English
簡(jiǎn)體中文
風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)是整個(gè)發(fā)電機(jī)組的核心，直接影響著整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的性能。由于風(fēng)電機(jī)組葉片受到陣風(fēng)推力產(chǎn)生的軸向方向上的載荷巨大，風(fēng)速的微小變化就會(huì)引起軸向力較大的變化，引起葉片在軸向方向上振動(dòng)，所以設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)對(duì)葉片進(jìn)行降載減振將降低葉片，輪轂以及其他相關(guān)部件載荷，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行壽命起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)通過設(shè)置變槳機(jī)構(gòu)，在風(fēng)速過大的時(shí)候，變換槳葉角度來改變?nèi)~片處的空氣入流角，減小葉片受到的軸向載荷，但是變槳?jiǎng)幼魉枰呐ぞ鼐薮螅瑫r(shí)葉片本身具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，作為變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的低速大扭矩電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間延遲較大，不能及時(shí)的進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳎瑢?dǎo)致葉片軸向方向上振動(dòng)過大，載荷過高，無法達(dá)到葉片所能承受的范圍，影響葉片以及整個(gè)機(jī)組的性能和壽命，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組維護(hù)成本巨大。
本文提出的風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，包括葉片振動(dòng)信號(hào)處理系統(tǒng)、振動(dòng)控制計(jì)算系統(tǒng)和振動(dòng)液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)。其中，葉片振動(dòng)信號(hào)處理系統(tǒng)由振動(dòng)加速度傳感器和濾波器構(gòu)成，振動(dòng)控制計(jì)算系統(tǒng)由PID 控制器構(gòu)成，振動(dòng)液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)由液壓減震器構(gòu)成。
風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)信號(hào)處理系統(tǒng)
葉片是風(fēng)電機(jī)組的主要部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到風(fēng)電機(jī)組的工作效率和運(yùn)行可靠性。風(fēng)電機(jī)組葉片的工作環(huán)境除了承受變化的空氣動(dòng)力外，還受到本身慣性力以及機(jī)艙帶來的負(fù)荷，很容易發(fā)生振動(dòng)。
風(fēng)電機(jī)組的葉片上安裝振動(dòng)加速度傳感器。由于風(fēng)速變化而引起葉片在軸向方向上產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)加速度傳感器能夠?qū)θ~片振動(dòng)的加速度數(shù)值進(jìn)行采集測(cè)量，反應(yīng)葉片振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。由于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙工作受到風(fēng)速流動(dòng)的推力和壓力，以及溫度變化等方面的影響，應(yīng)采取工作頻率范圍較寬、堅(jiān)固耐用以及受到外界干擾較小的傳感器。本風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制系統(tǒng)采用壓電式加速度傳感器，它具有壓電材料受力產(chǎn)生電荷信號(hào)無需外界電源、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境不敏感的特點(diǎn)，利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理，在傳感器芯體質(zhì)量受到振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)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(hào)，完成對(duì)塔筒前后加速度的測(cè)量。由于振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量出的加速度信號(hào)會(huì)受到測(cè)量過程中產(chǎn)生的噪聲的影響，所以需要在振動(dòng)加速度傳感器之后連接濾波器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)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(shù)，w 為低通濾波器的頻率。葉片振動(dòng)加速度信號(hào)在經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波處理之后，去除噪聲對(duì)信號(hào)的影響，消除產(chǎn)生的毛刺噪聲，保證整個(gè)信號(hào)的穩(wěn)定性和有效性以及控制系統(tǒng)的性能。
風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)控制計(jì)算系統(tǒng)
風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)控制計(jì)算系統(tǒng)先將接收到的振動(dòng)加速度信號(hào)的測(cè)量值和一個(gè)預(yù)先設(shè)定的參考信號(hào)進(jìn)行比較，然后把比較后得出的差值傳給PID 控制器計(jì)算出控制器的輸出值，即液壓減震器節(jié)流孔的流通面積，以得到預(yù)期的減少葉片振動(dòng)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(shù)，e 為接收到的振動(dòng)加速度信號(hào)的測(cè)量值和預(yù)先設(shè)定的參考值差值。
該控制器中放大比例環(huán)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差變小，但比例系數(shù)過大會(huì)使系統(tǒng)的振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。積分環(huán)節(jié)可消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)的能量受到葉片阻尼的影響進(jìn)行衰減，根據(jù)阻尼使振動(dòng)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(dòng)的方式不同，當(dāng)阻尼取一個(gè)特定的數(shù)值的時(shí)候，塔筒前后振動(dòng)會(huì)很快地靠近平衡位置，以臨界阻尼回到平衡位置所需時(shí)間短，其阻尼數(shù)值小于過阻尼，而大于欠阻尼。所以根據(jù)風(fēng)速變化造成的葉片振動(dòng)的大小，通過該控制系統(tǒng)進(jìn)行葉片控制實(shí)際調(diào)節(jié)了葉片的阻尼特性，使其達(dá)到臨界阻尼狀態(tài)，能夠有效的消除振動(dòng)的影響。通過綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，對(duì)PID 三個(gè)控制系數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)定逐步的調(diào)節(jié)，能夠兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定快速以及對(duì)目標(biāo)參考曲線的快速跟蹤，滿足控制性能的要求。PID 控制器計(jì)算出控制輸出即液壓減震器節(jié)流孔的流通面積以后，將該控制輸出信號(hào)傳給振動(dòng)液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)。
風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)
風(fēng)電機(jī)組液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)接收PID 控制器輸出的控制信號(hào)，通過改變液壓減震器節(jié)流孔的流通面積調(diào)節(jié)振動(dòng)阻尼系數(shù)的大小，輸出信號(hào)到被控對(duì)象風(fēng)電機(jī)組葉片上，可以改善葉片因風(fēng)速變化引起的振動(dòng)現(xiàn)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(dòng)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(jié)流孔， δ 為減震器的阻尼系數(shù)，m 為葉輪質(zhì)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(jié)流孔A，使得上下腔中的油液互相流動(dòng)。油液通過節(jié)流孔A 時(shí)將產(chǎn)生阻尼，節(jié)流孔越小，油的黏度越大，阻尼力越大。在葉片上下振動(dòng)時(shí)，減振器活塞上下移動(dòng)，彈性系統(tǒng)的振動(dòng)被減振器阻尼吸收。減震器的阻尼系數(shù)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(shù)。由上面的公式可知，通過調(diào)整節(jié)流口孔A的流通面積，可以調(diào)整減震器的阻尼系數(shù)δ。對(duì)于葉片在軸向方向上的振動(dòng)系統(tǒng)來說，其振動(dòng)阻尼比ξ 為：
其中K 為彈性剛度， δ 為減震器的阻尼系數(shù)，m 為葉輪質(zhì)量。
因?yàn)槿~片軸向方向上的振動(dòng)是周期衰減振動(dòng)，阻尼比ξ 的大小決定了葉片振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于葉片低頻的振動(dòng)，阻尼比ξ 對(duì)系統(tǒng)的影響不大，可以將阻尼比調(diào)整為較小的數(shù)值。對(duì)于葉片振動(dòng)比較明顯的共振段，需要加大阻尼比ξ，降低系統(tǒng)振動(dòng)的峰值。對(duì)于葉片振動(dòng)的高頻段，系統(tǒng)自身對(duì)于輸入的振動(dòng)位移具有減弱的作用，阻尼比在高頻振動(dòng)的情況下對(duì)系統(tǒng)的影響變小，需要降低阻尼比ξ，降低系統(tǒng)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(hào)，將液壓減震器節(jié)流孔的流通面積A 調(diào)整到PID 控制器給出的數(shù)值，就改變了減震器的阻尼系數(shù)δ，進(jìn)而改變了葉片振動(dòng)阻尼系數(shù)的ξ 大小，改善了葉片在因風(fēng)速變化激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)。這使得葉片振動(dòng)被該液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)通過對(duì)葉片前后振動(dòng)的能量進(jìn)行吸收，降低了風(fēng)電機(jī)組葉片前后振動(dòng)的峰值，達(dá)到了調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)的效果。
系統(tǒng)實(shí)例仿真
針對(duì)一個(gè)額定功率為6MW 的風(fēng)電機(jī)組，其額定電機(jī)轉(zhuǎn)速1200rpm, 額定電磁轉(zhuǎn)矩5016Nm，采用GH bladed工具對(duì)該風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行仿真，PID 控制參數(shù)KP=3.151，KI=0.2305，KD=0.1456， 葉輪質(zhì)量m=145.2t。在穩(wěn)態(tài)風(fēng)13m/s 的作用下，比較使用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制前后的振動(dòng)曲線。
圖1 為運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)液壓控制前后葉片振動(dòng)位移對(duì)比曲線，其中藍(lán)色曲線為運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制葉片振動(dòng)位移, 紅色曲線為未運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制葉片振動(dòng)位移。由仿真結(jié)果可以看出，運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制后，風(fēng)電機(jī)組葉片在前后方向上位移振幅減小，振動(dòng)程度也減弱。
圖2 為運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)液壓控制前后葉跟受力對(duì)比曲線，其中藍(lán)色曲線為運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制的葉根受力數(shù)值, 紅色曲線為未運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制的葉根受力數(shù)值。由仿真結(jié)果可以看出，運(yùn)用風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)液壓控制后，風(fēng)電機(jī)組葉跟前后方向受到的力矩幅值變小，達(dá)到了減小風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)以及降低風(fēng)電機(jī)組葉片受到的極限載荷的目的，提高了葉片以及整個(gè)機(jī)組的性能和可靠性。
結(jié)論
目前風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用的變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于變槳力矩和響應(yīng)時(shí)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(dǎo)致葉片軸向方向上振動(dòng)過大。而本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，可以根據(jù)測(cè)量的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過PID 控制器輸出給液壓減震器調(diào)節(jié)節(jié)流孔的流通面積來調(diào)整葉片振動(dòng)的阻尼系數(shù)，改善葉片因風(fēng)速變化產(chǎn)生的振動(dòng)過大的現(xiàn)象，能滿足控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能的需求，降低了風(fēng)電機(jī)組維護(hù)成本，提高了葉片以及整個(gè)機(jī)組的性能和壽命。
更多信息請(qǐng)關(guān)注復(fù)合材料信息網(wǎng)http://cnfrp.net