水輪機微機調速器技術的優化

1.微機調速器的特點

1.1調節規律的靈活實現

微機調速器通過軟件程序實現調節規律，這一特性使得它不僅能夠執行傳統的比例（P）和比例一積分一微分（PID）調節，還可以實施更復雜的調節策略。例如，前饋控制、自適應調節、預測控制以及最優控制等高級調節方法都能夠被輕松地應用，這種靈活性為水輪機調節系統性能的進一步優化創造了良好的條件，有助于提升整體運行效率。

1.2高性能的計算機硬件支持

微機調速器采用了性能優越且可靠性高的計算機硬件，結合靈活的控制規律，從而確保了水輪機調節系統在靜態和動態特性上均表現出色。同時，這種設計顯著提高了系統的可靠性，減少了因設備故障導致的停機時間，為水力發電的穩定性提供了有力保障。

1.3通信接口及遠方控制的便利性

微機調速器易于實現與廠站級計算機監控系統的通信接口，支持遠方控制功能，使得水電廠能夠實現全面的綜合控制，在極端工況下也能保持穩定的調節性能，從而提升了水電廠的綜合自動化水平，這種高度的自動化不僅提高了生產效率，還增強了對突發事件的應對能力。

2.仿增量型數字PID微機調速器 設計

仿增量型數字PID微機調速器控制系統的設計如圖1所示，與傳統的位置型PID控制算法不同，該系統設計采用數液伺服系統取代了原有的電液隨動系統，而數字伺服系統是基于導葉接力器反饋信號 Y^'（n） 和PID輸出 Y_PID（n） 之間的差值來實現控制的[。在該系統中，數字伺服系統根據當前時刻的PID輸出Y^'（n） 與上一個采樣周期測得的導葉接力器反饋值 Y^'（n-1） 的差值進行工作。

由于采樣周期T通常較短且遠小于數字伺服系統的時間常數，因此在第 n 次采樣時刻，導葉接力器的反饋值 Y^'（n） 可能仍然是前一次PID的輸出Y_PID（n-1） 。盡管采樣周期很短，但由于導葉接力器的相對值變化很小，如果忽略伺服系統誤差，那么導葉接力器反饋值 Y^'（n） 與PID輸出 Y_PID（n-1） 值會近似相等。因此，在第 n 次采樣周期中，通過仿增量型算法計算得出的PID輸出ΔY_PID（n） 與實際增量型算法的PID 輸出ΔY_PID（n） 在數值上是近似相等，見公式（1）。

這種仿增量型數字PID微機調速器的設計方法，借助數液伺服系統和增量型控制策略，實現了更為精準和靈活的調速控制，通過有效利用采樣周期內的數據差異來實現控制響應，該系統能夠在保持穩定性的同時還提高系統的動態性能和響應速度。

ΔY_PID（n）=Y_PID（n）-Y^'（n）≈Y_PID（n）-Y_PID（n-1）

3.微機調速器的軟件設計

水輪機調速器通過合理的程序結構設計和模塊化編程方法，可以更好地實現各項功能，并確保系統在運行過程中能夠穩定高效地工作。根據水輪機調速器的工作狀態、過程任務要求及主要功能，調速器的軟件程序負責模擬量采集、數據處理、控制規律計算、控制命令發送以及限制、保護等功能，涵蓋頻率測量、模式切換、通信等子程序，完成頻率測量、調速器工作模式切換以及與其他計算機通信等任務[2]。

本設計中微機調速器的控制軟件按照模塊化結構進行，即將相關工況控制和共用控制功能編寫成獨立的子程序模塊，然后通過主程序串接這些子程序模塊，該設計有利于提高軟件的可維護性和擴展性，使得不同功能模塊之間的耦合度降低，便于單獨測試和修改某一功能模塊而不影響其他功能模塊的運行，基于 FX_2N 可編程控制器的微機調速器的程序框圖如圖2所示。

在微機調速器接通電源后，系統首先進行初始化處理，包括對各類特殊模塊的配置，如A/D、D/A轉換器以及定位模塊等，系統根據設定要求配置這些模塊的工作方式及相關參數。此外，輔助繼電器M的初始狀態也會被設定為默認值，以確保系統在啟動時具備穩定的基礎狀態。同時，數據寄存器中某些特定單元，將被賦予默認值，以便于后續的數據處理和控制操作。頻差的變化會直接影響到水輪機的運行狀態，為保持系統穩定性，頻率測量子程序則負責根據實際測量結果及選定的轉換系數Kf，對機組頻率、電網頻率及其頻差進行計算。

A/D轉換子程序的主要將水頭、功率反饋、導葉反饋等模擬信號轉換為數字信號，使得這些信息可以在程序控制下進行處理與分析，保證了調速器能夠實時監測機組的運行狀態，并作出相應調整。工況判斷模塊通過讀取機組運行工況和狀態輸入開關信號，確定微機調速器所應采取的工作模式，根據不同的工況設置相應的工況標志，以提供清晰的視覺反饋。PID調節程序是在各種工況下執行導葉開度的PID運算[3]，確保在動態響應中實現有效的控制，以優化機組的整體性能和穩定性。電液伺服系統依賴于精確的模擬信號來實現對機械設備的動態調整，從而確保水輪機在不同工況下能夠迅速、準確地響應變化，通過D/A子程序將各種工況下運算得到的數字量轉換為模擬電壓或電流，以控制電液伺服系統。檢錯及處理子程序主要負責監測輸出調節信號的正確性，并對相關輸入量、輸出量及各個模塊進行全面的檢錯與診斷。通過實施有效的檢錯機制，微機調速器能夠在高效控制水輪機的同時，降低潛在風險，微機調速器的檢錯及處理子程序覆蓋多個關鍵監測點，包括頻率測量、功率反饋、導葉反饋以及水頭測量值等，不僅保證數據的準確性，還增強系統的穩定性，使其在復雜運行環境中能夠持續發揮最佳性能。

4.結束語

水輪機微機調速器通信優化技術以調節器與電液隨動系統相結合的方式實現了信號采集、數據運算、控制規律實現、運行狀態切換、控制值輸出等功能。同時，還包括其他附加功能，將控制結果以特定方式輸出作為液壓隨動系統的輸入，成為整個微機調速器的核心，有效提高水輪機性能、穩定運行和安全性，推動水輪機行業朝著智能化、高效化的方向邁進。

參考文獻：

[1]馬成邦、劉世隆。基于自適應模糊推理算法的雙微機水輪機穩定性調速方法[J].微電機，2025，58（02）：69-74.

[2]魏昱、再強、張冬生。基于LADRC的水輪機調速系統控制研究[J].大電機技術，2024，（S1）：63-67.

[3]趙佳樂。水輪機調速系統參數辨識與PID參數優化[D].導師：周克良．江西理工大學，2023.作者單位：青海黃河水電公司拉西瓦發電分公司