500W垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)【含14張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】【GC系列】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 附錄A附錄A 英文翻譯一種新型俯仰角控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì),建模與實(shí)現(xiàn)尹秀星,林永剛浙江大學(xué)流體動(dòng)力傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州浙大路38號(hào);3100272014年4月14日收到,2015年3月16日接受,2015年4月10日上傳摘要:文章提出了一種新穎的俯仰角控制系統(tǒng),將平滑輸出功率和傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)的特征在于外部開(kāi)放控制回路,為增強(qiáng)直接俯仰運(yùn)動(dòng)和內(nèi)在的水力機(jī)械位置控制回路提供了益處和無(wú)傳感器俯仰控制。提供了務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)程序,而且?guī)讉€(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)被確定或優(yōu)化。這種音調(diào)的建模,穩(wěn)定性分析和動(dòng)態(tài)特性還提出了控制系統(tǒng)。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了該系統(tǒng)在功率和扭矩條件下的效率有效性。2015年愛(ài)思唯爾有限公司保留所有權(quán)利。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī);俯仰角控制系統(tǒng);水力機(jī)械位置控制回路;系統(tǒng)建模;穩(wěn)定性分析;動(dòng)態(tài)特性1、背景介紹漿距角控制系統(tǒng)通常用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī),以保持捕獲的風(fēng)力接近額定值高于額定風(fēng)速,帶來(lái)的好處是更好的控制靈活性和電源質(zhì)量。這樣的系統(tǒng)也可以減輕結(jié)構(gòu)及風(fēng)荷載,保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在強(qiáng)陣風(fēng)期間的疲勞損傷。因此,這些系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的調(diào)節(jié)有直接的影響,對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有重要意義。此外,高性能和可靠性先進(jìn)的音高控制系統(tǒng)可以滿足日益嚴(yán)格的性能要求,由現(xiàn)代渦輪機(jī)規(guī)定的要求,必不可少的提升風(fēng)能技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。這些系統(tǒng)基本上有兩種類型:機(jī)電和液壓。對(duì)于機(jī)電式,可以通過(guò)使用電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)在文獻(xiàn)中得到廣泛的研究系統(tǒng)設(shè)計(jì),動(dòng)態(tài)特性分析,雙重閉環(huán)控制,直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制,自適應(yīng)俯仰控制和模糊邏輯俯仰控制。 雖然,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊和準(zhǔn)確,穩(wěn)定性和功率質(zhì)量可能相對(duì)較低。對(duì)于液壓俯仰系統(tǒng),通常使用值控制液壓缸來(lái)通過(guò)滑塊-曲柄機(jī)構(gòu)產(chǎn)生最終俯仰作用。該系統(tǒng)的最新研究主要包括俯仰控制策略,可靠性評(píng)估,系統(tǒng)建模和獨(dú)立俯仰控制。Chiang等人開(kāi)發(fā)了一種變速泵控制液壓變槳控制系統(tǒng)和自適應(yīng)模糊變槳控制器。然而,盡管在文獻(xiàn)中有這樣的各種控制方法,但是沒(méi)有提供對(duì)該系統(tǒng)的充分詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析。 雖然液壓變槳控制系統(tǒng)在高功率/質(zhì)量比和相對(duì)高的可靠性方面可能是有利的,但是由于使用滑塊-曲柄機(jī)構(gòu),該系統(tǒng)的控制精度相對(duì)較差。本文的主要貢獻(xiàn)是一種新穎的俯仰角度控制系統(tǒng)和詳細(xì)的分析方法,如設(shè)計(jì)程序,系統(tǒng)建模,穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)整合上述兩種基本不同的工作機(jī)制,這種新穎的系統(tǒng)在克服其眾所周知的實(shí)際性能限制的同時(shí),具有兩種類型的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在所提出的系統(tǒng)中使用液壓馬達(dá)可以提高傳統(tǒng)機(jī)電槳距系統(tǒng)的功率/質(zhì)量比,其中電動(dòng)機(jī)用于控制,而不是在機(jī)電系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)合旋轉(zhuǎn)液壓伺服而不是滑塊 - 曲柄機(jī)構(gòu),新型系統(tǒng)中可以顯著提高常規(guī)液壓式的俯仰控制精度。這是因?yàn)楫a(chǎn)生的槳距角與液壓伺服系統(tǒng)的角位移成正比,可以通過(guò)伺服中的內(nèi)部水力機(jī)械位置閉環(huán)來(lái)精確控制。因此,這種新穎的系統(tǒng)不僅具有緊湊性,高功率/質(zhì)量比,更高的可靠性和良好的控制精度等優(yōu)點(diǎn),而且還可以與傳統(tǒng)的間距相比具有更好精度的中型或大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。因此,這種顯著的性能改進(jìn)使得所提出的俯仰控制系統(tǒng)成為工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)有希望的選擇。2、文章說(shuō)明如圖1所示,由數(shù)字電動(dòng)機(jī),液壓伺服機(jī)構(gòu)和安裝在機(jī)艙中的變速齒輪組組成的新型變槳控制系統(tǒng)是具有內(nèi)部反饋閉環(huán)的集成電液位置伺服系統(tǒng)。 數(shù)字電動(dòng)機(jī)作為將數(shù)字俯仰控制命令發(fā)送到液壓伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器。 齒輪組用于將液壓伺服的高軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到相對(duì)較低的槳距率。液壓伺服機(jī)構(gòu)包括閥芯式旋轉(zhuǎn)閥,螺桿和螺母組合以及旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。來(lái)自數(shù)字電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)打開(kāi)閥門并將來(lái)自恒定液壓動(dòng)力源的油流輸送到該致動(dòng)器,該致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺桿和螺母組合被反饋并從輸入運(yùn)動(dòng)中減去,以便中止閥門并關(guān)閉這個(gè)循環(huán)。因此,這種運(yùn)動(dòng)在液壓伺服系統(tǒng)中自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)在的水力機(jī)械位置控制回路。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的尺寸可以處理預(yù)期的俯仰載荷,并具有足夠大的液壓固有頻率以滿足整體響應(yīng)要求。通常,液壓軸向柱塞馬達(dá)可用作旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器。圖1.俯仰控制系統(tǒng)的示意圖。該俯仰控制系統(tǒng)的重要特征如下。(a) 俯仰角控制可以最終通過(guò)具有高有效載荷能力和高功率重量比的旋轉(zhuǎn)液壓致動(dòng)器而不是其它槳距系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)或液壓缸實(shí)現(xiàn)。因此,相對(duì)較高的槳距控制精度和功率/質(zhì)量比使得該系統(tǒng)適合于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。(b) 內(nèi)在的水力機(jī)械閉合控制回路使得該系統(tǒng)能夠避免測(cè)量或反饋俯仰角信號(hào)的必要性,因此無(wú)需傳感器的俯仰控制,而在其他俯仰系統(tǒng)中始終使用各種傳感器或換能器。(c) 緊湊的結(jié)構(gòu)和集成設(shè)計(jì)使得這種俯仰系統(tǒng)適合于單獨(dú)的俯仰控制。(d) 該系統(tǒng)可以由主機(jī)直接控制,而無(wú)需使用附加的控制器或傳感器,這顯示了成本效益的潛力。(e) 與其他常規(guī)槳距系統(tǒng)相比,新型變槳控制系統(tǒng)在外部開(kāi)環(huán)中具有內(nèi)部水力機(jī)械位置控制回路,因此具有更寬的俯仰速率范圍和更低的維護(hù)成本。3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 間距負(fù)載首先介紹俯仰載荷的計(jì)算,因?yàn)樗窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的重要前提。 這種載荷主要來(lái)自空氣動(dòng)力學(xué),重力和動(dòng)態(tài)相互作用。 特別地,由葉片離心力產(chǎn)生的慣性矩是與俯仰動(dòng)作相關(guān)聯(lián)的負(fù)載的主要來(lái)源,并且將詳細(xì)討論如下。如圖2所示,旋轉(zhuǎn)平面與軸o-x對(duì)齊并垂直于紙張表面。 俯仰軸線穿過(guò)每個(gè)葉片橫截面的重心并位于旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)。葉片橫截面的第一主軸位于該對(duì)稱氣翼的弦線上。 在相同原點(diǎn)O處建立兩個(gè)坐標(biāo)系。參考框架(x,y)以它們之間的間距角b圍繞框架(x1,y1)旋轉(zhuǎn)??紤]從旋轉(zhuǎn)軸線到半徑r的葉片的增量部分,以及增量質(zhì)量dm的點(diǎn)B。 作用在這一點(diǎn)上的增量離心力是 (1)并且半徑rB可以表示為 (2)將等式(2)代入(1)得到 (3)風(fēng)力轉(zhuǎn)子的角速度;線段OB的長(zhǎng)度;線ob與旋轉(zhuǎn)平面之間的角度;俯仰軸與離心力d之間的角度;力dFc可以分解為一個(gè)分量dFn,垂直于葉片橫截面和部件dFt平行于這個(gè)橫截面 力dFt可以描述為: (4)由于離心力而產(chǎn)生的關(guān)于俯仰軸的慣性力矩是 (5)參考幀(x,y)中點(diǎn)B的坐標(biāo)為 (6)將等式(6)代入(5)得到 (7)其中 0A;線段的長(zhǎng)度 葉片材料的密度; 點(diǎn)B處的橫截面積; 半徑r的增量半徑在葉片半徑上積分方程得到 dsdr (8) 作用在葉片上的總慣性力矩; 轉(zhuǎn)子的總半徑; 該翼型部分的局部半徑r的面積; 區(qū)域的慣性的乘積關(guān)于o-x和o-y的軸。 (9)轉(zhuǎn)換參考點(diǎn)B(x1B,y1B)的坐標(biāo)幀(x1,y1)到幀(x,y)產(chǎn)生 (10)將等式(10)代入(9)得到 (11)關(guān)于x1和o-y1主軸的面積ds的慣量乘積為零 區(qū)域關(guān)于軸0-的慣性矩; 區(qū)域 關(guān)于the 的慣性矩; (14)其中c - 翼型弦長(zhǎng);h - 機(jī)翼厚度;D - 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑。將等式(13)代入(8)得到 (15)圖2.離心力。將葉片劃分成一組跨度方向的葉片部分給出了方程的另一種表達(dá)式: (16)葉片的增量半徑。設(shè)計(jì)的實(shí)際俯仰載荷可以通過(guò)考慮俯仰承載效率來(lái)近似估計(jì) (17)3.2齒輪比液壓伺服機(jī)構(gòu)的軸通過(guò)傳動(dòng)比為i的齒輪組聯(lián)接到葉片根部。 可以根據(jù)3.1節(jié)中給出的實(shí)際俯仰載荷Tp來(lái)合理計(jì)算俯仰傳動(dòng)比。因此,伺服側(cè)的扭矩平衡方程為:由液壓伺服產(chǎn)生的扭矩;液壓伺服的質(zhì)量慣性矩;葉片圍繞其縱向軸線的質(zhì)量力矩;液壓伺服軸的轉(zhuǎn)速;俯仰率角速度 跟俯仰率 的關(guān)系是: (19)將等式(19)代入(18)得到 (20)我們希望該伺服器以輸出轉(zhuǎn)矩最小化的最佳齒輪比工作。 該最佳比率可以通過(guò)對(duì)等式(20)進(jìn)行微分來(lái)確定,并將結(jié)果設(shè)置為零。 (21)求解方程(21)得到: (22)俯仰速率上升的時(shí)間導(dǎo)數(shù)可以表示為 (23)將等式(23)代入(22)得到 (24)最佳比例必須滿足限制最大俯仰速率的實(shí)際約束。 (25)最佳齒輪傳動(dòng)比; 液壓伺服軸速度的最大值和最小值; 俯仰速率的最大值和最小值; 俯仰速率達(dá)到其最大值所需的時(shí)間。因此,可以從等式(24)和(25)獲得最佳槳距變速比。3.3 液壓伺服體積位移和最大流量作為該液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。 這兩個(gè)參數(shù)也可以根據(jù)3.2節(jié)中的計(jì)算參數(shù)來(lái)確定,例如液壓伺服的扭矩和軸速度。旋轉(zhuǎn)閥的流量為: (26)該閥的最大流量為: (27)從伺服器提取的功率是: (28)其中 旋轉(zhuǎn)閥的流量; 旋轉(zhuǎn)閥的最大流量; 從液壓伺服器提取的功率; 與旋轉(zhuǎn)閥相關(guān)的恒定系數(shù); 旋轉(zhuǎn)閥的線性滑閥位移; 恒定的供應(yīng)壓力; 液壓油的質(zhì)量密度; 負(fù)載壓力。將方程(28)相對(duì)于進(jìn)行微分,并將結(jié)果設(shè)為零。 Ps (29)綜合方程(26),(27)和(29)得到: (30)從伺服中提取的最大功率發(fā)生在負(fù)載壓力和流量獲得等式(29)和(30)中的特定值的點(diǎn)。 液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)能在最大功率點(diǎn)處理最大槳距負(fù)載。 從而, (31) (32)其中 體積位移;液壓伺服在最大功率點(diǎn)的流量; 液壓伺服在最大功率點(diǎn)的負(fù)載壓力;將等式(29)代入(31)得到 (33)將等式(30)和(33)代入(32)得到 (34)因此,可以通過(guò)使用等式(33)和(34)來(lái)計(jì)算液壓伺服的體積位移和最大流量。 實(shí)際上,兩個(gè)參數(shù)的值應(yīng)稍微增加,以補(bǔ)償伺服中摩擦和泄漏引起的功率損耗。4. 系統(tǒng)建模與分析該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能主要由水力機(jī)械位置控制回路控制。 因此,包括螺桿和螺母組合以及液壓部分的該控制回路的詳細(xì)地建模和分析如下。4.1 系統(tǒng)建模旋轉(zhuǎn)閥的線性滑閥位移為: (35)該回路的液壓部分可以看作是一個(gè)閥門控制的液壓馬達(dá),可以通過(guò)以下轉(zhuǎn)換功能來(lái)描述。 (36)其中 螺桿和螺母組合的螺距; 液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)位移; 旋轉(zhuǎn)閥的閥芯位移; 旋轉(zhuǎn)閥的流量增益; 液壓固有頻率; 液壓阻尼比。方程(35)和(36)是該位置控制回路的基本表示,并且可以通過(guò)使用圖5中的框圖來(lái)說(shuō)明。 因此,開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是: (37)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (38) 該控制回路的速度增益; 拉普拉斯算子。 (39)公式(37)的分母中的空閑s表示一階積分部分,使得該控制回路是類型1,具有零位置誤差。 如圖所示。 3,該內(nèi)在位置控制回路是以單位反饋?zhàn)詣?dòng)生成的。 因此,由于這種直接反饋閉環(huán),可以實(shí)現(xiàn)該俯仰系統(tǒng)的無(wú)傳感器位置控制。4.2 穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性可能是這種俯仰系統(tǒng)最重要的特征。 這種環(huán)路動(dòng)力學(xué)的分析通常集中在穩(wěn)定性要求上。 Routh-Hurwitz穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)用于確定該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為: (40)圖3.位置控制回路的框圖。圖4.位置控制回路的閉環(huán)頻率響應(yīng)。對(duì)方程(40)應(yīng)用Routh-Hurwitz穩(wěn)定性準(zhǔn)則 (41)方程(41)表明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與速度增益,液壓固有頻率和阻尼比直接相關(guān)。由于0.1和0.2的阻尼比是該系統(tǒng)的特征,所以速度增益總是被限制在液壓固有頻率的20-40。 這個(gè)基本結(jié)果為設(shè)計(jì)目的提供了經(jīng)驗(yàn)法則。4.3 動(dòng)態(tài)特性公式(38)中閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母可以用線性和二次因子表示。 從而, (42)其中 斷線頻率的線性因子; 二次因子的固有頻率或諧振頻率; 二次因子或閉環(huán)阻尼比的液壓阻尼比??梢酝ㄟ^(guò)將方程(38)與(42)進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行以下近似。 (43)如圖4所示,閉環(huán)頻率響應(yīng)函數(shù)是該系統(tǒng)響應(yīng)能力的量度。系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬大致等于頻率響應(yīng)從其低頻值下降了3 dB的中斷頻率。該-3 dB帶寬和諧振頻率與本系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度直接相關(guān)。因此,當(dāng)考慮方程時(shí),該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以由速度增益和液壓固有頻率主導(dǎo)。這兩個(gè)參數(shù)的高值對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)是期望的。然而,由方程表示的約束需要在選擇這些參數(shù)時(shí)在穩(wěn)定裕度和該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)之間進(jìn)行權(quán)衡。因此,提高該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的最佳方法是提高液壓阻尼比的值。5.結(jié)果與討論如圖5所示,新型變槳控制系統(tǒng)已經(jīng)在主要包括風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器,主機(jī)和所提出的槳距控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器用于精確再現(xiàn)1.5兆瓦變速可變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的給定風(fēng)速曲線的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。該模擬器主要由速度控制的風(fēng)力轉(zhuǎn)子和目標(biāo)計(jì)算機(jī)組成。包括機(jī)艙,小型渦輪機(jī)葉片和俯仰機(jī)構(gòu)在內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)被構(gòu)建以復(fù)制各種俯仰運(yùn)動(dòng)的實(shí)際效果。配備商業(yè)軟件包GH Bladed的目標(biāo)計(jì)算機(jī)被用于控制風(fēng)力轉(zhuǎn)子并模擬其他渦輪機(jī)子系統(tǒng),如空氣動(dòng)力學(xué),發(fā)電機(jī)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。系統(tǒng)參數(shù)如俯仰角,風(fēng)速,輸出功率和扭矩反饋給主機(jī)。配備數(shù)字電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主機(jī)和National Instruments Corporation的LabView軟件被用于接收這些數(shù)據(jù)并將其顯示在電腦屏幕上。圖5,實(shí)驗(yàn)設(shè)置。通過(guò)使用LabView軟件,在主機(jī)中設(shè)計(jì)了比例積分(PI)槳距角控制器,根據(jù)額定輸出功率與實(shí)際值之間的誤差生成俯仰控制命令。該P(yáng)I俯仰角控制器可以表示為: (44) 俯仰控制指令; 輸出功率及其額定值; 比例和積分增益。通過(guò)ZieglereNichols調(diào)諧方法調(diào)整和的增益,以確保令人滿意的音調(diào)控制性能。所產(chǎn)生的槳距控制命令然后可以通過(guò)數(shù)字馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到槳距控制系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器,并因此發(fā)生俯仰運(yùn)動(dòng)。在實(shí)踐中,可以考慮以下方法來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)俯仰角控制器和新型槳距控制系統(tǒng)的低成本工業(yè)實(shí)現(xiàn)。(a) 設(shè)計(jì)的俯仰角控制器可以通過(guò)使用低成本的可編程邏輯控制器(PLC)直接實(shí)現(xiàn),該控制器由于相對(duì)較高而在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。例如,控制器可以通過(guò)使用西門子S7-200系列PLC和Step7-Micro/WIN梯形圖邏輯編程(LLP)封裝進(jìn)行合理編程。(b) 設(shè)計(jì)的PI俯仰角控制器可以很容易地在PLC中進(jìn)行編程,因?yàn)镻LC中總是存在預(yù)定義和自動(dòng)調(diào)節(jié)的PI控制器模塊。因此,可以顯著降低編程時(shí)間和成本。(c) 俯仰角控制器和俯仰控制系統(tǒng)可以在工業(yè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),而無(wú)需使用附加的PLC擴(kuò)展模塊,俯仰角度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,因?yàn)楦┭鱿到y(tǒng)可以由數(shù)字電動(dòng)機(jī)床控制并由內(nèi)部水力控制機(jī)械閉合控制回路。 因此,新型槳距控制系統(tǒng)與其他常規(guī)槳距系統(tǒng)相比具有成本優(yōu)勢(shì)。(d) 俯仰角控制器可以集成到新的俯仰控制系統(tǒng)中,以避免使用長(zhǎng)電纜,從而減輕外部干擾。 因此,總體俯仰控制系統(tǒng)可以被配置成單一緊湊的封裝,以減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸,復(fù)雜性和成本。與傳統(tǒng)的主要由液壓缸和定向電液比例閥組成的液壓變槳系統(tǒng)相比,這種新型變槳控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。液壓缸安裝在曲柄擺動(dòng)塊上,由比例閥控制,以實(shí)現(xiàn)俯仰控制運(yùn)動(dòng)。在與所提出的俯仰控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相同的操作條件下,通過(guò)使用上述PI俯仰角控制器來(lái)進(jìn)行該常規(guī)俯仰系統(tǒng)的比較實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)總結(jié)在表1中。5.1俯仰角跟蹤性能如圖6所示。 對(duì)于所提出的新型變槳控制系統(tǒng),平方響應(yīng)的建立時(shí)間約為0.26s,而對(duì)于傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng),建立時(shí)間約為0.43s。所提出的俯仰控制系統(tǒng)可以跟蹤零穩(wěn)定的平方俯仰控制指令 而常規(guī)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下表現(xiàn)出顯著的振蕩。因此,與傳統(tǒng)的音調(diào)系統(tǒng)相比,所提出的新穎的音調(diào)控制系統(tǒng)具有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更好的穩(wěn)態(tài)音調(diào)放電性能。圖6,二次響應(yīng)。如圖7所示,所提出的新型變槳控制系統(tǒng)能夠以更高的精度跟蹤正弦參考俯仰角,而在使用常規(guī)槳距系統(tǒng)時(shí),具有相當(dāng)大的俯仰角跟蹤誤差和相位滯后。 因此,與常規(guī)系統(tǒng)相比,新型俯仰系統(tǒng)可以更好地跟蹤雙向俯仰角軌跡。圖7,正弦反應(yīng)。5.2輸出功率平滑如圖8(a)所示,用于比較實(shí)驗(yàn)的渦輪葉片跨度的10分鐘有效風(fēng)速數(shù)據(jù)組。 該速度曲線在輪轂高度處的平均值為18m/s。如圖8(b)和(c)所示,當(dāng)使用新的俯仰控制系統(tǒng)時(shí),俯仰角在10度和20度之間變化,俯仰速率在0.4/s和0.7/s之間顯著變化,而俯仰角變化 在常規(guī)情況下,在12和18度之間,俯仰速率在0.4/s和0.2/ s之間變化。 因此,新穎的俯仰控制系統(tǒng)具有更寬的俯仰速率范圍,并且施加比常規(guī)俯仰系統(tǒng)更多的俯仰作用。為了更好地平滑輸出功率波動(dòng),新型變槳控制系統(tǒng)的這種附加俯仰控制工作是必需的。在圖8(d)和(e)中,輸出功率在1.34 MW和1.7 MW之間變化很大,輸出功率的變化率在傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)施加時(shí),在0.15 MW / s和0.15 MW / s之間顯著波動(dòng),而輸出功率功率可以保持在額定值1.5MW左右,并且可以通過(guò)使用新穎的俯仰控制系統(tǒng)來(lái)顯著降低輸出功率的變化率。這些比較結(jié)果清楚地表明,與傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)相比,新的槳距控制系統(tǒng)能夠以更高的效率完全平滑輸出功率。如圖8(f)所示,通過(guò)使用新穎的俯仰控制系統(tǒng),輸出功率的功率譜密度的幅度可以從大約15dB降低到30dB。因此,通過(guò)使用新的變槳控制系統(tǒng),可以更好地抑制繞風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速(0.68Hz)的輸出功率波動(dòng)。與傳統(tǒng)的俯仰系統(tǒng)相比,通過(guò)使用新的俯仰控制系統(tǒng)可以更好地保持額定輸出功率。圖8,輸出功率平滑比較結(jié)果。5.3減速傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)將圖9(a)所示的風(fēng)速曲線應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器,以評(píng)估兩個(gè)俯仰控制系統(tǒng)在平滑傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)中。 該風(fēng)速分布的平均值為20m/s,湍流強(qiáng)度為18。如圖9(b)和(c)所示,從常規(guī)俯仰系統(tǒng)產(chǎn)生的俯仰角在12度和18度之間變化,俯仰速率在0.8/s和0.8/ s之間變化,而俯仰角 由所提出的新型音調(diào)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的音調(diào)控制在10和20度之間顯著變化,俯仰速率在1.8/s和1.8/s之間。 因此,所提出的新型變槳控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的俯仰角對(duì)風(fēng)速變化響應(yīng)速度比傳統(tǒng)槳距控制系統(tǒng)要快。通過(guò)使用所提出的新穎的俯仰控制系統(tǒng)可以產(chǎn)生額外的俯仰作用和增加的俯仰速率的活動(dòng)。與傳統(tǒng)的俯仰系統(tǒng)相比,可以采用由新型俯仰控制系統(tǒng)產(chǎn)生的這種額外的俯仰控制,以實(shí)現(xiàn)俯仰控制精度的提高和傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的更嚴(yán)格的規(guī)定。如圖9(d)和(e)所示,當(dāng)使用常規(guī)槳距系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系轉(zhuǎn)矩在每單位1.34與單位0.8之間變動(dòng)很大,扭矩變化率也在0.4 MNm/s和0.3 MNm/s之間變化,而驅(qū)動(dòng)系轉(zhuǎn)矩可以很好地維持在額定值附近,并且通過(guò)使用所提出的新型變槳控制系統(tǒng)可以顯著降低其變化率。因此,新穎的槳距控制系統(tǒng)在減輕傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)方面表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)更有效和更好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。所提出的新型變槳控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī),用于快速功率和轉(zhuǎn)矩控制,以提高總體動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性并增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。如圖9(f)所示,通過(guò)使用新穎的俯仰控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系轉(zhuǎn)矩的功率譜密度的幅度可以從大約-20dB到大約降低到40dB。該結(jié)果與圖1中的結(jié)果一致。如圖9(d)和(e)所示,并且意味著通過(guò)使用新穎的俯仰控制系統(tǒng)可以顯著地減輕傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此,與傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)相比,所提出的新型變槳控制系統(tǒng)可以更有效地和更精確地減小繞風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速(0.68Hz)的傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。圖9.減輕傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的比較結(jié)果。6.結(jié)論現(xiàn)在,已經(jīng)提出了一種新穎的俯仰角控制系統(tǒng)來(lái)平滑風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率和傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。所提出的槳距控制系統(tǒng)在外部開(kāi)放控制回路中工作,并且具有內(nèi)部的液壓-機(jī)械位置控制回路,可以提高俯仰角跟蹤控制精度。已經(jīng)提出了所提出的新型變槳控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟,系統(tǒng)建模,動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性分析。這種新的變槳控制系統(tǒng)已經(jīng)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)相比,所提出的槳距控制系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)和更好的俯仰角軌跡跟蹤性能。與傳統(tǒng)的俯仰系統(tǒng)相比,所提出的俯仰控制系統(tǒng)在平滑輸出功率和傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)方面也具有顯著的改進(jìn)。此外,所提出的新穎的槳距控制系統(tǒng)可能對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有相當(dāng)高的效率和大的有效載荷能力。我們未來(lái)的研究將包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論和實(shí)用俯仰角控制策略的發(fā)展,以進(jìn)一步提高所提出的系統(tǒng)對(duì)大型渦輪機(jī)輸出功率和扭矩規(guī)定的控制性能。致謝這項(xiàng)工作得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究組科學(xué)基金51221004,中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金撥款號(hào)51275448及重點(diǎn)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金的部分支持。參考文獻(xiàn)1 Boukhezzar B,Lupu L,Siguerdidjane.Multivariable control strategy for variable speed, variable pitch wind turbines. 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