小型水电站水轮机控制探讨

摘  要：随着我国经济的迅速发展，社会基础建设也在不断地完善，其中电力工业行业在基础建设中发挥出了重要的作用，而且在电力工业企业不断发展的过程中，逐步进入了深化改革阶段，许多小水电站也在基础建设中得到了完善，为了保证小型水电站功能的可靠性和稳定性，必须对水电站中重要的水轮机控制系统进行深入的研究，使其性能和作用得到全面的发挥，促进水轮机控制系统的输出符合电力系统的相关标准。当前我国小型水电站正在向智能化的方向发展，在职能化的推动下水轮机的调节与控制水平也在不断地提升，但是在实际应用中仍然存在一些问题。所以为了能够保证水轮机系统的运行更加稳定，使其自我调节和控制能力得到提升。本文围绕小型水电站水轮机控制策略进行探析，促进水力发电的持续发展。

关键词：智能控制;水轮机;网络控制

中图分类号：TP273;TV734      文献标识码：A 文章编号：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，水轮机是不可缺少的主要设备之一，其在水力发电中的作用也十分显著，既能够提高水力发电的效率，也能够促进相关设备运行的稳定性，为能源的供应提供基础保障。想要保证小型水电站的正常运行，必须对水轮机进行合理的控制。调速器是控制水轮机正常运行的主要设备，要对调速器采取相应的策略进行控制，为水电站的正常发电提供支持。

1  水轮机调速器的概述

1.1  水轮机调速系统的主要组成

在水电站系统中，调节系统是重要的组成部分之一，该系统具有一定的复杂性，在实际运行过程中能够对水轮机的运行进行调节，保证其运行正常，促进了电能供应的稳定性。由此可见，调节系统在水轮机的运行中起到了重要的作用，不仅促进了水轮机的运行效率，还有效地保障了发电机组的稳定运行。就水轮机调速系统而言，其主要的组成部分分别是调速系统和调节对象[1]。另外，调速器和电气部分、电液随动、油压系统是调速系统的重要组成部分。水轮机、发电机、电网等是构成调节对象的主要内容。在水电机组的运行过程中，水轮调节系统起到了重要的作用，保证了机组的正常运行，同时在水电机组的运行全过程，都能够得到水轮机调节系统的控制，而且还能够对机组的运行状态进行合理的调节，根据其运行要求进行转速及功能方面的有效控制。

1.2  分析水轮调速器的类型和发展

水轮机是小型水电站中的核心设备，同时水轮机的运行离不开调节系统的配合，而且该系统想要发挥出重要的作用，必须得到水轮机调速器的支持，只有这样才能够保证发电机组运行的稳定性，有效地避免机组运行中转速出现偏差。在发电机组运行的过程中，调速器可以根据其运行状态对机组进行合理的调节，主要针对发电机组中的导叶进行控制，从而实现对发电机组转速的合理控制。另外，想要保证发电效率、质量以及机组的稳定运行，必须设置调速器。近几年，经济的发展促进了科学水平的提升，小型水电站中的水轮机系统也逐渐从传统类型向自动化的方向改进，并在长期实践中朝着智能化的方向持续发展，就水轮机的自动化而言，其自动化的实现离不开调速器的发展与进步。与此同时，在长期发展的过程中，水轮机调速器的类型也逐渐变得多样化，且在调节和控制的过程中，系统的运行效率得到了有效的提高，提升了系统控制的准确性，而且调速器也逐渐地实现了利用智能化的方式对水轮发电机组进行控制，从而为小型水电站节约了大量的成本。以下对调速器的类型进行简单的分析。

（1）直流伺服、步进电机控制的水轮机调速器。由于我国的水电站运行离不开水轮机的作用，所以水轮机调速器在我国水力发电站中得到了广泛的应用，其中调速器的类型多种多样，直流伺服、步进电机控制下的水轮机调速器是当前我国水电站中的应用十分广泛。就步进机水轮调速器而言，其完成控制的主要途径就是脉冲控制，在实际应用中有着良好的适用效果，而且该系统的操作较为简单，受到许多水电站的关注[2]。就直流伺服而言，其在控制方面具有方便快捷、调速效果好、范围广、转矩输出较高、承载能力强、良好的动态响应等特点，并且其优势在实际控制中起到了显著的作用。虽然以上两种调速器在实际应用中有着明显的效果，但是两者仍然存在一些不足。如果出现大负荷的情况，必须对步进电机的响应速度进行合理的控制，使其响应速度降低，如果得不到良好的控制，就会对调速器的运行造成一定的影响[3]，使其运转速度降低。这种情况下一旦出现卡阻现象，步进机电的运行就会出现失步的情况。此外，在直流伺服电机运行的过程中其缺点较为明显，主要体现在换向器与电刷在运行的过程中会产生一定的摩擦力，长时间的摩擦会造成火花现象的发生，长此以往，就会使电刷的磨损严重，进而造成机组的故障，对系统的安全运行埋下隐患。

（2）可编程交流伺服控制的水轮机调速器。由于水轮机调速器在电站中占有重要的地位[4]。因此，相关技术人员对其有着较高的重视，基于以上两种调速器的缺点，在长期的實践与经验积累中，相关人员对调速器进行了深入研究和改进，进而形成了可编程的交流伺服控制的调速器，这种调速器有效地避免了以上两种调速器的缺陷，并且实现了功能的增加、控制方式更加多样化，灵活性、稳定性和可靠性较高。

2  水轮机控制策略分析

2.1  PID型常规控制策略

在小型水电站中，想要保证发电机组的正常运行以及高品质的电能供应，必须采取相应的策略对水轮机进行合理的控制。以往在水轮机调节器控制方面，通常以PID型控制策略为主，这种策略具有操作便捷、结构简单、调节参数合适等特点，如今小型水电站的发展得到了进一步的推动，基本实现了自动化控制，虽然自动化在水电站中得到了普及，但是PID型控制策略的使用仍然广泛，而且对于调节系统的控制仍然有着良好的效果。

2.2  智能控制策略

2.2.1  模糊控制

随着经济的发展与科学技术水平的提高，智能化在电站水轮机系统的控制中也得到了良好的应用。在智能化控制中，模糊控制是典型的代表，该控制策略在进行水轮机调速系统的控制时，对数字模型没有较高的要求。在实际应用中该类型的控制策略对系统运行中存在的非线性时变参数有着较好的效果。然而这种控制策略，在信息处理的过程中较为简单和模糊，使控制系统对水轮机控制的精度下降，导致机组的运行受到影响。如今，科学技术的发展促进了该控制方式的改进，而且还研发出了多种控制方式，如模糊自适应控制、模型和辨识控制等，该类型的控制策略具有较为稳定的分析能力。在小型水电站中利用模糊调速器可以提高控制系统的决策速度、完成实时控制等。另外，还有一种复合结构的水轮机模糊控制器，该系统能够改善传统控制器的性能及缺点，提高控制器的自身适应能力。同时，该调速器还具有一定的学习能力，在实际运行中能够对相关规则及参数进行合理的调节。因此，在小型水电站水轮机的控制中，无论哪种运行状况，合理地使用模糊双积分并联变结构复合控制器能够出色地，完成各种情况下的控制任务，从而为小型水电站电能供应品质的提高提供技术支持。

2.2.2  人工神经元网络控制

在小型水电站，可采用人工神经元的方式对水轮机进行网络控制。近年来，这种方式在水轮机的控制中得到了广泛的应用，因为该控制技术在实际控制中能够凸显出自身的优势和能力，它能够在两种不同的状态下实现自我适应和学习，无论是在线控制还是离线控制都能够使系统的适应力和学习力得到优化，同时人工神经元网络控制，还具有一定的处理功能，能够实现对动力系统的控制和快速处理。网络技术具有学习能力强、联想功能完善、容错性高等突出特点，而且网络还能够为控制系统提供相应的强度结构。在对水轮机调速器进行控制时，人工神经元网络控制的方法可分为两种，分别是建立相应的模型实现对水轮机调速器的控制和作为控制器直接使用，现代水电站进行调速器控制时，对后者较为青睐。人工神经元网络控制的主要原理是，利用自身的优势对PID控制算法进行改进，从而使神经网络控制器的功能得到提升，使其能够自主使用合理的控制方案。然而在实际使用中，虽然人工神经元网络的控制能够发挥出较好的效果，但是仍然存在一些不足，其中最明显的是学习速度慢、计算方式复杂，满足不了水轮机调节实时性的要求，基于此，为了能够使水轮机控制的效果更加良好，可将其与模糊控制、PID控制融合使用，对于水轮机的大范围情况可采用模糊控制，然而小规模的情况下可利用PID进行控制，不仅能够起到一定的控制效果，还能够使控制系统具有较强的学习能力，从而实现了水轮机调速器控制的精确性。在这种情况下，控制系统对于水轮机的控制能够实现实时性的特点，将两者结合使用，能够促进控制系统的作用得到全面的发挥。

3  结  论

综上所述，小型水电站的建立与使用是我国社会基础建设中不可缺少的一部分，它促进了社会基础建设的完善。同时，想要将小型水电站的功能发挥得更全面，必须采取相应的策略对水轮机的运行进行全面、合理的控制，保证发电机组的正常运行，为水电站的发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 鲍海艳.水电站调压室设置条件及运行控制研究 [D].武汉：武汉大学，2010.

[2] 周铁龙.水轮机调节系统建模及神经元控制研究 [D].重庆：重庆大学，2006.

[3] 张辉.大功率直流输电系统背景下孤岛态送电侧控制策略研究及动态过程分析 [D].武汉：武汉大学，2015.

[4] 门闯社.基于水轮机内外特性复合数学模型的调节系统动态特性研究 [D].西安：西安理工大学，2018.

作者简介：张彬（1980.09-），男，汉族，四川内江人，高级工程师，2002年毕业于兰州理工大学，学士学位，研究方向：水轮机结构设计。