本實(shí)用新型涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域的一種基于振動(dòng)速度反饋的風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制裝置。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到人類的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展使得人類更有效地利用了風(fēng)力資源。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)模的擴(kuò)展，為了能夠更有效地獲取風(fēng)能，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都采用了變槳控制技術(shù)，通過變槳控制，控制葉輪轉(zhuǎn)速，以控制發(fā)電機(jī)輸出功率，目前變槳風(fēng)力機(jī)主要采用兩種控制策略: 集中變槳距策略和獨(dú)立變槳距策略。集中變槳距控制策略就是控制系統(tǒng)對(duì)三個(gè)槳葉采用相同的控制信號(hào)來控制葉片的槳距角來穩(wěn)定輸出功率。然而現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，葉輪直徑也越來越大，最新研制機(jī)型的葉輪直徑已大于120米，在垂直面內(nèi)的高度差造成了風(fēng)速的差異，由此引發(fā)槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中受力的不平衡和振動(dòng)，對(duì)整個(gè)風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定性和安全構(gòu)成很大影響，采用集中變槳距控制策略只能穩(wěn)定輸出功率，卻不能解決減小風(fēng)力機(jī)對(duì)塔架的疲勞載荷問題。獨(dú)立變槳距策略是變槳距技術(shù)的發(fā)展，它可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是控制葉輪轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率控制，即實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)協(xié)同變槳控制功能；二是減小葉輪的不均衡載荷，即減小輪轂上的傾翻力矩和偏航力矩。

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電獨(dú)立變槳控制裝置通常選擇葉片根部彎曲力矩、主軸的彎曲力矩、或者機(jī)艙的傾斜力矩等參數(shù)作為反饋?zhàn)兞浚欢L(fēng)力機(jī)對(duì)塔身的疲勞載荷的根源在于風(fēng)輪機(jī)槳葉由于受到風(fēng)力作用產(chǎn)生的振動(dòng)位移差上，即槳葉在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的振動(dòng)位移差越大，其對(duì)塔身造成的疲勞載荷也就越大，選擇傳統(tǒng)的參數(shù)作為反饋?zhàn)兞?，不能從根源上直接減小風(fēng)力機(jī)對(duì)塔架的疲勞載荷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于振動(dòng)速度反饋的風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制裝置，既能有效穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電功率輸出，又能有效地減小風(fēng)力機(jī)對(duì)塔架的疲勞載荷，從而提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)使用壽命。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種基于振動(dòng)速度反饋的風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制裝置，包括風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)、電壓電流采集模塊、PID控制器、槳葉角度分配系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變槳機(jī)構(gòu)，風(fēng)輪機(jī)的輸出端與發(fā)電機(jī)的輸入端相連，風(fēng)輪機(jī)的輸入端與變槳機(jī)構(gòu)的輸出端相連，變槳機(jī)構(gòu)的輸入端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出端相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入端與槳距角分配系統(tǒng)的輸出端相連，發(fā)電機(jī)的輸出端與電網(wǎng)相連，其特征在于：PID控制器為模糊PID控制器，且風(fēng)輪機(jī)的輸出端還連接一槳葉振動(dòng)速度采集模塊的輸出端，槳葉振動(dòng)速度采集模塊的輸出端與模糊PID控制器的輸入端相連，模糊PID控制器的輸入端還連接電壓電流采集模塊的輸出端，模糊PID控制器的輸出端與槳距角分配系統(tǒng)的輸入端相連。

所述的槳葉振動(dòng)速度采集模塊內(nèi)的壓電振動(dòng)速度傳感器安裝在槳葉葉片上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、 本獨(dú)立變槳控制裝置采用槳葉振動(dòng)速度采集模塊采集風(fēng)輪機(jī)槳葉振動(dòng)速度作為反饋?zhàn)兞?，和傳統(tǒng)獨(dú)立變槳控制裝置選擇葉片根部彎曲力矩、主軸的彎曲力矩、或者機(jī)艙的傾斜力矩等參數(shù)作為反饋?zhàn)兞肯啾容^，本實(shí)用新型裝置對(duì)于獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)來說更精確、更直接，從而能有效地提高系統(tǒng)控制精度和控制速度。

2、傳統(tǒng)的獨(dú)立變槳控制裝置通常采用PID控制器控制槳距改變，然而風(fēng)輪機(jī)槳葉的振動(dòng)變化在工程實(shí)際中是非線性不規(guī)則的，PID控制器在非線性時(shí)變、滯后較大的系統(tǒng)中魯棒性不強(qiáng)，控制效果不理想。本獨(dú)立變槳控制裝置所設(shè)計(jì)的槳距角補(bǔ)償量由更先進(jìn)的模糊PID控制器來進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有常規(guī)PID控制精度高的特點(diǎn)，在槳距角補(bǔ)償上具有較高的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

附圖說明

圖1 為一種基于振動(dòng)速度反饋的模糊PID風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制裝置總體結(jié)構(gòu)功能框圖；

圖2 為槳葉振動(dòng)速度采集模塊電路圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型包括風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)、槳葉振動(dòng)速度采集模塊、電壓電流采集模塊、模糊PID控制器、槳葉角度分配系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和變槳機(jī)構(gòu)組成。風(fēng)輪機(jī)的輸出端與發(fā)電機(jī)的輸入端相連，風(fēng)輪機(jī)的輸入端與變槳機(jī)構(gòu)的輸出端相連，變槳機(jī)構(gòu)的輸入端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出端相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入端與槳距角分配系統(tǒng)的輸出端相連，發(fā)電機(jī)的輸出端與電網(wǎng)相連，風(fēng)輪機(jī)的輸出端連接槳葉振動(dòng)速度采集模塊的輸出端，槳葉振動(dòng)速度采集模塊的輸出端與模糊PID控制器的輸入端相連，模糊PID控制器的輸入端還連接電壓電流采集模塊的輸出端，模糊PID控制器的輸出端與槳距角分配系統(tǒng)的輸入端相連。空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)輪上，從而推動(dòng)風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪機(jī)將空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機(jī)的機(jī)軸上，通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)軸及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變成電能輸送給電網(wǎng)。

參照?qǐng)D2，壓電振動(dòng)速度傳感器1的一端接地，另一端連接電阻2的輸入端，電阻2的輸出端接地，電阻2的輸入端還連接有電阻3和電容4的輸入端，電阻3的輸出端連接電阻5和電容6的輸入端，電容6的輸出端接地；電容4的輸出端連接電容8和電阻7的輸入端，電阻7的輸出端接地；電阻5和電容8的輸出端與運(yùn)算放大器LTC6081的同相輸入端相連，運(yùn)算放大器的正負(fù)供電引腳分別與正負(fù)電源相連接，并各自連接一個(gè)電容9后接地；運(yùn)算放大器LTC6081的反向相輸入端連接有電阻10、電阻11和電容12，電阻10的輸出端接地，電阻11和電容12的輸出端連接在一起，并和運(yùn)算放大器LTC6081的輸出端相連接，運(yùn)算放大器LTC6081的輸出端還連接至V_OUT端口，V_OUT端口與上述模糊PID控制器的信號(hào)輸入端相連接。

進(jìn)一步的槳葉振動(dòng)速度采集模塊當(dāng)中的壓電振動(dòng)速度傳感器安裝在風(fēng)輪機(jī)的三個(gè)槳葉上，壓電振動(dòng)速度傳感器提取各自槳葉的振動(dòng)速度信號(hào)并經(jīng)過圖2所示電路進(jìn)行放大、低通濾波，然后將處理好的槳葉振動(dòng)速度信號(hào)從V_OUT端口輸出，傳遞給模糊PID控制器，同時(shí)連接在發(fā)電機(jī)輸出端的電壓電流采集模塊將采集到的電壓電流信號(hào)也送給模糊PID控制器，模糊PID控制器根據(jù)收到的三個(gè)槳葉振動(dòng)速度信號(hào)以及發(fā)電機(jī)的輸出的電壓電流信號(hào)，以平衡發(fā)電機(jī)功率輸出和減小風(fēng)輪機(jī)槳葉振動(dòng)為目的，計(jì)算出三個(gè)槳葉的獨(dú)立變槳槳距角補(bǔ)償信號(hào)。進(jìn)一步的模糊PID控制器將計(jì)算得出的三個(gè)槳葉的獨(dú)立變槳槳距角補(bǔ)償信號(hào)送給槳距角分配機(jī)構(gòu)，槳距角分配機(jī)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)，使風(fēng)輪機(jī)葉片根部軸向旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)~輪之間的槳距，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在保持穩(wěn)定輸出功率的基礎(chǔ)上，大大減小槳葉振動(dòng)速度，平衡槳葉振動(dòng)位移，有效地減小風(fēng)力機(jī)對(duì)塔身的疲勞載荷，提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性和延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)使用壽命。