一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法技术

本发明专利技术公开了一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法，该方法通过分析风机桨叶在运行过程中桨叶对塔身产生的轴向疲劳载荷的作用机理，利用桨叶轴向摆动速度测量信息，对桨叶桨距角进行修正，达到减小桨叶对塔身疲劳载荷，提高风机运行可靠性和延长使用寿命的目的。包括以下主要步骤：(1)分析桨叶运行过程中由于风速变化对塔身产生疲劳载荷的作用机理，建立桨叶速度与轴向扭矩的数学模型；(2)根据理论分析，确定桨叶速度反馈的方案；(3)采用以速度反馈的PID控制方法对系统进行独立变桨距控制。本发明专利技术以速度反馈的PID控制方法直观、实用性强，可为风机独立变桨可靠性控制提供参考。

【技术实现步骤摘要】

本方法属于风力发电
，涉及风机独立变桨控制技术，尤其是减小风机疲 劳载荷的方法。
技术介绍
传统的风机独立变桨控制系统，往往只考虑到发电机最终输出功率达到稳定的额 定状态，而忽略了桨叶在转动过程中由于受到不同的风力作用产生的不平衡力矩对塔架和 桨叶的影响。尤其在极端条件下，桨叶受到风力影响有可能产生非常大差异的不平衡力矩， 如果桨叶长时间处在不平衡力矩作用下，桨叶的使用寿命将会大打折扣，对风电事业的发 展将产生十分不利的影响。 振动位移相同与否则直接反映了塔架所受桨叶的挥舞力矩是否平衡，独立变桨控 制的过程中使桨叶在任何位置的挥舞力矩和振动位移都在固定值范围内发生轻微的波动， 则有利于桨叶长期稳定的运行，延长桨叶的使用寿命。 另外，实际情况中存在以下问题：对桨叶振动的位移的测量非常的不方便，并没有 测单一方向位移的传感器；对于桨叶振动的加速度，由于存在着高频信号的影响，即使能够 测量，误差会比较大；选择什么因素进行测量、反馈作为控制的基础以减小风机疲劳载荷是 一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，减小甚至消 除不平衡力矩、延长桨叶的使用寿命。 为达到上述目的，本专利技术的解决方案是： 对于桨叶振动的速度，现实生活中存在着单向速度传感器，可以测量单一方向的 速度，而且传感器的安装较为方便，没有高频信号的影响，测量的结果较为可靠，所以选择 桨叶的振动速度作为反馈信号，负荷实际情况。 本专利技术通过对桨叶的振动速度作为反馈条件，得到相应的桨距角，最终使桨叶的 振动位移稳定在平衡的范围内轻微波动，从而减小甚至达到消除了不平衡力矩，延长了桨 叶的使用寿命。 本专利技术建立了桨叶振动位移与振动速度的基本数学模型，确定模型中必要的参数 及变量，最后采用PID控制方法得到了桨叶稳定的振动位移。 1.利用叶素理论，对桨叶进行受力分析，根据实际分析结果，得到桨叶的受力分析 丰旲型； 2.将桨叶理想化为均匀的悬臂梁模型，根据悬臂梁模型计算出桨叶叶尖处的振动 位移和振动速度的数学模型，并且确定模型中的参数与变量。； 3.利用MATLAB/Simulink搭建控制系统的模型，以PID作为控制方法，振动速度作 为反馈因素，得到最终稳定的桨叶振动位移。 进一步而言： -种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法，将桨叶的振动速度作为反馈条件， 得到相应的桨距角，最终使桨叶的振动位移稳定在平衡的范围内轻微波动以减小不平衡力 矩。 考虑到桨叶转动过程中由于不同位置风速不相同的影响下，桨叶的振动位移和 速度不相同，从而导致桨叶在不同位置的挥舞力矩也不尽相同，提出了基于速度反馈的独 立变桨距控制的方法，有利于使桨叶保持稳定的振动位移和微弱的振动速度，桨叶所受的 挥舞力矩也都达到平衡的状态，从而延长了桨叶的使用寿命。 包括以下步骤： 步骤（1):根据叶素理论，分析风机桨叶受力情况，确定叶素的受力模型与载荷模 型； 步骤（2):将风机桨叶理想化为均匀的悬臂梁模型，根据悬臂梁模型确定桨叶叶 尖处的振动位移和振动速度的数学模型； 步骤（3):确定步骤（2)中的位移与速度模型中的各种参数及变量； 步骤⑷：采用PID控制方法，以桨叶振动速度作为反馈条件，达到控制三桨叶位 移平衡的目的。 步骤（1)中，根据叶素理论，桨叶振动的合力表示为： dFN= dF LcosI+dFDsinI = 0. 5 P ff2c (Cjcosl+Cjsinl) dr 其中：a :攻角；β :桨距角；I :来流角；FL:法向力；FD:切向力；FN:合力； 从而得到桨叶载荷： 其中A1:升力系数；C d:阻力系数； P :空气密度；c :弦长； W :合速度，且合速度模型如下： 其中：V1:风速；V 2:桨叶转速， a :轴向诱导因子；b :周向诱导因子。 步骤（2)中，将风机桨叶模型理想化，等效为均匀的悬臂梁模型，由步骤（1)中得 到载荷：q = 〇· 5 P W2c (C1Cosl^CdSinI); 对与长度为R的悬臂梁模型有悬点A到端点B的，受到载荷q的作用时的位移可 表示为： 其中X :悬臂梁上任意一点到悬点A的距离； E :悬臂梁的弹性模量；Ib:悬臂梁的挥舞惯性矩； 桨叶等效的悬臂梁模型的风机叶尖处的振动位移满足： 叶尖处振动位移： 振动速度：V =太 其中E :桨叶的弹性模量；Ib:桨叶挥舞惯性矩；R :桨叶的半径。 步骤（3)中，确定步骤（2)中的各种参数及变量如下：桨叶攻角α的取值范围为 9。 -12。； 升力系数C1与阻力系数C d满足以下条件： 升力系数 C1S 0.9; 阻力系数 CdS 0· 1 ; 根据速度三角形，可以得到轴向和周向诱导因子a，b满足： 其中N为桨叶个数；(；与C t分别代表平面法相力系数和切向力系数，并且满足： 桨叶的挥舞惯性矩Ib与桨叶的现场与厚度有关，可由公式：得到，其中 t :桨叶的平均厚度。 将桨叶等效为悬臂梁模型，弦长作为定值处理。 桨叶的弦长最大为3m。 步骤⑷中，对于三个桨叶可以同时采用PID控制方法，三桨叶分别以各自振动速 度作为反馈条件，得到相应的桨距角，作为风机模型的输入的桨距角，从而达到控制桨叶振 动位移平衡的目的。 由于采用上述方案，本专利技术的有益效果包括： 1.建立了桨叶振动位移与振动速度的理想化数学模型，实现了以振动速度作为反 馈条件的独立变桨距的控制，是桨叶的振动位移达到了稳定。 2.本方中建立的桨叶振动位移与速度模型直观，适用性强，可以用于风机独立变 桨控制系统及相关控制系统的设计中。【附图说明】 图1为叶素受力分析图。 图2为等效悬臂梁模型图。 图3为本专利技术原理框图。 图4为传统独立变桨控制与本专利技术基于速度反馈控制的速度对比图。 图5为传统独立变桨控制与本专利技术基于速度反馈控制的位移对比图。 图6为传统独立变桨控制与本专利技术基于速度反馈控制的力矩对比图。【具体实施方式】 以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。 本专利技术，将桨叶的振动速度作为反馈 条件，得到相应的桨距角，最终使桨叶的振动位移稳定在平衡的范围内轻微波动以减小不 平衡力矩。 具体的：包括以下步骤： 步骤（1):根据叶素理论，分析风机桨叶受力情况，确定叶素的受力模型与载荷模 型； 步骤（2):将风机桨叶理想化为均匀的悬臂梁模型，根据悬臂梁模型确定桨叶叶 尖处的振动位移和振动速度的数学模型； 步骤（3):确定步骤（2)中的位移与速度模型中的各种参数及变量； 步骤⑷：采用PID控制方法，以桨叶振动速度作为反馈条件，达到控制三桨叶位 移平衡的目的。 考虑到桨叶转动过程中由于不同位置风速不相同的影响下，桨叶的振动位移和 速度不相同，从而导致桨叶在不同位置的挥舞力矩也不尽相同，提出了基于速度反馈的独 立变桨距控制的方法，有利于使桨叶保持稳定的振动位移和微弱的振动速度，桨叶所受的 挥舞力矩也都达到平衡的状态，从而延长了桨叶的使用寿命。 根据叶素理论，叶素受力分析如图1所示： 其中：α :攻角 β :桨距角 I :来流角； Fl:法向力 Fd:切向力 Fn:合力 根据叶素理论，桨叶振动的合力表示为： dFN= dF LcosI+dFDsinI = 0. 5 P ff2c (Cjcosl+Cjsinl) dr 从而得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法，其特征在于：将桨叶的振动速度作为反馈条件，得到相应的桨距角，最终使桨叶的振动位移稳定在平衡的范围内轻微波动以减小不平衡力矩。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏永清，岳继光，钱倩，李飞龙，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31