基于PID算法下机组机舱环境智能控制系统研发

袁小华 付诗铭 高阳 于杰承

摘 要：本文通过对机舱环境智能控制系统功能要求的分析，选择和研究了适用于控制系统的步进电机控制算法。通过调整专家自适应PID参数，通过判断算法，进而使步进电机得以运行控制，达到了机舱内部的送风和智能过滤系统过滤网的自动更替给进。通过对三组样机采用输出有功功率和机舱内部齿轮箱温度曲线的对比分析，总结出机舱环境智能控制系统使风机的运行、发电效率能够显著的改善，可以解决目前风机机舱环境现存问题。

关键词：风机；机舱环境；自适应PID算法；控制系统

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

0 引言

由于大部分风电场所处环境恶劣，大风扬沙、雾霾严重，春天杨絮、柳絮漫天，夏季高温等多种因素影响，导致风机机舱、齿轮箱散热片受到污染，灰尘堵塞冷却系统进气口，造成齿轮箱热交换器性能下降，导致风力发电机齿轮箱油温过高，风机限功率运行甚至停机。为风力发电设备研发一个高效多元化、能同时满足监控、处理风电问题的机组机舱环境智能控制系统的是很有必要的。风电机组机舱环境智能控制系统能够有效提高机舱的清洁度，计划同时解决齿轮箱散热器由于污染造成的温度过高，导致风机故障停机的问题，并且实时监视风机机舱温度等运行参数变化情况，通过对机舱内部系统的智能自动调节，可以改善风机的运行效率低，发电量小的缺点，提高风电场的经济效益。

1 系统设计及原理

本系统方案设计旨在实现改善机舱环境，减轻风场运维强度，减少风机齿轮箱油温过高故障率，提高风场的经济效益。风电机组机舱环境智能控制系统的方案设计，包括以下四部分。

（1）机舱智能通风系统，根据流体力学、空气动力学、传热学理论、机械原理、研究机舱温度变化规律，通过对不同种类型风机的对比，选择出适用于风机机舱内部散热条件的类型，整体设计机舱环境通风控制系统，提高机舱所具有的清洁度，从而也可以大大的降低其整体温度。

（2）更加先进的智能过滤系统，然后选择比较有效的过滤材料对阻力进行过滤，同时也具有较高的过滤效率以及容尘量等，对这些不同的指标进行研究，选择出先进的防尘材料和精准控制算法对齿轮箱热交换器进行智能防尘控制处理，有效阻隔灰尘、柳絮、沙粒。

（3）控制算法的建模，通过对多种控制算法的比较及结合，对机舱环境智能控制系统的控制算法进行确立，通过先进的传感技术对机舱设备运行状态进行监控，控制算法通过对数据的计算与处理，实现对机舱环境通风系统和过滤系统进行智能控制。

（4）开发机舱故障专家诊断系统，利用模糊逻辑原理在主控室建立风机专家故障诊断系统，初步判断机舱内部的故障点及故障原因，提供风机机舱故障诊断方案，为现场工作人员提供维护依据和解决方案。

2 自适应PID算法的应用

机舱智能控制系统主要是对控制系统当中所采用的相应控制算法做研究，通过其控制算法的确立实现根据机舱内部温度来控制系统中的步进电机进行智能运行，实现自动送风，自动更替过滤网等动作。该系统的研发可以远程控制保持机舱，保证机舱内的温度平衡和环境清洁，为运维人员减少工作量。控制系统包括很多不同的组件，例如传感器、控制器、变送器、执行机构、输入输出接口等。控制器中的对应输出都必须要通过对应的输出接口、执行机构，然后才能够被加到对应的被控系统当中；对于控制系统中的被控量来說，首先它需要通过传感器和变送器，然后再通过输入接口直接被输送到控制器当中。通常情况下，不同控制系统、传感器、变送器、执行机构等各种器件也会表现出一定的区别。比如说对于压力控制系统来说就需要通过压力传感器。而对于电加热控制系统来说，则需要采用的是温度传感器。

本文采用的是专家自适应PID算法，也就是说首先需要通过调制技术对整个电机的转动进行自动控制。这种算法主要是以被控对象以及相应的控制规律作为基础，然后再通过专家系统把所有的知识应用进来，最终形成一个更加优化和实用化的控制系统。本次所设计的温控系统，其最大的特征就在于具有大惯性以及大滞后性，因此在使用微分系数调节的过程中基本上是没有效果的，因此就需要使用PID控制的方式。

3 系统试验分析

在本系统进行简单的集成组合之后，将系统安装在位于吉林省大安市风电场进行测试，其并网容量为100MW，并选取其中三台风机进行测试，分别标号为12#、13#和14#，并对13#风机进行安装机舱环境智能控制系统，风机型号为东汽FD70-1500KW。通过对安装了机舱环境智能控系统的13#样机与未安装该系统的12#、14#样机的齿轮箱进行温度传感器安装，并与SCADA系统进行连接，进行为期30天的测试数据收集，并得出SCADA生成曲线。

根据曲线可以看出，在大风高温天气下，安装了机舱环境智能监控系统的13#风机，齿轮箱油温明显低于相邻的未安装该系统的12#、14#风机，并能使温度保持在趋于稳定范围内，可见该系统能充分降低机舱内部齿轮箱的温度。

除了通过机舱温度来测试机舱环境智能控制系统的可行性以外，还可进行对比三组样机的输出有功功率来判断该系统对风机产生的影响。通过对安装了机舱环境智能控制系统的13#样机与未安装该系统的12#、14#样机的SCADA系统进行最大概率法的链接，进行为期30天的测试数据收集，并得出SCADA生成曲线。由此曲线可以看出，安装了机舱智能监控系统的13#风机运行更平稳，在大风高温环境下风机出力一直处于高水平发电状态；相邻未安装该系统的12#、14#风机出力不达标，每运行几个小时就会出现降出力运行，甚至停机的情况，造成不可利用小时数的增加和发电量损失。由此可以看出机舱环境智能控制系统对风机的运行、发电效率起到了明显的提升作用，进而带来更多的经济效益。

4 结论

本文通过对机舱环境智能控制系统所实现功能需求进行分析，选择并研究出适用于机舱智能通风系统与机舱智能过滤系统的步进电机控制算法。通过对PID算法以及专家自适应PID算法等相关方法的应用，与机舱智能控制系统控制原理进行结合，给出了步进电机控制

运行的逻辑判断，实现了接受温度传感器所传数据，经过算法判断，从而对步进电机进行运行控制，实现了对机舱内部进行送风动作与智能过滤系统过滤网的自动更替给进，以提高风电机组的发电效率。通过对三组风机样机进行了机舱环境智能控制系统进行了测试，对三组样机机舱内部齿轮箱温度数据进行采集对比，进一步分析了机舱环境智能控制系统所带来的经济效益。随后对机舱环境智能控制系统的经济效益进行了直接与间接的估计。

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