CN111396268A - 一种风电机组机舱环境监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组机舱环境监测方法和装置，所述方法通过控制风电机组机舱中的步进电机，对所述风电机组机舱进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进，该方法具体为，实时采集风电机组机舱环境温度，采用基于微分滑模算法的控制策略，根据风电机组机舱环境温度，控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量。与现有技术相比，本发明具有控制精度高、能延长机舱设备的使用寿命、保证机舱内的温度平衡和环境清洁等优点。

Description

一种风电机组机舱环境监测方法和装置

技术领域

本发明涉及风电机组机舱环境监测领域，尤其是涉及一种风电机组机舱环境监测方法和装置。

背景技术

风力发电机组作为一种高空运行的大型复杂机械装备。运输、吊装、维修等方面成本较高，要求风电机组必须具备高可靠性和高可利用率。近年来的调查表明，很多机组都面临着各种各样的故障问题，如超温停机、火灾事故、部件失效等，直接影响着风力发电机组的可利用率，严重制约了风力发电机组的可回收成本。目前，专家或学者对机舱内部环境监测的研究主要集中于减少单个热源部件发热量、改善机舱内部布局结构和优化机舱内部的空调系统三方面，对于改善风力发电机组的超温问题有很大帮助，具有一定的现实意义。但机舱内环境监测的散热性能无法有效提高，对机舱内部故障的发生不能起到很好的指示性作用。

减少单个热源部件发热量的方式由于只针对机舱内部的齿轮箱或主轴发热进行单一降温改善，并不能整体降低机舱内温度，而且持续时间不长久；改善机舱内部布局结构的方式主要是对风机的机体进行开口或增加安装风扇散热，极大的提高了风机运行的风险，并且增加了风机制造、改造的经济性，在目前没有投入改造使用；优化机舱内部的空调系统表现为当风机齿轮箱过温时，通过提高润滑系统的换热能力，增加系统中“风/油冷却器”的当量冷却功率，不改变原有油路及风机结构的情况下，设计更换更大功率的冷却器来降低齿轮箱油温，但会影响到齿轮箱的使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能有效提高风电机组机舱环境散热性的一种风电机组机舱环境监测方法和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种风电机组机舱环境监测方法，该方法通过控制风电机组机舱中的步进电机，对所述风电机组机舱进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进，该方法具体为，实时采集风电机组机舱环境温度，采用基于微分滑模算法的控制策略，根据风电机组机舱环境温度，控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量。

进一步地，所述基于微分滑模算法的控制策略的表达式为：

式中，i′_q为步进电机的Q轴电流对时间的导数，J为步进电机的转动惯量，P_n为步进电机的极对数，ψ_f为步进电机的转子磁链幅值，B为步进电机的阻尼系数，c为第一常数，c＞0，ω′_m为步进电机的机械角速度对时间的导数，sgn(·)为符号函数，ε为第二常数，q为第三常数，ε,q＞0。

进一步地，所述控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量具体为，通过调节所述第一常数，实现对所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量的控制。

进一步地，调节所述第一常数具体为，当所述风电机组机舱环境温度大于预设的第一值时，减小所述第一常数的数值；当所述风电机组机舱环境温度小于预设的第一值时，增大所述第一常数的数值。

进一步地，通过调节所述第二常数和所述第三常数，抑制送风动作与过滤系统过滤网给进动作的抖动。

进一步地，所述基于微分滑模算法的控制策略的建立具体为，建立步进电机模型；选取线性微分滑模面和趋近律；将步进电机模型、线性微分滑模面和趋近律联立，获取基于微分滑模算法的控制策略。

进一步地，所述步进电机模型包括电压方程、定子磁链方程、步进电机的电磁转矩方程和步进电机的机械运动方程。

进一步地，所述线性微分滑模面的表达式为：

s_v＝e′_v+ce_v

式中，s_v为线性微分滑模面函数，c为第一常数，c＞0，ω_m为步进电机的机械角速度，

为步进电机的参考机械角速度。

进一步地，所述趋近律的表达式为：

s′_v＝-εsgn(s_v)-qs_v,ε,q＞0

式中，s′_v为线性微分滑模面函数对时间的导数，sgn()为符号函数，s_v为线性微分滑模面函数，ε为第二常数，q为第三常数，ε,q＞0。

本发明还提供一种风电机组机舱环境监测装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上述的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明针对风机机舱的散热性问题，提出基于微分滑模算法的步进电机控制策略，从而提高机舱内送风动作与过滤网自动更替给进时的精度，从而满足机舱环境温度要求，实现根据机舱内部温度来控制系统中步进电机的智能运行。

(2)本发明可以远程控制保证机舱内的温度平衡和环境清洁，减少运维人员工作量，有效延长机舱设备的使用寿命，并为后期检修提供宝贵的技术支撑。

(3)本发明基于微分滑模算法的步进电机控制策略是在被控对象的基础上，通过选用线性微分滑模面，并结合适当的趋近律，得出被控对象控制律的方法，该算法对外界的扰动不敏感，同时也能够有效的降低控制系统的抖动性。

附图说明

图1为本发明基于微分滑模算法的控制策略的仿真模型图；

图2为本发明实施例中样机齿轮箱温度对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种风电机组机舱环境监测方法，用于大型风电机组机舱环境监测，该方法针对大型风电机组机舱环境温度监测时，散热性无法有效提高的问题，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控制系统的步进电机精准控制算法。采用微分滑模算法对步进电机进行精确控制，实现了对机舱内部进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进。通过对两组样机进行机舱内部齿轮箱温度曲线对比分析，得出机舱环境控制系统对风机的散热性得到了明显的降低，能够解决目前风机机舱环境现存问题。

下面对本实施例风电机组机舱环境监测方法的具体步骤、微分滑模算法的推导过程和具体试验进行详细描述。

一、具体步骤

本实施例提供的一种风电机组机舱环境监测方法，通过控制风电机组机舱中的步进电机，对风电机组机舱进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进该方法具体为，实时采集风电机组机舱环境温度，采用基于微分滑模算法的控制策略，根据风电机组机舱环境温度，控制送风动作与过滤系统过滤网的给进量。

基于微分滑模算法的控制策略的表达式为：

式中，i′_q为步进电机的Q轴电流对时间的导数，J为步进电机的转动惯量，P_n为步进电机的极对数，ψ_f为步进电机的转子磁链幅值，B为步进电机的阻尼系数，c为第一常数，c＞0，ω′_m为步进电机的机械角速度对时间的导数，sgn(·)为符号函数，ε为第二常数，q为第三常数，ε,q＞0。

控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量具体为，通过调节所述第一常数，实现对所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量的控制。

调节所述第一常数具体为，当所述风电机组机舱环境温度大于预设的第一值时，减小所述第一常数的数值；当所述风电机组机舱环境温度小于预设的第一值时，增大所述第一常数的数值。

通过调节所述第二常数和所述第三常数，抑制送风动作与过滤系统过滤网给进动作的抖动。

本实施例还提供一种风电机组机舱环境监测装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上述的风电机组机舱环境监测方法的步骤。

二、微分滑模算法的推导过程

2.1、步进电机的模型分析

通过矢量分析，得出步进电机在DQ轴坐标轴下的数学模型如下。

1)电压方程为：

式中：u_d、u_q分别是电机的D和Q轴电压；ψ_d、ψ_q分别是电机的D轴和Q轴磁链；R是电机定子电阻；i_d、i_q分别是电机的D和Q轴电流；

是微分算子。

2)定子磁链方程：

式中：L_d、L_q分别是电机的D和Q轴电感；ψ_f转子磁链幅值。

3)电机的电磁转矩方程：

式中：T_e是电磁转矩；P_n是电机的极对数。

4)电机的机械运动方程：

式中：J是电机的转动惯量；T_L是电机的负载转矩，在本实施例中表示电机所带负载值的大小，对整个系统影响较小，故令为常数；B是电机的阻尼系数；ω_m是电机的机械角速度。

令i_d＝0，将(3)式带入(4)式得：

式中：ω′_m是电机机械角速度的一阶导数。

公式(5)中，P_n、ψ_f、T_L、B、J都是常数，只有i_q和ω_m是与时间t相关的函数。

因为负载转矩T_L为常数，则对(5)式求导得：

式中：ω″_m是电机机械角速度的二阶导数。

2.2、选取线性微分滑模面

设计如下的微分滑模面函数：

s_v＝e′_v+ce_v (7)

式中：c为常数，c＞0；e_v是系统的状态变量,e′_v是系统状态变量的一阶导数，

其中，

为电机的参考转速。

对(7)式求对时间的一阶导数：

s′_v＝e″_v+ce′_v (8)

2.3、选取趋近律

为减弱系统抖振并使系统具有良好的趋近性能，选取指数趋近律：

s′_v＝-εsgn(s_v)-qs_v,ε,q＞0 (9)

式中：sgn()为符号函数；ε，q均为常数。

2.4、计算基于微分滑模算法的控制策略

联立(5)～(9)式，得出该滑模算法的控制律为：

常数c越大，控制系统对机舱内部进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进量越小；反正c越小，给进量越大。ε相对较小，q适当变大，能够有效的抑制设备给进动作的抖动。

三、具体试验

3.1、搭建仿真模型

依据以上控制律，搭建控制步进电机的速度仿真模型，在MATLAB/Simulink仿真环境下搭建模型如图1所示。

通过对系统的不断调试，在ε＝10，q＝100的条件下，调节图1中常数2对应的c值，能够按需要调节系统对机舱内部进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进量。当机舱内的温度大于80℃的时候，c取较小值，从而给进量大，机舱散热快；当机舱内的温度小于80℃的时候，c取较大值，从而给进量小，机舱散热正常。

3.2、样机齿轮箱温度对比分析

通过对安装了机舱环境智能控制系统的2#样机与未安装该系统的1#样机的齿轮箱进行温度传感器安装，并对一天24h的温度测试数据进行收集，生成曲线如图2所示。由图可知，在大风高温天气下，安装了机舱环境智能监控系统的2#风机，齿轮箱油温明显低于相邻的未安装该系统的1#风机，并能使温度保持在趋于稳定范围内。

随着风力发电机组在微电网内渗透率的逐渐增加，对于风机机舱环境监测系统的研究愈发迫切，要求也逐渐升高，更好的散热性能是未来发展的主要趋势。在复杂条件下运行风力发电机组，通过对舱内热源部件发热量的观察来研究不同环境导致的机组内部温度变化机制，常规的减少单个热源部件发热量、改善机舱内部布局结构和优化机舱内部的空调系统，无法有效提高散热性能，对于超温停机、火灾事故、部件失效等故障问题不能起到很好的警示和预防作用。本实施例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过滤系统的步进电机滑模控制算法，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，保持机舱内的温度平衡和环境清洁。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组机舱环境监测方法，该方法通过控制风电机组机舱中的步进电机，对所述风电机组机舱进行送风动作与过滤系统过滤网的自动更替给进，其特征在于，该方法具体为，实时采集风电机组机舱环境温度，采用基于微分滑模算法的控制策略，根据风电机组机舱环境温度，控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述基于微分滑模算法的控制策略的表达式为：

式中，i′_q为步进电机的Q轴电流对时间的导数，J为步进电机的转动惯量，P_n为步进电机的极对数，ψ_f为步进电机的转子磁链幅值，B为步进电机的阻尼系数，c为第一常数，c＞0，ω′_m为步进电机的机械角速度对时间的导数，sgn(·)为符号函数，ε为第二常数，q为第三常数，ε,q＞0。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述控制所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量具体为，通过调节所述第一常数，实现对所述送风动作与过滤系统过滤网的给进量的控制。

4.根据权利要求3所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，调节所述第一常数具体为，当所述风电机组机舱环境温度大于预设的第一值时，减小所述第一常数的数值；当所述风电机组机舱环境温度小于预设的第一值时，增大所述第一常数的数值。

5.根据权利要求2所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，通过调节所述第二常数和所述第三常数，抑制送风动作与过滤系统过滤网给进动作的抖动。

6.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述基于微分滑模算法的控制策略的建立具体为，建立步进电机模型；选取线性微分滑模面和趋近律；将步进电机模型、线性微分滑模面和趋近律联立，获取基于微分滑模算法的控制策略。

7.根据权利要求6所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述步进电机模型包括电压方程、定子磁链方程、步进电机的电磁转矩方程和步进电机的机械运动方程。

8.根据权利要求6所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述线性微分滑模面的表达式为：

s_v＝e′_v+ce_v

式中，s_v为线性微分滑模面函数，c为第一常数，c＞0，ω_m为步进电机的机械角速度，

为步进电机的参考机械角速度。

9.根据权利要求6所述的一种风电机组机舱环境监测方法，其特征在于，所述趋近律的表达式为：

s′_v＝-εsgn(s_v)-qs_v,ε,q＞0

式中，s′_v为线性微分滑模面函数对时间的导数，sgn()为符号函数，s_v为线性微分滑模面函数，ε为第二常数，q为第三常数，ε,q＞0。

10.一种风电机组机舱环境监测装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1～9任一所述的方法的步骤。

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