一種減小風機疲勞載荷的槳葉振動反饋方法
【技術領域】
[0001] 本方法屬于風力發(fā)電技術領域，涉及風機獨立變槳控制技術，尤其是減小風機疲 勞載荷的方法。
【背景技術】
[0002] 傳統的風機獨立變槳控制系統，往往只考慮到發(fā)電機最終輸出功率達到穩(wěn)定的額 定狀態(tài)，而忽略了槳葉在轉動過程中由于受到不同的風力作用產生的不平衡力矩對塔架和 槳葉的影響。尤其在極端條件下，槳葉受到風力影響有可能產生非常大差異的不平衡力矩， 如果槳葉長時間處在不平衡力矩作用下，槳葉的使用壽命將會大打折扣，對風電事業(yè)的發(fā) 展將產生十分不利的影響。
[0003] 振動位移相同與否則直接反映了塔架所受槳葉的揮舞力矩是否平衡，獨立變槳控 制的過程中使槳葉在任何位置的揮舞力矩和振動位移都在固定值范圍內發(fā)生輕微的波動， 則有利于槳葉長期穩(wěn)定的運行，延長槳葉的使用壽命。
[0004] 另外，實際情況中存在以下問題：對槳葉振動的位移的測量非常的不方便，并沒有 測單一方向位移的傳感器；對于槳葉振動的加速度，由于存在著高頻信號的影響，即使能夠 測量，誤差會比較大；選擇什么因素進行測量、反饋作為控制的基礎以減小風機疲勞載荷是 一個亟待解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種減小風機疲勞載荷的槳葉振動反饋方法，減小甚至消 除不平衡力矩、延長槳葉的使用壽命。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0007] 對于槳葉振動的速度，現實生活中存在著單向速度傳感器，可以測量單一方向的 速度，而且傳感器的安裝較為方便，沒有高頻信號的影響，測量的結果較為可靠，所以選擇 槳葉的振動速度作為反饋信號，負荷實際情況。
[0008] 本發(fā)明通過對槳葉的振動速度作為反饋條件，得到相應的槳距角，最終使槳葉的 振動位移穩(wěn)定在平衡的范圍內輕微波動，從而減小甚至達到消除了不平衡力矩，延長了槳 葉的使用壽命。
[0009] 本發(fā)明建立了槳葉振動位移與振動速度的基本數學模型，確定模型中必要的參數 及變量，最后采用PID控制方法得到了槳葉穩(wěn)定的振動位移。
[0010] 1.利用葉素理論，對槳葉進行受力分析，根據實際分析結果，得到槳葉的受力分析 豐旲型；
[0011] 2.將槳葉理想化為均勻的懸臂梁模型，根據懸臂梁模型計算出槳葉葉尖處的振動 位移和振動速度的數學模型，并且確定模型中的參數與變量。；
[0012] 3.利用MATLAB/Simulink搭建控制系統的模型，以PID作為控制方法，振動速度作 為反饋因素，得到最終穩(wěn)定的槳葉振動位移。
[0013] 進一步而言：
[0014] -種減小風機疲勞載荷的槳葉振動反饋方法，將槳葉的振動速度作為反饋條件， 得到相應的槳距角，最終使槳葉的振動位移穩(wěn)定在平衡的范圍內輕微波動以減小不平衡力 矩。
[0015] 考慮到槳葉轉動過程中由于不同位置風速不相同的影響下，槳葉的振動位移和 速度不相同，從而導致槳葉在不同位置的揮舞力矩也不盡相同，提出了基于速度反饋的獨 立變槳距控制的方法，有利于使槳葉保持穩(wěn)定的振動位移和微弱的振動速度，槳葉所受的 揮舞力矩也都達到平衡的狀態(tài)，從而延長了槳葉的使用壽命。
[0016] 包括以下步驟：
[0017] 步驟（1):根據葉素理論，分析風機槳葉受力情況，確定葉素的受力模型與載荷模 型；
[0018] 步驟（2):將風機槳葉理想化為均勻的懸臂梁模型，根據懸臂梁模型確定槳葉葉 尖處的振動位移和振動速度的數學模型；
[0019] 步驟（3):確定步驟（2)中的位移與速度模型中的各種參數及變量；
[0020] 步驟⑷：采用PID控制方法，以槳葉振動速度作為反饋條件，達到控制三槳葉位 移平衡的目的。
[0021] 步驟（1)中，根據葉素理論，槳葉振動的合力表示為：
[0022] dFN= dF LcosI+dFDsinI = 0. 5 P ff2c (Cjcosl+Cjsinl) dr
[0023] 其中：a :攻角；β :槳距角；I :來流角；FL:法向力；FD:切向力；FN:合力；
[0024] 從而得到槳葉載荷：
[0027] 其中A1:升力系數；C d:阻力系數；
[0028] P :空氣密度；c :弦長；
[0029] W :合速度，且合速度模型如下：
[0031] 其中：V1:風速；V 2:槳葉轉速，
[0032] a :軸向誘導因子；b :周向誘導因子。
[0033] 步驟（2)中，將風機槳葉模型理想化，等效為均勻的懸臂梁模型，由步驟（1)中得 到載荷：q = 〇· 5 P W2c (C1Cosl^CdSinI);
[0034] 對與長度為R的懸臂梁模型有懸點A到端點B的，受到載荷q的作用時的位移可 表示為：
[0036] 其中X :懸臂梁上任意一點到懸點A的距離；
[0037] E :懸臂梁的彈性模量；Ib:懸臂梁的揮舞慣性矩；
[0038] 槳葉等效的懸臂梁模型的風機葉尖處的振動位移滿足：
[0039] 葉尖處振動位移：
[0040] 振動速度：V =太
[0041] 其中E :槳葉的彈性模量；Ib:槳葉揮舞慣性矩；R :槳葉的半徑。
[0042] 步驟（3)中，確定步驟（2)中的各種參數及變量如下：槳葉攻角α的取值范圍為 9。 -12。；
[0043] 升力系數C1與阻力系數C d滿足以下條件：
[0044] 升力系數 C1S 0.9;
[0045] 阻力系數 CdS 0· 1 ;
[0046] 根據速度三角形，可以得到軸向和周向誘導因子a，b滿足：
[0049] 其中N為槳葉個數；(；與C t分別代表平面法相力系數和切向力系數，并且滿足：
[0052] 槳葉的揮舞慣性矩Ib與槳葉的現場與厚度有關，可由公式：
得到，其中 t :槳葉的平均厚度。
[0053] 將槳葉等效為懸臂梁模型，弦長作為定值處理。
[0054] 槳葉的弦長最大為3m。
[0055] 步驟⑷中，對于三個槳葉可以同時采用PID控制方法，三槳葉分別以各自振動速 度作為反饋條件，得到相應的槳距角，作為風機模型的輸入的槳距角，從而達到控制槳葉振 動位移平衡的目的。
[0056] 由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果包括：
[0057] 1.建立了槳葉振動位移與振動速度的理想化數學模型，實現了以振動速度作為反 饋條件的獨立變槳距的控制，是槳葉的振動位移達到了穩(wěn)定。
[0058] 2.本方中建立的槳葉振動位移與速度模型直觀，適用性強，可以用于風機獨立變 槳控制系統及相關控制系統的設計中。
【附圖說明】
[0059] 圖1為葉素受力分析圖。
[0060] 圖2為等效懸臂梁模型圖。
[0061] 圖3為本發(fā)明原理框圖。
[0062] 圖4為傳統獨立變槳控制與本發(fā)明基于速度反饋控制的速度對比圖。
[0063] 圖5為傳統獨立變槳控制與本發(fā)明基于速度反饋控制的位移對比圖。
[0064] 圖6為傳統獨立變槳控制與本發(fā)明基于速度反饋控制的力矩對比圖。
【具體實施方式】
[0065] 以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0066] 本發(fā)明一種減小風機疲勞載荷的槳葉振動反饋方法，將槳葉的振動速度作為反饋 條件，得到相應的槳距角，最終使槳葉的振動位移穩(wěn)定在平衡的范圍內輕微波動以減小不 平衡力矩。
[0067] 具體的：包括以下步驟：
[0068] 步驟（1):根據葉素理論，分析風機槳葉受力情況，確定葉素的受力模型與載荷模 型；
[0069] 步驟（2):將風機槳葉理想化為均勻的懸臂梁模型，根據懸臂梁模型確定槳葉葉 尖處的振動位移和振動速度的數學模型；
[0070] 步驟（3):確定步驟（2)中的位移與速度模型中的各種參數及變量；
[0071] 步驟⑷：采用PID控制方法，以槳葉振動速度作為反饋條件，達到控制三槳葉位 移平衡的目的。
[0072] 考慮到槳葉轉動過程中由于不同位置風速不相同的影響下，槳葉的振動位移和 速度不相同，從而導致槳葉在不同位置的揮舞力矩也不盡相同，提出了基于速度反饋的獨 立變槳距控制的方法，有利于使槳葉保持穩(wěn)定的振動位移和微弱的振動速度，槳葉所受的 揮舞力矩也都達到平衡的狀態(tài)，從而延長了槳葉的使用壽命。
[0073] 根據葉素理論，葉素受力分析如圖1所示：
[0074] 其中：α :攻角 β :槳距角 I :來流角；
[0075] Fl:法向力 Fd:切向力 Fn:合力
[0076] 根據葉素理論，槳葉振動的合力表示為：
[0077] dFN= dF LcosI+dFDsinI = 0. 5 P ff2c (Cjcosl+Cjsinl) dr
[0078] 從而得到槳葉載荷：
[0081] 其中：C1:升力系數Cd:阻力系數；
[0082] P :空氣密度c :弦長；
[0083] W :合速度，且合速度模型如下：
[0085] 其中V1:風速 V2:槳葉轉速，
[0086] a :軸向誘導因子；b :周向誘導因子
[0087] 步驟（2):將風機槳葉模型理想化，可等效為均勻的懸臂梁模型，如圖2所示：
[0088] 由步