兆瓦機組變流器冷卻系統水箱液位開關控制

摘 要：傳統的高位水箱液位開關控制方法多采用機械式開關，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高位水箱液位開關自動控制方法。首先，根據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，利用實時液位監測裝置和紅外線液位傳感器，獲取高位水箱實時液位數據。再次，將PID控制技術與模糊控制理論相結合，設定高位水箱液位開關自動控制參數。最后，將PID控制器輸出值轉換為開關信號，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。

關鍵詞：變流器冷卻系統；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

在現代工業領域中，變流器冷卻系統的穩定運行直接關系整個電力系統的安全與效率。國外一些先進實驗室和企業已經開發出高精度、高可靠性的液位自動控制系統，并在多個行業廣泛應用。目前，國內科研機構和企業也取得了顯著進展，液位自動控制技術的研發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高位水箱液位開關的自動控制方法，對提升發電機組運行的安全、穩定和經濟性具有重要意義。文獻[1]采用模糊自適應PID策略優化高位水箱液位控制，利用模糊邏輯動態調整參數，直接驅動執行機構，以實現高效的自動液位調節。文獻[2]提出基于機器視覺技術的高位水箱液位開關自動控制方法，利用雙目視覺傳感器采集高位水箱液位圖像，再利用異步收發傳輸器，并根據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，旨在助力于技術創新與應用，推動工業自動化控制進步。

1 兆瓦機組變流器冷卻系統高位水箱液位開關自動控制方法設計

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，進而根據水箱的長、寬和高計算水箱容積。然而，計算出的總容積還包括底部和頂部安全區等一些不可用水的部分。因此，在水箱總容積中排除不可用水部分容積，才是高位水箱的有效容積[3]。進而根據設計規范，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據

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

將反射板安裝在高位水箱頂部，經連桿與浮球相連接，浮球浮于液面上，隨液位變化在水箱內上、下浮動。由紅外線液位傳感器發射的紅外線經反射板反射至傳感器，并將液位高度變化的實時數據轉化為相應的電信號，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，即靈敏度。

根據上述過程，即可獲取兆瓦機組變流器冷卻系統高位水箱實時液位變化數據。

1.3 設定高位水箱液位開關自動控制參數

上文獲取的高位水箱實時液位數據經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，調節設定值r（t）與輸出值y（t）的偏差e（t）。控制器中這3個模塊設定的參數會影響兆瓦機組變流器冷卻系統高位水箱液位開關自動控制效果[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；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；Kd為微分時間常數。

由于傳統的PID控制技術無法獲得令人滿意的控制效果，因此本文將傳統PID控制技術與模糊控制理論相結合，實時在線調整PID的控制模塊參數，以取得更精確的控制效果[6]。調整后的模糊自整定的PID控制參數如公式（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；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修正量。

進行上述參數設定，能夠實時調整PID控制參數，從而使高位水箱的液位開關自動控制更穩定。

1.4 輸出高位水箱液位開關信號

根據公式（2），將輸出值u（t）轉換為開關信號，進而控制高位水箱液位開關，具體步驟如下所示。首先，根據已經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，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整，輸出的開關信號為“開啟出水口，關閉進水口”；如果u（t）≤Tmin，那么輸出的開關信號為“關閉出水口，開啟進水口”。此外，為了避免傳感器延遲導致的開關信號切換頻繁，還可以引入去抖動機制，即在開關信號實際改變前等待一段時間，確認其穩定后再執行操作[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高位水箱液位開關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自動控制方法為方法二，文獻[2]提出的基于機器視覺技術的高位水箱液位開關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速器，并將水泵電機與變頻調速器相連，保證水泵電機能夠接受到調速信號。最后，將數據采集系統與上述裝置進行連接，并設置數據采集參數。搭建的實驗平臺如圖2所示。

2.2 試驗參數設置

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

2.3 試驗結果討論

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。試驗結果如圖3～圖5所示。

由圖3數據可知，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數據可知，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高位水箱液位開關自動控制方法的控制效果最好。

3 結語

本文以兆瓦機組變流器冷卻系統高位水箱液位開關的自動控制方法為核心，深入探討了該領域的技術細節與實現策略，并利用理論分析與試驗驗證，為提升兆瓦級電力轉換設備的運行穩定性與效率提供了有力支持。本文一方面優化了冷卻系統的自動化管理水平，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的響應速度、精度提升以及系統間協同控制的進一步優化。未來將繼續聚焦于兆瓦機組變流器冷卻系統的高效、智能控制，突破現有技術瓶頸，提升系統整體的自動化與智能化水平；開發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境；加強系統間的信息交互與協同控制，進行冷卻系統的全局優化。

參考文獻

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