小型水電站水輪機控制探討

摘? 要：隨著我國經濟的迅速發展，社會基礎建設也在不斷地完善，其中電力工業行業在基礎建設中發揮出了重要的作用，而且在電力工業企業不斷發展的過程中，逐步進入了深化改革階段，許多小水電站也在基礎建設中得到了完善，為了保證小型水電站功能的可靠性和穩定性，必須對水電站中重要的水輪機控制系統進行深入的研究，使其性能和作用得到全面的發揮，促進水輪機控制系統的輸出符合電力系統的相關標準。當前我國小型水電站正在向智能化的方向發展，在職能化的推動下水輪機的調節與控制水平也在不斷地提升，但是在實際應用中仍然存在一些問題。所以為了能夠保證水輪機系統的運行更加穩定，使其自我調節和控制能力得到提升。本文圍繞小型水電站水輪機控制策略進行探析，促進水力發電的持續發展。

關鍵詞：智能控制;水輪機;網絡控制

中圖分類號：TP273;TV734? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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，水輪機是不可缺少的主要設備之一，其在水力發電中的作用也十分顯著，既能夠提高水力發電的效率，也能夠促進相關設備運行的穩定性，為能源的供應提供基礎保障。想要保證小型水電站的正常運行，必須對水輪機進行合理的控制。調速器是控制水輪機正常運行的主要設備，要對調速器采取相應的策略進行控制，為水電站的正常發電提供支持。

1? 水輪機調速器的概述

1.1? 水輪機調速系統的主要組成

在水電站系統中，調節系統是重要的組成部分之一，該系統具有一定的復雜性，在實際運行過程中能夠對水輪機的運行進行調節，保證其運行正常，促進了電能供應的穩定性。由此可見，調節系統在水輪機的運行中起到了重要的作用，不僅促進了水輪機的運行效率，還有效地保障了發電機組的穩定運行。就水輪機調速系統而言，其主要的組成部分分別是調速系統和調節對象[1]。另外，調速器和電氣部分、電液隨動、油壓系統是調速系統的重要組成部分。水輪機、發電機、電網等是構成調節對象的主要內容。在水電機組的運行過程中，水輪調節系統起到了重要的作用，保證了機組的正常運行，同時在水電機組的運行全過程，都能夠得到水輪機調節系統的控制，而且還能夠對機組的運行狀態進行合理的調節，根據其運行要求進行轉速及功能方面的有效控制。

1.2? 分析水輪調速器的類型和發展

水輪機是小型水電站中的核心設備，同時水輪機的運行離不開調節系統的配合，而且該系統想要發揮出重要的作用，必須得到水輪機調速器的支持，只有這樣才能夠保證發電機組運行的穩定性，有效地避免機組運行中轉速出現偏差。在發電機組運行的過程中，調速器可以根據其運行狀態對機組進行合理的調節，主要針對發電機組中的導葉進行控制，從而實現對發電機組轉速的合理控制。另外，想要保證發電效率、質量以及機組的穩定運行，必須設置調速器。近幾年，經濟的發展促進了科學水平的提升，小型水電站中的水輪機系統也逐漸從傳統類型向自動化的方向改進，并在長期實踐中朝著智能化的方向持續發展，就水輪機的自動化而言，其自動化的實現離不開調速器的發展與進步。與此同時，在長期發展的過程中，水輪機調速器的類型也逐漸變得多樣化，且在調節和控制的過程中，系統的運行效率得到了有效的提高，提升了系統控制的準確性，而且調速器也逐漸地實現了利用智能化的方式對水輪發電機組進行控制，從而為小型水電站節約了大量的成本。以下對調速器的類型進行簡單的分析。

（1）直流伺服、步進電機控制的水輪機調速器。由于我國的水電站運行離不開水輪機的作用，所以水輪機調速器在我國水力發電站中得到了廣泛的應用，其中調速器的類型多種多樣，直流伺服、步進電機控制下的水輪機調速器是當前我國水電站中的應用十分廣泛。就步進機水輪調速器而言，其完成控制的主要途徑就是脈沖控制，在實際應用中有著良好的適用效果，而且該系統的操作較為簡單，受到許多水電站的關注[2]。就直流伺服而言，其在控制方面具有方便快捷、調速效果好、范圍廣、轉矩輸出較高、承載能力強、良好的動態響應等特點，并且其優勢在實際控制中起到了顯著的作用。雖然以上兩種調速器在實際應用中有著明顯的效果，但是兩者仍然存在一些不足。如果出現大負荷的情況，必須對步進電機的響應速度進行合理的控制，使其響應速度降低，如果得不到良好的控制，就會對調速器的運行造成一定的影響[3]，使其運轉速度降低。這種情況下一旦出現卡阻現象，步進機電的運行就會出現失步的情況。此外，在直流伺服電機運行的過程中其缺點較為明顯，主要體現在換向器與電刷在運行的過程中會產生一定的摩擦力，長時間的摩擦會造成火花現象的發生，長此以往，就會使電刷的磨損嚴重，進而造成機組的故障，對系統的安全運行埋下隱患。

（2）可編程交流伺服控制的水輪機調速器。由于水輪機調速器在電站中占有重要的地位[4]。因此，相關技術人員對其有著較高的重視，基于以上兩種調速器的缺點，在長期的實踐與經驗積累中，相關人員對調速器進行了深入研究和改進，進而形成了可編程的交流伺服控制的調速器，這種調速器有效地避免了以上兩種調速器的缺陷，并且實現了功能的增加、控制方式更加多樣化，靈活性、穩定性和可靠性較高。

2? 水輪機控制策略分析

2.1? PID型常規控制策略

在小型水電站中，想要保證發電機組的正常運行以及高品質的電能供應，必須采取相應的策略對水輪機進行合理的控制。以往在水輪機調節器控制方面，通常以PID型控制策略為主，這種策略具有操作便捷、結構簡單、調節參數合適等特點，如今小型水電站的發展得到了進一步的推動，基本實現了自動化控制，雖然自動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，而且對于調節系統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

隨著經濟的發展與科學技術水平的提高，智能化在電站水輪機系統的控制中也得到了良好的應用。在智能化控制中，模糊控制是典型的代表，該控制策略在進行水輪機調速系統的控制時，對數字模型沒有較高的要求。在實際應用中該類型的控制策略對系統運行中存在的非線性時變參數有著較好的效果。然而這種控制策略，在信息處理的過程中較為簡單和模糊，使控制系統對水輪機控制的精度下降，導致機組的運行受到影響。如今，科學技術的發展促進了該控制方式的改進，而且還研發出了多種控制方式，如模糊自適應控制、模型和辨識控制等，該類型的控制策略具有較為穩定的分析能力。在小型水電站中利用模糊調速器可以提高控制系統的決策速度、完成實時控制等。另外，還有一種復合結構的水輪機模糊控制器，該系統能夠改善傳統控制器的性能及缺點，提高控制器的自身適應能力。同時，該調速器還具有一定的學習能力，在實際運行中能夠對相關規則及參數進行合理的調節。因此，在小型水電站水輪機的控制中，無論哪種運行狀況，合理地使用模糊雙積分并聯變結構復合控制器能夠出色地，完成各種情況下的控制任務，從而為小型水電站電能供應品質的提高提供技術支持。

2.2.2? 人工神經元網絡控制

在小型水電站，可采用人工神經元的方式對水輪機進行網絡控制。近年來，這種方式在水輪機的控制中得到了廣泛的應用，因為該控制技術在實際控制中能夠凸顯出自身的優勢和能力，它能夠在兩種不同的狀態下實現自我適應和學習，無論是在線控制還是離線控制都能夠使系統的適應力和學習力得到優化，同時人工神經元網絡控制，還具有一定的處理功能，能夠實現對動力系統的控制和快速處理。網絡技術具有學習能力強、聯想功能完善、容錯性高等突出特點，而且網絡還能夠為控制系統提供相應的強度結構。在對水輪機調速器進行控制時，人工神經元網絡控制的方法可分為兩種，分別是建立相應的模型實現對水輪機調速器的控制和作為控制器直接使用，現代水電站進行調速器控制時，對后者較為青睞。人工神經元網絡控制的主要原理是，利用自身的優勢對PID控制算法進行改進，從而使神經網絡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。然而在實際使用中，雖然人工神經元網絡的控制能夠發揮出較好的效果，但是仍然存在一些不足，其中最明顯的是學習速度慢、計算方式復雜，滿足不了水輪機調節實時性的要求，基于此，為了能夠使水輪機控制的效果更加良好，可將其與模糊控制、PID控制融合使用，對于水輪機的大范圍情況可采用模糊控制，然而小規模的情況下可利用PID進行控制，不僅能夠起到一定的控制效果，還能夠使控制系統具有較強的學習能力，從而實現了水輪機調速器控制的精確性。在這種情況下，控制系統對于水輪機的控制能夠實現實時性的特點，將兩者結合使用，能夠促進控制系統的作用得到全面的發揮。

3? 結? 論

綜上所述，小型水電站的建立與使用是我國社會基礎建設中不可缺少的一部分，它促進了社會基礎建設的完善。同時，想要將小型水電站的功能發揮得更全面，必須采取相應的策略對水輪機的運行進行全面、合理的控制，保證發電機組的正常運行，為水電站的發展奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 鮑海艷.水電站調壓室設置條件及運行控制研究 [D].武漢：武漢大學，2010.

[2] 周鐵龍.水輪機調節系統建模及神經元控制研究 [D].重慶：重慶大學，2006.

[3] 張輝.大功率直流輸電系統背景下孤島態送電側控制策略研究及動態過程分析 [D].武漢：武漢大學，2015.

[4] 門闖社.基于水輪機內外特性復合數學模型的調節系統動態特性研究 [D].西安：西安理工大學，2018.

作者簡介：張彬（1980.09-），男，漢族，四川內江人，高級工程師，2002年畢業于蘭州理工大學，學士學位，研究方向：水輪機結構設計。