風電機組葉片振動液壓控制設計
我國沿岸很多地方風能資源豐富, 風能發展潛力巨大，具備很好的開發前景，通過在這些地點建立風電機組可以充分利用這些能源，創造巨大的經濟價值。
風電機組控制系統是整個發電機組的核心，直接影響著整個發電系統的性能。由于風電機組葉片受到陣風推力產生的軸向方向上的載荷巨大，風速的微小變化就會引起軸向力較大的變化，引起葉片在軸向方向上振動，所以設計合理的控制系統對葉片進行降載減振將降低葉片，輪轂以及其他相關部件載荷，對風電機組的運行壽命起著至關重要的作用?，F有風電機組控制系統通過設置變槳機構，在風速過大的時候，變換槳葉角度來改變葉片處的空氣入流角，減小葉片受到的軸向載荷，但是變槳動作所需要的扭矩巨大，同時葉片本身具有較大的轉動慣量，作為變槳執行機構的低速大扭矩電機的響應時間延遲較大，不能及時的進行變槳動作，導致葉片軸向方向上振動過大，載荷過高，無法達到葉片所能承受的范圍，影響葉片以及整個機組的性能和壽命，導致風電機組維護成本巨大。
本文提出的風電機組葉片振動液壓控制系統，包括葉片振動信號處理系統、振動控制計算系統和振動液壓控制執行系統。其中，葉片振動信號處理系統由振動加速度傳感器和濾波器構成，振動控制計算系統由PID 控制器構成，振動液壓控制執行系統由液壓減震器構成。
風電機組葉片振動信號處理系統
葉片是風電機組的主要部件，其結構強度直接影響到風電機組的工作效率和運行可靠性。風電機組葉片的工作環境除了承受變化的空氣動力外，還受到本身慣性力以及機艙帶來的負荷，很容易發生振動。
風電機組的葉片上安裝振動加速度傳感器。由于風速變化而引起葉片在軸向方向上產生振動，該振動加速度傳感器能夠對葉片振動的加速度數值進行采集測量，反應葉片振動的運動性質。由于風電機組的機艙工作受到風速流動的推力和壓力，以及溫度變化等方面的影響，應采取工作頻率范圍較寬、堅固耐用以及受到外界干擾較小的傳感器。本風電機組振動液壓控制系統采用壓電式加速度傳感器，它具有壓電材料受力產生電荷信號無需外界電源、抗干擾能力強、對工作環境不敏感的特點，利用彈簧質量系統原理，在傳感器芯體質量受到振動加速度作用后產生一個與該加速度成正比的力，傳感器的壓電材料受此力作用后在其表面上形成與這一力成正比的電荷信號，完成對塔筒前后加速度的測量。由于振動加速度傳感器測量出的加速度信號會受到測量過程中產生的噪聲的影響，所以需要在振動加速度傳感器之后連接濾波器對采集到的信號進行濾波，其中采用低通濾波器為:
其中s 為拉普拉斯變換變量，z 為低通濾波器的阻尼系數，w 為低通濾波器的頻率。葉片振動加速度信號在經過濾波器進行濾波處理之后，去除噪聲對信號的影響，消除產生的毛刺噪聲，保證整個信號的穩定性和有效性以及控制系統的性能。
風電機組振動控制計算系統
風電機組振動控制計算系統先將接收到的振動加速度信號的測量值和一個預先設定的參考信號進行比較，然后把比較后得出的差值傳給PID 控制器計算出控制器的輸出值，即液壓減震器節流孔的流通面積，以得到預期的減少葉片振動的控制效果。其中PID 控制器為：
這里u 為PID 控制器的輸出，KP，KI，KD 分別為比例，積分和微分系數，e 為接收到的振動加速度信號的測量值和預先設定的參考值差值。
該控制器中放大比例環節會使系統動作迅速，反應速度快，穩態誤差變小，但比例系數過大會使系統的振蕩次數增加，調節時間變長。積分環節可消除系統的穩態誤差，提高系統的無差度。微分環節可以提高系統動態特性，反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。風電機組葉片振動的能量受到葉片阻尼的影響進行衰減，根據阻尼使振動停止的效果不同，可以分為欠阻尼，過阻尼和臨界阻尼。這三種阻尼振動的方式不同，當阻尼取一個特定的數值的時候，塔筒前后振動會很快地靠近平衡位置，以臨界阻尼回到平衡位置所需時間短，其阻尼數值小于過阻尼，而大于欠阻尼。所以根據風速變化造成的葉片振動的大小，通過該控制系統進行葉片控制實際調節了葉片的阻尼特性，使其達到臨界阻尼狀態，能夠有效的消除振動的影響。通過綜合考慮風電機組的動態性能和靜態性能，對PID 三個控制系數進行合理的設定逐步的調節，能夠兼顧系統穩定快速以及對目標參考曲線的快速跟蹤，滿足控制性能的要求。PID 控制器計算出控制輸出即液壓減震器節流孔的流通面積以后，將該控制輸出信號傳給振動液壓控制執行系統。
風電機組振動液壓控制執行系統
風電機組液壓控制執行系統接收PID 控制器輸出的控制信號，通過改變液壓減震器節流孔的流通面積調節振動阻尼系數的大小，輸出信號到被控對象風電機組葉片上，可以改善葉片因風速變化引起的振動現象。液壓減震器工作力矩較大，控制精度較高，能夠滿足減小葉片振動的要求。液壓減震器中K 為彈性剛度，A 為液壓減震器活塞上的節流孔， δ 為減震器的阻尼系數，m 為葉輪質量。液壓減震器的活塞液壓缸里充滿黏性液壓油，活塞上有節流孔A，使得上下腔中的油液互相流動。油液通過節流孔A 時將產生阻尼，節流孔越小，油的黏度越大，阻尼力越大。在葉片上下振動時，減振器活塞上下移動，彈性系統的振動被減振器阻尼吸收。減震器的阻尼系數δ 為：
其中，ρ 為液壓油的密度，B 為液壓缸工作面積，C 為閥口流量系數。由上面的公式可知，通過調整節流口孔A的流通面積，可以調整減震器的阻尼系數δ。對于葉片在軸向方向上的振動系統來說，其振動阻尼比ξ 為：
其中K 為彈性剛度， δ 為減震器的阻尼系數，m 為葉輪質量。
因為葉片軸向方向上的振動是周期衰減振動，阻尼比ξ 的大小決定了葉片振動的運動性能。對于葉片低頻的振動，阻尼比ξ 對系統的影響不大，可以將阻尼比調整為較小的數值。對于葉片振動比較明顯的共振段，需要加大阻尼比ξ，降低系統振動的峰值。對于葉片振動的高頻段，系統自身對于輸入的振動位移具有減弱的作用，阻尼比在高頻振動的情況下對系統的影響變小，需要降低阻尼比ξ，降低系統的能量損失。所以液壓減振器接收PID 控制器輸出的控制信號，將液壓減震器節流孔的流通面積A 調整到PID 控制器給出的數值，就改變了減震器的阻尼系數δ，進而改變了葉片振動阻尼系數的ξ 大小，改善了葉片在因風速變化激勵產生的振動。這使得葉片振動被該液壓控制執行系統通過對葉片前后振動的能量進行吸收，降低了風電機組葉片前后振動的峰值，達到了調節風電機組葉片振動的效果。
系統實例仿真
針對一個額定功率為6MW 的風電機組，其額定電機轉速1200rpm, 額定電磁轉矩5016Nm，采用GH bladed工具對該風電機組系統進行仿真，PID 控制參數KP=3.151，KI=0.2305，KD=0.1456， 葉輪質量m=145.2t。在穩態風13m/s 的作用下，比較使用風電機組振動液壓控制前后的振動曲線。
圖1 為運用風電機組葉片振動液壓控制前后葉片振動位移對比曲線，其中藍色曲線為運用風電機組振動液壓控制葉片振動位移, 紅色曲線為未運用風電機組振動液壓控制葉片振動位移。由仿真結果可以看出，運用風電機組振動液壓控制后，風電機組葉片在前后方向上位移振幅減小，振動程度也減弱。
圖2 為運用風電機組葉片振動液壓控制前后葉跟受力對比曲線，其中藍色曲線為運用風電機組振動液壓控制的葉根受力數值, 紅色曲線為未運用風電機組振動液壓控制的葉根受力數值。由仿真結果可以看出，運用風電機組振動液壓控制后，風電機組葉跟前后方向受到的力矩幅值變小，達到了減小風電機組葉片振動以及降低風電機組葉片受到的極限載荷的目的，提高了葉片以及整個機組的性能和可靠性。
結論
目前風電機組中應用的變槳執行機構由于變槳力矩和響應時間的限制，難以通過變換槳葉角度來減小葉片受到的軸向載荷，導致葉片軸向方向上振動過大。而本文所設計的風電機組葉片振動液壓控制系統，可以根據測量的振動加速度信號，通過PID 控制器輸出給液壓減震器調節節流孔的流通面積來調整葉片振動的阻尼系數，改善葉片因風速變化產生的振動過大的現象，能滿足控制系統的動態性能和靜態性能的需求，降低了風電機組維護成本，提高了葉片以及整個機組的性能和壽命。
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風電機組控制系統是整個發電機組的核心，直接影響著整個發電系統的性能。由于風電機組葉片受到陣風推力產生的軸向方向上的載荷巨大，風速的微小變化就會引起軸向力較大的變化，引起葉片在軸向方向上振動，所以設計合理的控制系統對葉片進行降載減振將降低葉片，輪轂以及其他相關部件載荷，對風電機組的運行壽命起著至關重要的作用?，F有風電機組控制系統通過設置變槳機構，在風速過大的時候，變換槳葉角度來改變葉片處的空氣入流角，減小葉片受到的軸向載荷，但是變槳動作所需要的扭矩巨大，同時葉片本身具有較大的轉動慣量，作為變槳執行機構的低速大扭矩電機的響應時間延遲較大，不能及時的進行變槳動作，導致葉片軸向方向上振動過大，載荷過高，無法達到葉片所能承受的范圍，影響葉片以及整個機組的性能和壽命，導致風電機組維護成本巨大。
本文提出的風電機組葉片振動液壓控制系統，包括葉片振動信號處理系統、振動控制計算系統和振動液壓控制執行系統。其中，葉片振動信號處理系統由振動加速度傳感器和濾波器構成，振動控制計算系統由PID 控制器構成，振動液壓控制執行系統由液壓減震器構成。
風電機組葉片振動信號處理系統
葉片是風電機組的主要部件，其結構強度直接影響到風電機組的工作效率和運行可靠性。風電機組葉片的工作環境除了承受變化的空氣動力外，還受到本身慣性力以及機艙帶來的負荷，很容易發生振動。
風電機組的葉片上安裝振動加速度傳感器。由于風速變化而引起葉片在軸向方向上產生振動，該振動加速度傳感器能夠對葉片振動的加速度數值進行采集測量，反應葉片振動的運動性質。由于風電機組的機艙工作受到風速流動的推力和壓力，以及溫度變化等方面的影響，應采取工作頻率范圍較寬、堅固耐用以及受到外界干擾較小的傳感器。本風電機組振動液壓控制系統采用壓電式加速度傳感器，它具有壓電材料受力產生電荷信號無需外界電源、抗干擾能力強、對工作環境不敏感的特點，利用彈簧質量系統原理，在傳感器芯體質量受到振動加速度作用后產生一個與該加速度成正比的力，傳感器的壓電材料受此力作用后在其表面上形成與這一力成正比的電荷信號，完成對塔筒前后加速度的測量。由于振動加速度傳感器測量出的加速度信號會受到測量過程中產生的噪聲的影響，所以需要在振動加速度傳感器之后連接濾波器對采集到的信號進行濾波，其中采用低通濾波器為:
其中s 為拉普拉斯變換變量，z 為低通濾波器的阻尼系數，w 為低通濾波器的頻率。葉片振動加速度信號在經過濾波器進行濾波處理之后，去除噪聲對信號的影響，消除產生的毛刺噪聲，保證整個信號的穩定性和有效性以及控制系統的性能。
風電機組振動控制計算系統
風電機組振動控制計算系統先將接收到的振動加速度信號的測量值和一個預先設定的參考信號進行比較，然后把比較后得出的差值傳給PID 控制器計算出控制器的輸出值，即液壓減震器節流孔的流通面積，以得到預期的減少葉片振動的控制效果。其中PID 控制器為：
這里u 為PID 控制器的輸出，KP，KI，KD 分別為比例，積分和微分系數，e 為接收到的振動加速度信號的測量值和預先設定的參考值差值。
該控制器中放大比例環節會使系統動作迅速，反應速度快，穩態誤差變小，但比例系數過大會使系統的振蕩次數增加，調節時間變長。積分環節可消除系統的穩態誤差，提高系統的無差度。微分環節可以提高系統動態特性，反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。風電機組葉片振動的能量受到葉片阻尼的影響進行衰減，根據阻尼使振動停止的效果不同，可以分為欠阻尼，過阻尼和臨界阻尼。這三種阻尼振動的方式不同，當阻尼取一個特定的數值的時候，塔筒前后振動會很快地靠近平衡位置，以臨界阻尼回到平衡位置所需時間短，其阻尼數值小于過阻尼，而大于欠阻尼。所以根據風速變化造成的葉片振動的大小，通過該控制系統進行葉片控制實際調節了葉片的阻尼特性，使其達到臨界阻尼狀態，能夠有效的消除振動的影響。通過綜合考慮風電機組的動態性能和靜態性能，對PID 三個控制系數進行合理的設定逐步的調節，能夠兼顧系統穩定快速以及對目標參考曲線的快速跟蹤，滿足控制性能的要求。PID 控制器計算出控制輸出即液壓減震器節流孔的流通面積以后，將該控制輸出信號傳給振動液壓控制執行系統。
風電機組振動液壓控制執行系統
風電機組液壓控制執行系統接收PID 控制器輸出的控制信號，通過改變液壓減震器節流孔的流通面積調節振動阻尼系數的大小，輸出信號到被控對象風電機組葉片上，可以改善葉片因風速變化引起的振動現象。液壓減震器工作力矩較大，控制精度較高，能夠滿足減小葉片振動的要求。液壓減震器中K 為彈性剛度，A 為液壓減震器活塞上的節流孔， δ 為減震器的阻尼系數，m 為葉輪質量。液壓減震器的活塞液壓缸里充滿黏性液壓油，活塞上有節流孔A，使得上下腔中的油液互相流動。油液通過節流孔A 時將產生阻尼，節流孔越小，油的黏度越大，阻尼力越大。在葉片上下振動時，減振器活塞上下移動，彈性系統的振動被減振器阻尼吸收。減震器的阻尼系數δ 為：
其中，ρ 為液壓油的密度，B 為液壓缸工作面積，C 為閥口流量系數。由上面的公式可知，通過調整節流口孔A的流通面積，可以調整減震器的阻尼系數δ。對于葉片在軸向方向上的振動系統來說，其振動阻尼比ξ 為：
其中K 為彈性剛度， δ 為減震器的阻尼系數，m 為葉輪質量。
因為葉片軸向方向上的振動是周期衰減振動，阻尼比ξ 的大小決定了葉片振動的運動性能。對于葉片低頻的振動，阻尼比ξ 對系統的影響不大，可以將阻尼比調整為較小的數值。對于葉片振動比較明顯的共振段，需要加大阻尼比ξ，降低系統振動的峰值。對于葉片振動的高頻段，系統自身對于輸入的振動位移具有減弱的作用，阻尼比在高頻振動的情況下對系統的影響變小，需要降低阻尼比ξ，降低系統的能量損失。所以液壓減振器接收PID 控制器輸出的控制信號，將液壓減震器節流孔的流通面積A 調整到PID 控制器給出的數值，就改變了減震器的阻尼系數δ，進而改變了葉片振動阻尼系數的ξ 大小，改善了葉片在因風速變化激勵產生的振動。這使得葉片振動被該液壓控制執行系統通過對葉片前后振動的能量進行吸收，降低了風電機組葉片前后振動的峰值，達到了調節風電機組葉片振動的效果。
系統實例仿真
針對一個額定功率為6MW 的風電機組，其額定電機轉速1200rpm, 額定電磁轉矩5016Nm，采用GH bladed工具對該風電機組系統進行仿真，PID 控制參數KP=3.151，KI=0.2305，KD=0.1456， 葉輪質量m=145.2t。在穩態風13m/s 的作用下，比較使用風電機組振動液壓控制前后的振動曲線。
圖1 為運用風電機組葉片振動液壓控制前后葉片振動位移對比曲線，其中藍色曲線為運用風電機組振動液壓控制葉片振動位移, 紅色曲線為未運用風電機組振動液壓控制葉片振動位移。由仿真結果可以看出，運用風電機組振動液壓控制后，風電機組葉片在前后方向上位移振幅減小，振動程度也減弱。
圖2 為運用風電機組葉片振動液壓控制前后葉跟受力對比曲線，其中藍色曲線為運用風電機組振動液壓控制的葉根受力數值, 紅色曲線為未運用風電機組振動液壓控制的葉根受力數值。由仿真結果可以看出，運用風電機組振動液壓控制后，風電機組葉跟前后方向受到的力矩幅值變小，達到了減小風電機組葉片振動以及降低風電機組葉片受到的極限載荷的目的，提高了葉片以及整個機組的性能和可靠性。
結論
目前風電機組中應用的變槳執行機構由于變槳力矩和響應時間的限制，難以通過變換槳葉角度來減小葉片受到的軸向載荷，導致葉片軸向方向上振動過大。而本文所設計的風電機組葉片振動液壓控制系統，可以根據測量的振動加速度信號，通過PID 控制器輸出給液壓減震器調節節流孔的流通面積來調整葉片振動的阻尼系數，改善葉片因風速變化產生的振動過大的現象，能滿足控制系統的動態性能和靜態性能的需求，降低了風電機組維護成本，提高了葉片以及整個機組的性能和壽命。
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