廖井明, 岳繼光, 郭　慧

(1.上海匯益控制系統(tǒng)股份有限公司,上?！?01711; 2.同濟(jì)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系,上?！?01804)

?

大型風(fēng)力機(jī)液壓水冷卻控制系統(tǒng)研究

廖井明1, 岳繼光2, 郭慧2

(1.上海匯益控制系統(tǒng)股份有限公司,上海201711; 2.同濟(jì)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系,上海201804)

摘要：本文根據(jù)水冷系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)中的熱量傳遞關(guān)系,建立大型風(fēng)力機(jī)(3MW)液壓水冷卻系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對常用的典型開關(guān)式冷卻方式,提出一種雙閉環(huán)PID控制方法并利用SIMULINK進(jìn)行了仿真分析,得到系統(tǒng)中循環(huán)水溫度與需要冷卻的液壓油之間的溫度相互影響關(guān)系曲線?？蔀榇笮惋L(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計及提高可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓水冷卻; 熱量傳遞; 動態(tài)模型; 控制系統(tǒng)仿真

1風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)的組成

水冷卻裝置是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓系統(tǒng)常用的換熱設(shè)備。液壓系統(tǒng)中20%-30%的熱量需要經(jīng)由冷卻系統(tǒng)吸收掉[1]。水冷卻系統(tǒng)大多依賴于工程經(jīng)驗采用超閾值冷卻方法,常常忽視水冷卻系統(tǒng)也需要良好的控制,才能延長液壓系統(tǒng)的運行周期。

3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低溫循環(huán)水在冷卻器中與油路中的高溫液壓油進(jìn)行熱交換[2],經(jīng)降溫后的液壓油流回油箱,混合后的液壓油再經(jīng)由循環(huán)液壓泵進(jìn)入油路,在冷卻器中被降溫;最終系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。冷卻系統(tǒng)原理油路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　冷卻系統(tǒng)油路示意圖Fig.1　Schematic diagram of oil circuit of cooling system

由圖1可以看出:3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓水冷系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)(標(biāo)號50,2.2kW、2900r/min),循環(huán)液壓泵(標(biāo)號80,壓力10bar、排量4.8l/min)、冷卻器(標(biāo)號230,2.2kW)及單向閥(標(biāo)號240,8bar),循環(huán)過濾器(170,5μm),單向閥(標(biāo)號190.4,0.5bar),電磁換向閥(三位四通閥,標(biāo)號180),以及油箱等組成。

采用簡單的開關(guān)式冷卻方式的工作過程是:當(dāng)3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組溫度控制檢測到液壓油溫升至某個溫度值時(實際系統(tǒng)設(shè)為60℃),電磁換向閥(180)得電,使油路由工作位P至A變?yōu)槔鋮s位P至B。液壓油經(jīng)電機(jī)(50)驅(qū)動循環(huán)液壓泵(80)克服單向閥(190.4)的預(yù)設(shè)壓力值,經(jīng)過循環(huán)過濾器(170),再通過電磁換向閥(180),進(jìn)入冷卻器(230)/單向閥(240),冷卻后重回油箱。這種簡單的開關(guān)式冷卻方式的特點是控制簡單,易于實現(xiàn);不足之處在于液壓油的溫度控制不連續(xù);容易引起油品變化。

2大型風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)建模與控制

2.1大型風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)建模

水冷單元的工作原理[3]如圖2所示。

圖2　水冷卻器原理圖Fig.2　Schematic diagram of water cooler

m油、Ti、To分別代表流經(jīng)水冷單元的液壓油的質(zhì)量,流入水冷單元的高溫液壓油溫度和流出水冷單元的低溫液壓油溫度。m水,Ti′,To′分別代表流經(jīng)水冷單元的循環(huán)水的質(zhì)量,進(jìn)入水冷單元低溫循環(huán)水溫度和流出水冷單元的高溫循環(huán)水溫度。由高溫液壓油回路的熱量傳遞關(guān)系分析得:

(1)

同理,根據(jù)對低溫循環(huán)水回路的熱量傳遞[4,5,6]關(guān)系分析的:低溫循環(huán)水經(jīng)過水冷卻器的熱量變化關(guān)系為:

(2)

式(2)中,W2為低溫循環(huán)水回路的熱容量,W2=m水·c水+mb·cb。方程(1)和(2)中,平均溫差ΔTm可以取為對數(shù)平均溫差:

將方程(1)和(2)等號兩邊分別相加并寫成增量形式，則有

(3)

對式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換并整理得:

(4)

式(3)或(4)即為水冷卻系統(tǒng)輸入/輸出動態(tài)模型。

2.2冷卻控制系統(tǒng)

由式(4)可以看出:液壓油經(jīng)水冷卻系統(tǒng)降溫后的輸出溫度To與冷卻器的油質(zhì)量、水質(zhì)量、入口油溫及入口水溫均有關(guān)。考慮節(jié)能及效率問題,大型風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)采用變量泵。取液壓油入口流量Q油及冷卻水入口流量Q水為控制變量,則由方程(1),(2)得水冷卻系統(tǒng)的被控系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3　被控系統(tǒng)(水冷卻器)框圖Fig.3　 Schematic diagram of controlled system (water cooler)

將變量泵等效為一個一階慣性環(huán)節(jié)。此外由于管路管徑限制,還要附加一個飽和非線性環(huán)節(jié)。本文提出一種雙閉環(huán)PID控制方法,分別控制油及冷卻水流量,以達(dá)到穩(wěn)定大型風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)油溫的目的。其控制原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

33MW風(fēng)機(jī)液壓水冷系統(tǒng)仿真建模

如圖4所示水冷系統(tǒng)由兩個回路組成,即高溫液壓油和循環(huán)冷卻水回路。要達(dá)到的系統(tǒng)控制目標(biāo),兩個回路均采用PID調(diào)節(jié)器控制。系統(tǒng)的兩個輸入為設(shè)定的冷卻后油溫和冷卻器出口水溫,K1,K2為溫度傳感器比例系數(shù)。以3 MW風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)為例,冷卻器換熱系數(shù)K=700 W/m2·k,冷卻面積Ad=4m2,循環(huán)水泵流量q水=30L/min,ρ水=1 000kg/m3,ρ油=900kg/(m3),C水=4 180J/(kg·℃),C油=1 800J/(kg·℃),油箱體積V=250L。

圖4　大型風(fēng)力機(jī)液壓水冷控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4　 Double closed-loop control structure of huge wind turbine hydraulic water-cooling system

基于水冷卻系統(tǒng)控制原理和方程(1)—(4),建立SIMULINK仿真模型如圖5所示,圖6為對數(shù)平均溫差仿真計算子模塊。PID控制器被控對象為交流伺服電機(jī)指令電壓(K′,K)為交流伺服調(diào)速的速度增益參數(shù),T(T′)為交流伺服調(diào)速的電氣時間常數(shù)。系統(tǒng)中K=0.02,T=T′=0.002/60,K′=0.14,非線性限幅模塊限定油流量值4.8L/min,循環(huán)水流量值30L/min。液壓油回路PID整定參數(shù)P=1,I=4,D=0.001。循環(huán)冷卻水回路PID整定參數(shù)P=0.2,I=2,D=0.001。

圖5　3MW液壓水冷系統(tǒng)仿真模型Fig..5　SIMULINK model

圖6　對數(shù)平均溫差仿真計算子模塊Fig.6　 Simulation calculation submodule of logarithmic mean temperature difference

4仿真結(jié)果與分析

設(shè)系統(tǒng)的采樣時間為1s,仿真時間為30min。設(shè)定初始條件:高溫液壓油溫度為Ti=60 ℃,循環(huán)水溫度Ti′=30 ℃。運行仿真模型,得到圖7、8分別高溫液壓油和低溫循環(huán)水流量動態(tài)變化相應(yīng)曲線。圖9為系統(tǒng)總體達(dá)到熱平衡過程中,液壓油和循環(huán)冷卻水的溫度變化的動態(tài)響應(yīng)曲線。

由圖7和圖8可得,高溫液壓油流量在15分鐘左右內(nèi)輸出穩(wěn)定在1.7L/min(<4.8L/min),且在動態(tài)響應(yīng)過程中有較好的超調(diào)量,最大偏差控制在1L/min內(nèi)。低溫循環(huán)水流量同樣在15分鐘左右內(nèi)輸出穩(wěn)定控制在19L/min(<30L/min),且動態(tài)響應(yīng)過程中有較小的超調(diào)量,最大偏差小于1L/min。兩個輸出流量符合3MW液壓系統(tǒng)的設(shè)計值,可以達(dá)到實際工況流量控制目標(biāo)。

圖7　高溫液壓油流量變化曲線Fig.7　 The curves of flow of high temperature hydraulic oil

圖8　低溫循環(huán)水流量變化曲線Fig.8　 The curves of flow of Low temperature circulating water

由圖9看出:整個系統(tǒng)中的油溫(油箱和油路中的所有液壓油的溫度)經(jīng)過約15分鐘左右的調(diào)節(jié)時間由60 ℃降到45 ℃,響應(yīng)過程中最大偏差為2 ℃,超調(diào)量較小。循環(huán)冷卻水溫度同樣經(jīng)過15分鐘左右的調(diào)節(jié)時間吸熱后維持在60 ℃,且具有很小的超調(diào)量。系統(tǒng)的液壓油溫度和循環(huán)水溫度都能精確的控制在設(shè)定值,且控制效果好,達(dá)到設(shè)計要求。

圖9　 3MW水冷系統(tǒng)溫度變化動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.9　 Dynamic response curve of temperature variation of 3MW water-cooling system

參考文獻(xiàn):

[1]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998.

[2]王芳,武俊梅,黃翔,等.管式間接蒸發(fā)空氣冷卻器傳熱傳質(zhì)模型的建立及驗證[J].制冷與空調(diào)(北京),2010,10(1):45-50.

[3]馬量,韓雪峰,嚴(yán)峻.船舶主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)的建模與動態(tài)仿真[J].計算機(jī)仿真,2009,26(4):105-108.

[4]許曉彥.主柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)高溫部分的動態(tài)仿真[J].上海海運學(xué)院學(xué)報,1999,20(4):37-42.

[5]王正林,王勝開,陳國順,王祺.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].電子工業(yè)出版社,2008.

[6]何仁斌.MATLAB工程應(yīng)用及計算[M].重慶:重慶大學(xué)出版社。2001.

廖井明男(1982-),江西龍南人,工程師,主要研究方向為大型風(fēng)力機(jī)液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

岳繼光男(1961-),河北唐山人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為先進(jìn)測控系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

Research on Water Cooling Control System for Hydraulic System of Huge Wind TurbineLIAOJingming1,YUEJiguang2,GUOHui2

(1.Shanghai Huiyi Control System Co.,Ltd,Shanghai 201711,China;

2.Department of Control Science &Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Abstract：Hydraulic system of huge wind turbine should be maintained within certain temperature range to keep the system operated normally.Hydraulic oil overheating will causes the deterioration of hydraulic oil and influences the operational reliability.According to the operating principle and heat transfer relations of water cooling system,a dynamic math model of 3MW hydraulic water cooling system for huge wind turbine was built in this paper.For commonly used switch type cooling method,in order to get the mutual influence relationship between high-temperature hydraulic oil and low-temperature cooling water,this paper proposes a double-closed-loop PID control method and uses SIMULINK to get simulation results.These results can provide re ference for improving the reliability and designing of hydraulic system for huge wind turbine.

Key words：hydraulic water cooling; heat transfer; dynamic model; control system simulation

基金項目：上海市科技攻關(guān)項目(12DZ1201400)

中圖分類號：

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A