CN105351144A - 一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明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***进行独立变桨距控制。本发明以速度反馈的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。

Description

一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法

技术领域

本方法属于风力发电技术领域，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。

背景技术

传统的风机独立变桨控制***，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减小风机疲劳载荷的桨叶振动反馈方法，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，本发明的解决方案是：

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。

本发明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。

本发明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模型；

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***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：

一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(4)：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：

dF_N＝dF_LcosI+dF_DsinI＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)dr

其中：α：攻角；β：桨距角；I：来流角；F_L：法向力；F_D：切向力；F_N：合力；

从而得到桨叶载荷：

$q=\frac{{\mathrm{dF}}_N}{dr}=0.5{\mathrm{\ρW}}^{2}c(C_l\cos I+C_d\sin I)$

I＝α+β

其中：C_l：升力系数；C_d：阻力系数；

ρ：空气密度；c：弦长；

W：合速度，且合速度模型如下：

$W=\sqrt{{\left(V_1\right(1-a\left)\right)}^2+{\left(V_2\right(1+b\left)\right)}^2}$

其中：V₁：风速；V₂：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＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)；

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：

$Y=\frac{{\mathrm{qx}}^2}{24{\mathrm{EI}}_b}(x^2-4Rx+6R^2)$

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；I_b：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＝y′

其中E：桨叶的弹性模量；I_b：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C_l与阻力系数C_d满足以下条件：

升力系数C_l≥0.9；

阻力系数C_d≤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：

$\frac{a}{1-a}=\frac{{\mathrm{NcC}}_n}{8{\mathrm{\πRsin}}^{2}I}$

$\frac{b}{1+b}=\frac{{\mathrm{NcC}}_t}{8\mathrm{\π}R\sin 2I}$

其中N为桨叶个数；C_n与C_t分别代表平面法相力系数和切向力系数，并且满足：

C_n＝C_lcosI+C_dsinI

C_t＝C_lsinI-C_dcosI

桨叶的挥舞惯性矩I_b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(4)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，本发明的有益效果包括：

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***及相关控制***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为本发明原理框图。

图4为传统独立变桨控制与本发明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发明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发明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发明作进一步的说明。

本发明一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。

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(4)：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；

F_L:法向力F_D：切向力F_N：合力

根据叶素理论，桨叶振动的合力表示为：

dF_N＝dF_LcosI+dF_DsinI＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)dr

从而得到桨叶载荷：

$q=\frac{{\mathrm{dF}}_N}{dr}=0.5{\mathrm{\ρW}}^{2}c(C_l\cos I+C_d\sin I)$

I＝α+β

其中：C_l：升力系数C_d：阻力系数；

ρ：空气密度c：弦长；

W：合速度，且合速度模型如下：

$W=\sqrt{{\left(V_1\right(1-a\left)\right)}^2+{\left(V_2\right(1+b\left)\right)}^2}$

其中V₁：风速V₂：桨叶转速，

a：轴向诱导因子；b：周向诱导因子

步骤(2)：将风机桨叶模型理想化，可等效为均匀的悬臂梁模型，如图2所示：

由步骤(1)中得到

载荷：q＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)

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：

$Y=\frac{{\mathrm{qx}}^2}{24{\mathrm{EI}}_b}(x^2-4Rx+6R^2)$

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；I_b：悬臂梁的挥舞惯性矩；

对于风机桨叶，由于叶尖处的振动位移最为明显，所以由桨叶等效的悬臂梁模型的风机叶尖处的位移满足：

叶尖处振动位移：

振动速度：v＝y′

其中E：桨叶的弹性模量，I_b：桨叶挥舞惯性矩，R：桨叶的半径。

步骤(3)：确定步骤(2)中的各种参数及变量如下：

对于特定桨叶，选取翼型及气动数据和参数以下表1、表2所示：

表1(NACA63-421翼型气动数据)

攻角α(°)	升力系数Cl	阻力系数Cd
			2	0.5471	0.0065
4	0.78	0.0073
			6	0.99	0.008
8	1.2	0.011
			10	1.32	0.016
12	1.35	0.038
			14	1.38	0.069

表2(翼型参数表)

叶片长度(m)	61
		轮毂直径(m)	3
叶根直径(m)	3.2
		最大厚度(m)	21％(厚度/弦长)
最大厚度位置(m)	0.5-0.8R
		攻角(°)	10
升力系数	0.9
		阻力系数	0.05
叶片密度(kg/m3)	1500

其桨叶攻角在一定范围内波动，但波动范围很小，可以作为一定值看待，α的一般取值范围为9°-12°；

升力系数C_l与阻力系数C_d对于特定桨叶也在一定范围内轻微波动通常满足以下条件：

升力系数C_l≥0.9；

阻力系数C_d≤0.1；

桨叶等效为悬臂梁模型，则弦长也可作为定值处理，桨叶弦长最大可达3m；

根据速度三角形，可以得到轴向和周向诱导因子a，b满足：

$\frac{a}{1-a}=\frac{{\mathrm{NcC}}_n}{8{\mathrm{\πRsin}}^{2}I}$

$\frac{b}{1+b}=\frac{{\mathrm{NcC}}_t}{8\mathrm{\π}R\sin 2I}$

其中N为桨叶个数；C_n与C_t分别代表平面法相力系数和切向力系数，并且满足：

C_n＝C_lcosI+C_dsinI

C_t＝C_lsinI-C_dcosI

桨叶的挥舞惯性矩I_b与桨叶的弦长与厚度有关，所以可由公式：得到，其中t：桨叶的平均厚度。

步骤(4)：对于三个桨叶可以同时采用PID(比例积分微分)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。***原理框图如图3。

得到桨距角后，以桨距角作为风机桨叶模型的输入得到桨叶的振动位移或速度，桨叶的振动位移或速度能够直接反映塔架和桨叶所受的疲劳载荷。

(1)根据控制变量法实验分析：当设定桨叶桨距角为定值时，桨叶的振动位移随着风速的增大而增大；当假设风速在整个区域内为同一恒定值时，桨叶振动速度随着桨距角的增大而减小。

(2)对于额定功率为5MW的大型风机，其风轮直径达到127m,，叶片数N为3，叶片长度R达61m，额定转速为13.5r/min，额定风速为12.2m/s.根据风切变，设风机轮毂出的风速为额定风速时，在风机顶端与低端的风速差不超过4m/s，所以设定风速额定转速为13.5r/min，即w＝13.5/60*2π，则桨叶转动速度V₂＝wR。

(3)其余参数的选取：攻角α＝10°；升力系数C_l＝0.9；阻力系数C_d＝0.05；桨叶理想化为均匀的悬臂梁模型，则桨弦长c可取为定值，设c＝2.3m；厚度t也取为定值，设t＝0.3m；桨叶材料为纤维与树脂的混合材料，弹性模量的数值在几十至几百GPa不等的范围内，根据查找的资料，在该实例中取可取弹性模量E＝300GPa。

由步骤(2)中的其他变量的求解中得到：

$\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{NcC}}_d}{{\mathrm{NcC}}_d+8\mathrm{\πR}{\sin }^{2}I}\\ b=\frac{{\mathrm{NcC}}_t}{{\mathrm{NcC}}_t-8\mathrm{\π}R\sin 2I}\end{array}$ 和 $\begin{array}{c}{C}_n=C_l\cos I+C_d\sin I\\ C_t=C_l\sin I-C_d\cos I\end{array}$

(4)将所有参数变量带入到振动位移与振动速度模型中，在MATLAB/Simulink(MatrixLaboratory(矩阵实验室)/Simulink是MATLAB最重要的组件之一，提供了一个动态***建模、仿真和综合分析的集成环境，这个工具是行业内公知的一种数学工具，此不赘述)中搭建上述模型并仿真得到对比结果。

桨叶在转动过程中由于受到不均匀的风力作用，使得其在不同位置的振动位移差异非常的大，从而导致了塔架和桨叶所受的不平衡载荷。而通过改变桨叶的桨距角可以明显的改善桨叶转动过程中的振动速度和振动位移，桨叶的振动速度和振动位移是对桨叶所受到的不平衡载荷的直接反应，桨叶的振动位移越小，振动速度越小，则不平衡载荷也就越小。所以本发明提供了一种新的独立变桨控制过程中，得到桨距角考虑的新的方向，也即本发明的主要内容是建立了桨叶振动的等效模型，并考虑桨叶运动过程中的振动速度(这是以前独立变桨控制过程中从未考虑过的)，作为反馈条件之一，得到相应的桨距角，得到的桨距角作为风机桨叶模型的输入，使得桨叶在转动过程的振动位移能够有明显的减弱，从而达到了减小甚至消除塔架和桨叶所受到的不平衡载荷、延长桨叶的使用寿命的目的。

本发明用桨叶振动速度作为反馈条件，使桨叶的挥舞力矩处在平衡的状态，从而达到减小甚至消除塔架和桨叶所受到的不平衡力矩，延长桨叶使用寿命的目的。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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(4)：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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，根据叶素理论，桨叶振动的合力表示为：

dF_N＝dF_LcosI+dF_DsinI＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)dr

其中：α：攻角；β：桨距角；I：来流角；F_L：法向力；F_D：切向力；F_N：合力；

从而得到桨叶载荷：

$q=\frac{d{F}_N}{\mathrm{dr}}=0.5\mathrm{\ρ}{W}^{2}c(C_l\cos I+C_d\sin I)$

I＝α+β

其中：C_l：升力系数；C_d：阻力系数；

ρ：空气密度；c：弦长；

W：合速度，且合速度模型如下：

$W=\sqrt{{\left(V_1(1-a)\right)}^2+{\left(V_2(1+b)\right)}^2}$

其中：V₁：风速；V₂：桨叶转速，

a：轴向诱导因子；b：周向诱导因子。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：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＝0.5ρW²c(C_lcosI+C_dsinI)；

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： $Y=\frac{q{x}^2}{24E{I}_b}(x^2-4\mathrm{Rx}+6R^2)$

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；I_b：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＝y′

其中E：桨叶的弹性模量；I_b：桨叶挥舞惯性矩；R：桨叶的半径。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：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C_l与阻力系数C_d满足以下条件：

升力系数C_l≥0.9；

阻力系数C_d≤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：

$\frac{a}{1-a}=\frac{\mathrm{Nc}{C}_n}{8\mathrm{\πR}{\sin }^{2}I}$

$\frac{b}{1+b}=\frac{\mathrm{Nc}{C}_t}{8\mathrm{\π}R\sin 2I}$

其中N为桨叶个数；C_n与C_t分别代表平面法相力系数和切向力系数，并且满足：

C_n＝C_lcosI+C_dsinI

C_t＝C_lsinI-C_dcosI

桨叶的挥舞惯性矩I_b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。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：将桨叶等效为悬臂梁模型，弦长作为定值处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：桨叶的弦长最大为3m。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(4)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。