袁小華 付詩銘 高陽 于杰承

摘 要：本文通過對機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)功能要求的分析，選擇和研究了適用于控制系統(tǒng)的步進電機控制算法。通過調(diào)整專家自適應(yīng)PID參數(shù)，通過判斷算法，進而使步進電機得以運行控制，達到了機艙內(nèi)部的送風(fēng)和智能過濾系統(tǒng)過濾網(wǎng)的自動更替給進。通過對三組樣機采用輸出有功功率和機艙內(nèi)部齒輪箱溫度曲線的對比分析，總結(jié)出機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)使風(fēng)機的運行、發(fā)電效率能夠顯著的改善，可以解決目前風(fēng)機機艙環(huán)境現(xiàn)存問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機；機艙環(huán)境；自適應(yīng)PID算法；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.101

0 引言

由于大部分風(fēng)電場所處環(huán)境惡劣，大風(fēng)揚沙、霧霾嚴重，春天楊絮、柳絮漫天，夏季高溫等多種因素影響，導(dǎo)致風(fēng)機機艙、齒輪箱散熱片受到污染，灰塵堵塞冷卻系統(tǒng)進氣口，造成齒輪箱熱交換器性能下降，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱油溫過高，風(fēng)機限功率運行甚至停機。為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研發(fā)一個高效多元化、能同時滿足監(jiān)控、處理風(fēng)電問題的機組機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的是很有必要的。風(fēng)電機組機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)能夠有效提高機艙的清潔度，計劃同時解決齒輪箱散熱器由于污染造成的溫度過高，導(dǎo)致風(fēng)機故障停機的問題，并且實時監(jiān)視風(fēng)機機艙溫度等運行參數(shù)變化情況，通過對機艙內(nèi)部系統(tǒng)的智能自動調(diào)節(jié)，可以改善風(fēng)機的運行效率低，發(fā)電量小的缺點，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

本系統(tǒng)方案設(shè)計旨在實現(xiàn)改善機艙環(huán)境，減輕風(fēng)場運維強度，減少風(fēng)機齒輪箱油溫過高故障率，提高風(fēng)場的經(jīng)濟效益。風(fēng)電機組機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的方案設(shè)計，包括以下四部分。

（1）機艙智能通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、傳熱學(xué)理論、機械原理、研究機艙溫度變化規(guī)律，通過對不同種類型風(fēng)機的對比，選擇出適用于風(fēng)機機艙內(nèi)部散熱條件的類型，整體設(shè)計機艙環(huán)境通風(fēng)控制系統(tǒng)，提高機艙所具有的清潔度，從而也可以大大的降低其整體溫度。

（2）更加先進的智能過濾系統(tǒng)，然后選擇比較有效的過濾材料對阻力進行過濾，同時也具有較高的過濾效率以及容塵量等，對這些不同的指標(biāo)進行研究，選擇出先進的防塵材料和精準控制算法對齒輪箱熱交換器進行智能防塵控制處理，有效阻隔灰塵、柳絮、沙粒。

（3）控制算法的建模，通過對多種控制算法的比較及結(jié)合，對機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的控制算法進行確立，通過先進的傳感技術(shù)對機艙設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，控制算法通過對數(shù)據(jù)的計算與處理，實現(xiàn)對機艙環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)進行智能控制。

（4）開發(fā)機艙故障專家診斷系統(tǒng)，利用模糊邏輯原理在主控室建立風(fēng)機專家故障診斷系統(tǒng)，初步判斷機艙內(nèi)部的故障點及故障原因，提供風(fēng)機機艙故障診斷方案，為現(xiàn)場工作人員提供維護依據(jù)和解決方案。

2 自適應(yīng)PID算法的應(yīng)用

機艙智能控制系統(tǒng)主要是對控制系統(tǒng)當(dāng)中所采用的相應(yīng)控制算法做研究，通過其控制算法的確立實現(xiàn)根據(jù)機艙內(nèi)部溫度來控制系統(tǒng)中的步進電機進行智能運行，實現(xiàn)自動送風(fēng)，自動更替過濾網(wǎng)等動作。該系統(tǒng)的研發(fā)可以遠程控制保持機艙，保證機艙內(nèi)的溫度平衡和環(huán)境清潔，為運維人員減少工作量?？刂葡到y(tǒng)包括很多不同的組件，例如傳感器、控制器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口等?？刂破髦械膶?yīng)輸出都必須要通過對應(yīng)的輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，然后才能夠被加到對應(yīng)的被控系統(tǒng)當(dāng)中；對于控制系統(tǒng)中的被控量來說，首先它需要通過傳感器和變送器，然后再通過輸入接口直接被輸送到控制器當(dāng)中。通常情況下，不同控制系統(tǒng)、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)等各種器件也會表現(xiàn)出一定的區(qū)別。比如說對于壓力控制系統(tǒng)來說就需要通過壓力傳感器。而對于電加熱控制系統(tǒng)來說，則需要采用的是溫度傳感器。

本文采用的是專家自適應(yīng)PID算法，也就是說首先需要通過調(diào)制技術(shù)對整個電機的轉(zhuǎn)動進行自動控制。這種算法主要是以被控對象以及相應(yīng)的控制規(guī)律作為基礎(chǔ)，然后再通過專家系統(tǒng)把所有的知識應(yīng)用進來，最終形成一個更加優(yōu)化和實用化的控制系統(tǒng)。本次所設(shè)計的溫控系統(tǒng)，其最大的特征就在于具有大慣性以及大滯后性，因此在使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)的過程中基本上是沒有效果的，因此就需要使用PID控制的方式。

3 系統(tǒng)試驗分析

在本系統(tǒng)進行簡單的集成組合之后，將系統(tǒng)安裝在位于吉林省大安市風(fēng)電場進行測試，其并網(wǎng)容量為100MW，并選取其中三臺風(fēng)機進行測試，分別標(biāo)號為12#、13#和14#，并對13#風(fēng)機進行安裝機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)，風(fēng)機型號為東汽FD70-1500KW。通過對安裝了機艙環(huán)境智能控系統(tǒng)的13#樣機與未安裝該系統(tǒng)的12#、14#樣機的齒輪箱進行溫度傳感器安裝，并與SCADA系統(tǒng)進行連接，進行為期30天的測試數(shù)據(jù)收集，并得出SCADA生成曲線。

根據(jù)曲線可以看出，在大風(fēng)高溫天氣下，安裝了機艙環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的13#風(fēng)機，齒輪箱油溫明顯低于相鄰的未安裝該系統(tǒng)的12#、14#風(fēng)機，并能使溫度保持在趨于穩(wěn)定范圍內(nèi)，可見該系統(tǒng)能充分降低機艙內(nèi)部齒輪箱的溫度。

除了通過機艙溫度來測試機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的可行性以外，還可進行對比三組樣機的輸出有功功率來判斷該系統(tǒng)對風(fēng)機產(chǎn)生的影響。通過對安裝了機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的13#樣機與未安裝該系統(tǒng)的12#、14#樣機的SCADA系統(tǒng)進行最大概率法的鏈接，進行為期30天的測試數(shù)據(jù)收集，并得出SCADA生成曲線。由此曲線可以看出，安裝了機艙智能監(jiān)控系統(tǒng)的13#風(fēng)機運行更平穩(wěn)，在大風(fēng)高溫環(huán)境下風(fēng)機出力一直處于高水平發(fā)電狀態(tài)；相鄰未安裝該系統(tǒng)的12#、14#風(fēng)機出力不達標(biāo)，每運行幾個小時就會出現(xiàn)降出力運行，甚至停機的情況，造成不可利用小時數(shù)的增加和發(fā)電量損失。由此可以看出機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)對風(fēng)機的運行、發(fā)電效率起到了明顯的提升作用，進而帶來更多的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

本文通過對機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)所實現(xiàn)功能需求進行分析，選擇并研究出適用于機艙智能通風(fēng)系統(tǒng)與機艙智能過濾系統(tǒng)的步進電機控制算法。通過對PID算法以及專家自適應(yīng)PID算法等相關(guān)方法的應(yīng)用，與機艙智能控制系統(tǒng)控制原理進行結(jié)合，給出了步進電機控制

運行的邏輯判斷，實現(xiàn)了接受溫度傳感器所傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法判斷，從而對步進電機進行運行控制，實現(xiàn)了對機艙內(nèi)部進行送風(fēng)動作與智能過濾系統(tǒng)過濾網(wǎng)的自動更替給進，以提高風(fēng)電機組的發(fā)電效率。通過對三組風(fēng)機樣機進行了機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)進行了測試，對三組樣機機艙內(nèi)部齒輪箱溫度數(shù)據(jù)進行采集對比，進一步分析了機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟效益。隨后對機艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益進行了直接與間接的估計。

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