感應高位水箱內(nèi)液位的變化。高位水箱實時液位監(jiān)測裝置由反射板和浮球組成，具體的實時液位監(jiān)測裝置如圖1所示。

將反射板安裝在高位水箱頂部，經(jīng)連桿與浮球相連接，浮球浮于液面上，隨液位變化在水箱內(nèi)上、下浮動。由紅外線液位傳感器發(fā)射的紅外線經(jīng)反射板反射至傳感器，并將液位高度變化的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應的電信號，由電纜將電信號輸出到控制器，進行相應的液位顯示和控制[4]。該過程如公式（1）所示。

式中：h為液位實時高度；z為紅外線傳感器在當前液位下的電信號值；z0為紅外線傳感器在零液位，即水箱為空時的電信號值；ω為紅外線傳感器輸出信號隨液位變化的比例系數(shù)，即靈敏度。

根據(jù)上述過程，即可獲取兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱實時液位變化數(shù)據(jù)。

1.3 設定高位水箱液位開關(guān)自動控制參數(shù)

上文獲取的高位水箱實時液位數(shù)據(jù)經(jīng)紅外線傳感器輸出給控制器。本文選用PID控制，利用PID比例、積分和微分模塊，調(diào)節(jié)設定值r（t）與輸出值y（t）的偏差e（t）?？刂破髦羞@3個模塊設定的參數(shù)會影響兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制效果[5]。利用PID控制的控制器表達式如公式（2）所示。

式中：u（t）為控制器輸出值；Kp為增益時間常數(shù)；e（t）為當前時刻的偏差，即目標值與實際值之差；t為采樣時間；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)。

由于傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)無法獲得令人滿意的控制效果，因此本文將傳統(tǒng)PID控制技術(shù)與模糊控制理論相結(jié)合，實時在線調(diào)整PID的控制模塊參數(shù)，以取得更精確的控制效果[6]。調(diào)整后的模糊自整定的PID控制參數(shù)如公式（3）所示。

式中：Kp0、Ki0和Kd0分別為PID控制器比例、積分和微分模塊的初始控制參數(shù)；ΔKp、ΔKi和ΔKd分別為輸出PID控制器的比例、積分和微分模塊的控制參數(shù)修正量。

進行上述參數(shù)設定，能夠?qū)崟r調(diào)整PID控制參數(shù)，從而使高位水箱的液位開關(guān)自動控制更穩(wěn)定。

1.4 輸出高位水箱液位開關(guān)信號

根據(jù)公式（2），將輸出值u（t）轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，進而控制高位水箱液位開關(guān)，具體步驟如下所示。首先，根據(jù)已經(jīng)確定的高位水箱液位范圍，設定水箱最高液位閾值為Tmax、水箱最低液位閾值為Tmin。其次，在每個采樣時間t內(nèi)，將u（t）分別與最高、最低液位閾值進行比較。如果u（t）≥Tmax，那么表明當前液位需要調(diào)整，輸出的開關(guān)信號為“開啟出水口，關(guān)閉進水口”；如果u（t）≤Tmin，那么輸出的開關(guān)信號為“關(guān)閉出水口，開啟進水口”。此外，為了避免傳感器延遲導致的開關(guān)信號切換頻繁，還可以引入去抖動機制，即在開關(guān)信號實際改變前等待一段時間，確認其穩(wěn)定后再執(zhí)行操作[7]。

2 試驗測試

為了驗證本文設計的兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制方法的控制效果，本文選擇與另外2種方法進行比較，并設計對比試驗。本文設計方法為對照組方法一，文獻[1]提出的基于模糊自適應PID的高位水箱液位開關(guān)自動控制方法為方法二，文獻[2]提出的基于機器視覺技術(shù)的高位水箱液位開關(guān)自動控制方法為方法三。具體的試驗設計如下所示。

2.1 實驗平臺搭建

根據(jù)試驗目的，搭建相應的模擬實驗平臺。首先，將高位水箱安裝在指定位置，保證高度差能夠滿足試驗要求，并將進水管、出水管和閥門等管路連接至高位水箱與儲水箱，保證不會泄漏。將液位傳感器安裝在高位水箱內(nèi)的合適位置，保證能夠精準檢測到液位變化。其次，將輸出信號接入PLC，PLC的輸出信號接入變頻調(diào)速器，并將水泵電機與變頻調(diào)速器相連，保證水泵電機能夠接受到調(diào)速信號。最后，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上述裝置進行連接，并設置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。搭建的實驗平臺如圖2所示。

2.2 試驗參數(shù)設置

在兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制對比試驗中，試驗參數(shù)的設置對試驗結(jié)果的準確性具有至關(guān)重要的影響。具體的試驗參數(shù)見表1。

2.3 試驗結(jié)果討論

將水箱中的初始液位設定為60 cm并進行試驗。分別對高位液位和低位液位進行自動控制，并利用3種自動控制方法階躍響應曲線分析3種方法的響應速度，并以此為指標評估3種自動控制方法的控制效果。試驗結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3數(shù)據(jù)可知，在高位液位為80 cm的情況下，方法一的響應時間最短且超出高位液位的高度最小，為82 cm，在第4 h即完成對液位的自動控制，并將液位高度保持在79.5 cm。方法二和方法三分別在第20 h和23 h完成對液位的自動控制，并且液位高度的最大值遠超方法一。

由圖4數(shù)據(jù)可知，在低位液位為20 cm的情況下，方法一的控制時間最短，僅為4.5 h，并且當液位高度為18 cm時即開始進行液位自動控制。方法而和方法三分別在第13 h和21 h完成對液位的自動控制，比方法一的控制時間更長。

由圖5曲線可知，在0 s處給3種控制方法1 rad/s的階躍信號，方法一到達幅值的時間為50 s，分別比方法二和方法三快了150 s和270 s，說明方法一的響應速度最快。綜上所述，本文設計的兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)自動控制方法的控制效果最好。

3 結(jié)語

本文以兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)高位水箱液位開關(guān)的自動控制方法為核心，深入探討了該領(lǐng)域的技術(shù)細節(jié)與實現(xiàn)策略，并利用理論分析與試驗驗證，為提升兆瓦級電力轉(zhuǎn)換設備的運行穩(wěn)定性與效率提供了有力支持。本文一方面優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)的自動化管理水平，另一方面應用精準控制策略，降低了能耗，促進了綠色能源的高效利用。然而本研究仍然存在一些不足之處，還需要更深入地研究極端工況下液位開關(guān)的響應速度、精度提升以及系統(tǒng)間協(xié)同控制的進一步優(yōu)化。未來將繼續(xù)聚焦于兆瓦機組變流器冷卻系統(tǒng)的高效、智能控制，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，提升系統(tǒng)整體的自動化與智能化水平；開發(fā)更先進的液位預測與自適應控制算法，以應對復雜多變的運行環(huán)境；加強系統(tǒng)間的信息交互與協(xié)同控制，進行冷卻系統(tǒng)的全局優(yōu)化。

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