兆瓦机组变流器冷却系统水箱液位开关控制

摘 要：传统的高位水箱液位开关控制方法多采用机械式开关，实际的控制效果并不理想。针对上述问题，本文提出兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制方法。首先，根据水箱的最低和最高液位阈值，计算出水箱相应的最低和最高液位容积，从而确定高位水箱的液位范围。其次，利用实时液位监测装置和红外线液位传感器，获取高位水箱实时液位数据。再次，将PID控制技术与模糊控制理论相结合，设定高位水箱液位开关自动控制参数。最后，将PID控制器输出值转换为开关信号，并与水箱最高和最低阈值进行比较，确定水箱液位开关信号的输出。在试验过程中，将本文方法与另外2种方法进行比较，结果表明，本文方法的超出高位液位和低于低位液位的高度最小，分别为82 cm和18 cm，并且响应速度最快，说明本文方法的自动控制效果最好。

关键词：变流器冷却系统；高位水箱；自动控制方法；液位变化" " 中图分类号：K 928" " 文献标志码：A

在现代工业领域中，变流器冷却系统的稳定运行直接关系整个电力系统的安全与效率。国外一些先进实验室和企业已经开发出高精度、高可靠性的液位自动控制系统，并在多个行业广泛应用。目前，国内科研机构和企业也取得了显著进展，液位自动控制技术的研发与应用正逐步与国际接轨。在该背景下，研究兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关的自动控制方法，对提升发电机组运行的安全、稳定和经济性具有重要意义。文献[1]采用模糊自适应PID策略优化高位水箱液位控制，利用模糊逻辑动态调整参数，直接驱动执行机构，以实现高效的自动液位调节。文献[2]提出基于机器视觉技术的高位水箱液位开关自动控制方法，利用双目视觉传感器采集高位水箱液位图像，再利用异步收发传输器，并根据液位图像生成自动控制指令。

本文研究兆瓦机组变流器冷却水箱液位自控方法，旨在助力于技术创新与应用，推动工业自动化控制进步。

1 兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制方法设计

1.1 确定高位水箱液位范围

在确定兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱的液位范围过程中，需要明确高位水箱的基本尺寸信息，进而根据水箱的长、宽和高计算水箱容积。然而，计算出的总容积还包括底部和顶部安全区等一些不可用水的部分。因此，在水箱总容积中排除不可用水部分容积，才是高位水箱的有效容积[3]。进而根据设计规范，设置水箱最低液位阈值，以保证在任何情况下，水箱中的水量都可以满足兆瓦机组变流器的冷却要求。同时设置水箱最高液位阈值，防止由水箱水量过满带来的安全隐患。因此，结合水箱长度和水箱宽度计算出对应的最低液位容积和最高液位容积，可以确定高位水箱的液位范围（即最低液位容积与最高液位容积之间）。

1.2 获取高位水箱实时液位数据

在获取高位水箱实时液位数据阶段，本文选择使用红外线液位传感器感应高位水箱内液位的变化。高位水箱实时液位监测装置由反射板和浮球组成，具体的实时液位监测装置如图1所示。

将反射板安装在高位水箱顶部，经连杆与浮球相连接，浮球浮于液面上，随液位变化在水箱内上、下浮动。由红外线液位传感器发射的红外线经反射板反射至传感器，并将液位高度变化的实时数据转化为相应的电信号，由电缆将电信号输出到控制器，进行相应的液位显示和控制[4]。该过程如公式（1）所示。

式中：h为液位实时高度；z为红外线传感器在当前液位下的电信号值；z0为红外线传感器在零液位，即水箱为空时的电信号值；ω为红外线传感器输出信号随液位变化的比例系数，即灵敏度。

根据上述过程，即可获取兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱实时液位变化数据。

1.3 设定高位水箱液位开关自动控制参数

上文获取的高位水箱实时液位数据经红外线传感器输出给控制器。本文选用PID控制，利用PID比例、积分和微分模块，调节设定值r（t）与输出值y（t）的偏差e（t）。控制器中这3个模块设定的参数会影响兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制效果[5]。利用PID控制的控制器表达式如公式（2）所示。

式中：u（t）为控制器输出值；Kp为增益时间常数；e（t）为当前时刻的偏差，即目标值与实际值之差；t为采样时间；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数。

由于传统的PID控制技术无法获得令人满意的控制效果，因此本文将传统PID控制技术与模糊控制理论相结合，实时在线调整PID的控制模块参数，以取得更精确的控制效果[6]。调整后的模糊自整定的PID控制参数如公式（3）所示。

式中：Kp0、Ki0和Kd0分别为PID控制器比例、积分和微分模块的初始控制参数；ΔKp、ΔKi和ΔKd分别为输出PID控制器的比例、积分和微分模块的控制参数修正量。

进行上述参数设定，能够实时调整PID控制参数，从而使高位水箱的液位开关自动控制更稳定。

1.4 输出高位水箱液位开关信号

根据公式（2），将输出值u（t）转换为开关信号，进而控制高位水箱液位开关，具体步骤如下所示。首先，根据已经确定的高位水箱液位范围，设定水箱最高液位阈值为Tmax、水箱最低液位阈值为Tmin。其次，在每个采样时间t内，将u（t）分别与最高、最低液位阈值进行比较。如果u（t）≥Tmax，那么表明当前液位需要调整，输出的开关信号为“开启出水口，关闭进水口”；如果u（t）≤Tmin，那么输出的开关信号为“关闭出水口，开启进水口”。此外，为了避免传感器延迟导致的开关信号切换频繁，还可以引入去抖动机制，即在开关信号实际改变前等待一段时间，确认其稳定后再执行操作[7]。

2 试验测试

为了验证本文设计的兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制方法的控制效果，本文选择与另外2种方法进行比较，并设计对比试验。本文设计方法为对照组方法一，文献[1]提出的基于模糊自适应PID的高位水箱液位开关自动控制方法为方法二，文献[2]提出的基于机器视觉技术的高位水箱液位开关自动控制方法为方法三。具体的试验设计如下所示。

2.1 实验平台搭建

根据试验目的，搭建相应的模拟实验平台。首先，将高位水箱安装在指定位置，保证高度差能够满足试验要求，并将进水管、出水管和阀门等管路连接至高位水箱与储水箱，保证不会泄漏。将液位传感器安装在高位水箱内的合适位置，保证能够精准检测到液位变化。其次，将输出信号接入PLC，PLC的输出信号接入变频调速器，并将水泵电机与变频调速器相连，保证水泵电机能够接受到调速信号。最后，将数据采集系统与上述装置进行连接，并设置数据采集参数。搭建的实验平台如图2所示。

2.2 试验参数设置

在兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制对比试验中，试验参数的设置对试验结果的准确性具有至关重要的影响。具体的试验参数见表1。

2.3 试验结果讨论

将水箱中的初始液位设定为60 cm并进行试验。分别对高位液位和低位液位进行自动控制，并利用3种自动控制方法阶跃响应曲线分析3种方法的响应速度，并以此为指标评估3种自动控制方法的控制效果。试验结果如图3～图5所示。

由图3数据可知，在高位液位为80 cm的情况下，方法一的响应时间最短且超出高位液位的高度最小，为82 cm，在第4 h即完成对液位的自动控制，并将液位高度保持在79.5 cm。方法二和方法三分别在第20 h和23 h完成对液位的自动控制，并且液位高度的最大值远超方法一。

由图4数据可知，在低位液位为20 cm的情况下，方法一的控制时间最短，仅为4.5 h，并且当液位高度为18 cm时即开始进行液位自动控制。方法而和方法三分别在第13 h和21 h完成对液位的自动控制，比方法一的控制时间更长。

由图5曲线可知，在0 s处给3种控制方法1 rad/s的阶跃信号，方法一到达幅值的时间为50 s，分别比方法二和方法三快了150 s和270 s，说明方法一的响应速度最快。综上所述，本文设计的兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关自动控制方法的控制效果最好。

3 结语

本文以兆瓦机组变流器冷却系统高位水箱液位开关的自动控制方法为核心，深入探讨了该领域的技术细节与实现策略，并利用理论分析与试验验证，为提升兆瓦级电力转换设备的运行稳定性与效率提供了有力支持。本文一方面优化了冷却系统的自动化管理水平，另一方面应用精准控制策略，降低了能耗，促进了绿色能源的高效利用。然而本研究仍然存在一些不足之处，还需要更深入地研究极端工况下液位开关的响应速度、精度提升以及系统间协同控制的进一步优化。未来将继续聚焦于兆瓦机组变流器冷却系统的高效、智能控制，突破现有技术瓶颈，提升系统整体的自动化与智能化水平；开发更先进的液位预测与自适应控制算法，以应对复杂多变的运行环境；加强系统间的信息交互与协同控制，进行冷却系统的全局优化。

参考文献

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[2]杨明，韩旭，金媛媛，等.基于机器视觉技术的船桥防碰撞自动控制系统[J].舰船科学技术，2023，45（5）：144-147.

[3]崔建弘，杨静宜，包丽媛，等.复杂光照背景下机器人激光测距姿态自动控制方法[J].激光杂志，2023，44（1）：194-198.

[4]沈大伟，张锐，亢玮冬.基于人工智能技术的船舶电气设备自动控制系统[J].舰船科学技术，2023，45（2）：163-166.

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