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建立风电机可充分利用能源 创造巨大的经济价值

日期:2014-12-30    来源:中国风能协会  作者:中国风能协会

国际电力网

2014
12/30
15:56
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关键词: 风电机组叶片 风电机组 叶片振动

    我国沿岸很多地方风能资源丰富, 风能发展潜力巨大,具备很好的开发前景,通过在这些地点建立风电机组可以充分利用这些能源,创造巨大的经济价值。
    风电机组控制系统是整个发电机组的核心,直接影响着整个发电系统的性能。由于风电机组叶片受到阵风推力产生的轴向方向上的载荷巨大,风速的微小变化就会引起轴向力较大的变化,引起叶片在轴向方向上振动,所以设计合理的控制系统对叶片进行降载减振将降低叶片,轮毂以及其他相关部件载荷,对风电机组的运行寿命起着至关重要的作用。现有风电机组控制系统通过设置变桨机构,在风速过大的时候,变换桨叶角度来改变叶片处的空气入流角,减小叶片受到的轴向载荷,但是变桨动作所需要的扭矩巨大,同时叶片本身具有较大的转动惯量,作为变桨执行机构的低速大扭矩电机的响应时间延迟较大,不能及时的进行变桨动作,导致叶片轴向方向上振动过大,载荷过高,无法达到叶片所能承受的范围,影响叶片以及整个机组的性能和寿命,导致风电机组维护成本巨大。
    风电机组叶片振动液压控制系统,包括叶片振动信号处理系统、振动控制计算系统和振动液压控制执行系统。其中,叶片振动信号处理系统由振动加速度传感器和滤波器构成,振动控制计算系统由PID 控制器构成,振动液压控制执行系统由液压减震器构成。


    风电机组叶片振动信号处理系统


    叶片是风电机组的主要部件,其结构强度直接影响到风电机组的工作效率和运行可靠性。风电机组叶片的工作环境除了承受变化的空气动力外,还受到本身惯性力以及机舱带来的负荷,很容易发生振动。
    风电机组的叶片上安装振动加速度传感器。由于风速变化而引起叶片在轴向方向上产生振动,该振动加速度传感器能够对叶片振动的加速度数值进行采集测量,反应叶片振动的运动性质。由于风电机组的机舱工作受到风速流动的推力和压力,以及温度变化等方面的影响,应采取工作频率范围较宽、坚固耐用以及受到外界干扰较小的传感器。本风电机组振动液压控制系统采用压电式加速度传感器,它具有压电材料受力产生电荷信号无需外界电源、抗干扰能力强、对工作环境不敏感的特点,利用弹簧质量系统原理,在传感器芯体质量受到振动加速度作用后产生一个与该加速度成正比的力,传感器的压电材料受此力作用后在其表面上形成与这一力成正比的电荷信号,完成对塔筒前后加速度的测量。由于振动加速度传感器测量出的加速度信号会受到测量过程中产生的噪声的影响,所以需要在振动加速度传感器之后连接滤波器对采集到的信号进行滤波,其中采用低通滤波器为:

 

    其中s 为拉普拉斯变换变量,z 为低通滤波器的阻尼系数,w 为低通滤波器的频率。叶片振动加速度信号在经过滤波器进行滤波处理之后,去除噪声对信号的影响,消除产生的毛刺噪声,保证整个信号的稳定性和有效性以及控制系统的性能。


    风电机组振动控制计算系统


    风电机组振动控制计算系统首先将接收到的振动加速度信号的测量值和一个预先设定的参考信号进行比较,然后把比较后得出的差值传给PID 控制器计算出控制器的输出值,即液压减震器节流孔的流通面积,以得到预期的减少叶片振动的控制效果。其中PID 控制器为:

 

    这里u 为PID 控制器的输出,KP,KI,KD 分别为比例,积分和微分系数,e 为接收到的振动加速度信号的测量值和预先设定的参考值差值。

    该控制器中放大比例环节会使系统动作迅速,反应速度快,稳态误差变小,但比例系数过大会使系统的振荡次数增加,调节时间变长。积分环节可消除系统的稳态误差,提高系统的无差度。微分环节可以提高系统动态特性,反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。风电机组叶片振动的能量受到叶片阻尼的影响进行衰减,根据阻尼使振动停止的效果不同,可以分为欠阻尼,过阻尼和临界阻尼。这三种阻尼振动的方式不同,当阻尼取一个特定的数值的时候,塔筒前后振动会很快地靠近平衡位置,以临界阻尼回到平衡位置所需时间最短,其阻尼数值小于过阻尼,而大于欠阻尼。所以根据风速变化造成的叶片振动的大小,通过该控制系统进行叶片控制实际调节了叶片的阻尼特性,使其达到临界阻尼状态,能够有效的消除振动的影响。通过综合考虑风电机组的动态性能和静态性能,对PID 三个控制系数进行合理的设定逐步的调节,能够兼顾系统稳定快速以及对目标参考曲线的快速跟踪,满足控制性能的要求。PID 控制器计算出控制输出即液压减震器节流孔的流通面积以后,将该控制输出信号传给振动液压控制执行系统。

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