大型風力機液壓水冷卻控制系統(tǒng)研究

廖井明, 岳繼光, 郭　慧

(1.上海匯益控制系統(tǒng)股份有限公司,上海　201711; 2.同濟大學 控制科學與工程系,上?！?01804)

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大型風力機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.同濟大學 控制科學與工程系,上海201804)

摘要：本文根據(jù)水冷系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)中的熱量傳遞關系,建立大型風力機(3MW)液壓水冷卻系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型。針對常用的典型開關式冷卻方式,提出一種雙閉環(huán)PID控制方法并利用SIMULINK進行了仿真分析,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系曲線?？蔀榇笮惋L力機液壓系統(tǒng)的設計及提高可靠性提供參考。

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

1風力機液壓系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)的組成

水冷卻裝置是大型風力發(fā)電機組液壓系統(tǒng)常用的換熱設備。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風力發(fā)電機組低溫循環(huán)水在冷卻器中與油路中的高溫液壓油進行熱交換[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)液壓泵進入油路,在冷卻器中被降溫;最終系統(tǒng)達到熱平衡。冷卻系統(tǒng)原理油路結構圖如圖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風力發(fā)電機組液壓水冷系統(tǒng)由驅動電機(標號50,2.2kW、2900r/min),循環(huán)液壓泵(標號80,壓力10bar、排量4.8l/min)、冷卻器(標號230,2.2kW)及單向閥(標號240,8bar),循環(huán)過濾器(170,5μm),單向閥(標號190.4,0.5bar),電磁換向閥(三位四通閥,標號180),以及油箱等組成。

采用簡單的開關式冷卻方式的工作過程是:當3MW風力發(fā)電機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(50)驅動循環(huán)液壓泵(80)克服單向閥(190.4)的預設壓力值,經(jīng)過循環(huán)過濾器(170),再通過電磁換向閥(180),進入冷卻器(230)/單向閥(240),冷卻后重回油箱。這種簡單的開關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大型風力機液壓系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)建模與控制

2.1大型風力機液壓系統(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)水的質量,進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]關系分析的:低溫循環(huán)水經(jīng)過水冷卻器的熱量變化關系為:

(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與冷卻器的油質量、水質量、入口油溫及入口水溫均有關?？紤]節(jié)能及效率問題,大型風力機液壓系統(tǒng)應采用變量泵。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,以達到穩(wěn)定大型風力機液壓系統(tǒng)油溫的目的。其控制原理結構如圖4所示。

33MW風機液壓水冷系統(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。要達到的系統(tǒng)控制目標,兩個回路均采用PID調節(jié)器控制。系統(tǒng)的兩個輸入為設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風機液壓系統(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　大型風力機液壓水冷控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制結構圖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指令電壓(K′,K)為交流伺服調速的速度增益參數(shù),T(T′)為交流伺服調速的電氣時間常數(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仿真結果與分析

設系統(tǒng)的采樣時間為1s,仿真時間為30min。設定初始條件: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)變化相應曲線。圖9為系統(tǒng)總體達到熱平衡過程中,液壓油和循環(huán)冷卻水的溫度變化的動態(tài)響應曲線。

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

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分鐘左右的調節(jié)時間由60 ℃降到45 ℃,響應過程中最大偏差為2 ℃,超調量較小。循環(huán)冷卻水溫度同樣經(jīng)過15分鐘左右的調節(jié)時間吸熱后維持在60 ℃,且具有很小的超調量。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定值,且控制效果好,達到設計要求。

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

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

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

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：上海市科技攻關項目(12DZ1201400)

中圖分類號：

文獻標識碼：A