本實用新型涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域的一種基于振動速度反饋的風機獨立變槳控制裝置。

背景技術(shù)：

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到人類的關(guān)注，風力發(fā)電機的發(fā)展使得人類更有效地利用了風力資源。隨著風力發(fā)電機規(guī)模的擴展，為了能夠更有效地獲取風能，現(xiàn)代大型風力發(fā)電機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)電機輸出功率，目前變槳風力機主要采用兩種控制策略: 集中變槳距策略和獨立變槳距策略。集中變槳距控制策略就是控制系統(tǒng)對三個槳葉采用相同的控制信號來控制葉片的槳距角來穩(wěn)定輸出功率。然而現(xiàn)代風電機組的單機容量越來越大，葉輪直徑也越來越大，最新研制機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，對整個風力機的穩(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，卻不能解決減小風力機對塔架的疲勞載荷問題。獨立變槳距策略是變槳距技術(shù)的發(fā)展，它可以實現(xiàn)兩個功能：一是控制葉輪轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)發(fā)電機輸出功率控制，即實現(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)的風力發(fā)電獨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、或者機艙的傾斜力矩等參數(shù)作為反饋變量，然而風力機對塔身的疲勞載荷的根源在于風輪機槳葉由于受到風力作用產(chǎn)生的振動位移差上，即槳葉在轉(zhuǎn)動過程中的振動位移差越大，其對塔身造成的疲勞載荷也就越大，選擇傳統(tǒng)的參數(shù)作為反饋變量，不能從根源上直接減小風力機對塔架的疲勞載荷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種基于振動速度反饋的風機獨立變槳控制裝置，既能有效穩(wěn)定風力發(fā)電功率輸出，又能有效地減小風力機對塔架的疲勞載荷，從而提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性、延長風力機使用壽命。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種基于振動速度反饋的風機獨立變槳控制裝置，包括風輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)、電壓電流采集模塊、PID控制器、槳葉角度分配系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、變槳機構(gòu)，風輪機的輸出端與發(fā)電機的輸入端相連，風輪機的輸入端與變槳機構(gòu)的輸出端相連，變槳機構(gòu)的輸入端與電機驅(qū)動系統(tǒng)的輸出端相連，電機驅(qū)動系統(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，且風輪機的輸出端還連接一槳葉振動速度采集模塊的輸出端，槳葉振動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。

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

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：

1、 本獨立變槳控制裝置采用槳葉振動速度采集模塊采集風輪機槳葉振動速度作為反饋變量，和傳統(tǒng)獨立變槳控制裝置選擇葉片根部彎曲力矩、主軸的彎曲力矩、或者機艙的傾斜力矩等參數(shù)作為反饋變量相比較，本實用新型裝置對于獨立變槳控制系統(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)的獨立變槳控制裝置通常采用PID控制器控制槳距改變，然而風輪機槳葉的振動變化在工程實際中是非線性不規(guī)則的，PID控制器在非線性時變、滯后較大的系統(tǒng)中魯棒性不強，控制效果不理想。本獨立變槳控制裝置所設(shè)計的槳距角補償量由更先進的模糊PID控制器來進行計算補償，模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有常規(guī)PID控制精度高的特點，在槳距角補償上具有較高的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

附圖說明

圖1 為一種基于振動速度反饋的模糊PID風機獨立變槳控制裝置總體結(jié)構(gòu)功能框圖；

圖2 為槳葉振動速度采集模塊電路圖。

具體實施方式

參照圖1，本實用新型包括風輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)、槳葉振動速度采集模塊、電壓電流采集模塊、模糊PID控制器、槳葉角度分配系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)和變槳機構(gòu)組成。風輪機的輸出端與發(fā)電機的輸入端相連，風輪機的輸入端與變槳機構(gòu)的輸出端相連，變槳機構(gòu)的輸入端與電機驅(qū)動系統(tǒng)的輸出端相連，電機驅(qū)動系統(tǒng)的輸入端與槳距角分配系統(tǒng)的輸出端相連，發(fā)電機的輸出端與電網(wǎng)相連，風輪機的輸出端連接槳葉振動速度采集模塊的輸出端，槳葉振動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。空氣流動的動能作用在風輪機的風輪上，從而推動風輪機旋轉(zhuǎn)，風輪機將空氣動力能轉(zhuǎn)變成風輪旋轉(zhuǎn)機械能，風輪的輪轂固定在發(fā)電機的機軸上，通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)電機軸及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機將機械能變成電能輸送給電網(wǎng)。

參照圖2，壓電振動速度傳感器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的輸出端與運算放大器LTC6081的同相輸入端相連，運算放大器的正負供電引腳分別與正負電源相連接，并各自連接一個電容9后接地；運算放大器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，并和運算放大器LTC6081的輸出端相連接，運算放大器LTC6081的輸出端還連接至V_OUT端口，V_OUT端口與上述模糊PID控制器的信號輸入端相連接。

進一步的槳葉振動速度采集模塊當中的壓電振動速度傳感器安裝在風輪機的三個槳葉上，壓電振動速度傳感器提取各自槳葉的振動速度信號并經(jīng)過圖2所示電路進行放大、低通濾波，然后將處理好的槳葉振動速度信號從V_OUT端口輸出，傳遞給模糊PID控制器，同時連接在發(fā)電機輸出端的電壓電流采集模塊將采集到的電壓電流信號也送給模糊PID控制器，模糊PID控制器根據(jù)收到的三個槳葉振動速度信號以及發(fā)電機的輸出的電壓電流信號，以平衡發(fā)電機功率輸出和減小風輪機槳葉振動為目的，計算出三個槳葉的獨立變槳槳距角補償信號。進一步的模糊PID控制器將計算得出的三個槳葉的獨立變槳槳距角補償信號送給槳距角分配機構(gòu)，槳距角分配機構(gòu)通過電機驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動變槳機構(gòu)，使風輪機葉片根部軸向旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)~輪之間的槳距，最終實現(xiàn)風力機系統(tǒng)在保持穩(wěn)定輸出功率的基礎(chǔ)上，大大減小槳葉振動速度，平衡槳葉振動位移，有效地減小風力機對塔身的疲勞載荷，提高風力機運行的可靠性和延長風力機使用壽命。