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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)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州浙大路38號(hào)；310027 2014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)對風(fēng)力發(fā)電的調(diào)節(jié)有直接的影響，對變槳距風(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)的競爭力。 這些系統(tǒng)基本上有兩種類型：機(jī)電和液壓。對于機(jī)電式，可以通過使用電動(dòng)機(jī)來實(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)相對緊湊和準(zhǔn)確，穩(wěn)定性和功率質(zhì)量可能相對較低。 對于液壓俯仰系統(tǒng)，通常使用值控制液壓缸來通過滑塊-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，可靠性評估，系統(tǒng)建模和獨(dú)立俯仰控制。Chiang等人開發(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，但是沒有提供對該系統(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，可以通過伺服中的內(nèi)部水力機(jī)械位置閉環(huán)來精確控制。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)。來自數(shù)字電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)打開閥門并將來自恒定液壓動(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)能夠避免測量或反饋俯仰角信號(hào)的必要性，因此無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對齊并垂直于紙張表面。 俯仰軸線穿過每個(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)。 考慮從旋轉(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 —0‐A;線段的長度 —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; 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考慮俯仰承載效率來近似估計(jì) （17） 3.2齒輪比 液壓伺服機(jī)構(gòu)的軸通過傳動(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對等式（20）進(jìn)行微分來確定，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，可以通過使用等式（33）和（34）來計(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)，可以通過以下轉(zhuǎn)換功能來描述。 (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，并且可以通過使用圖5中的框圖來說明。 因此，開環(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。 可以通過將方程（38）與（42）進(jìn)行比較來進(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。 （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，通過使用上述PI俯仰角控制器來進(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，并且可以通過使用新穎的俯仰控制系統(tǒng)來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Δ30dB。因此，通過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。 我們未來的研究將包括現(xiàn)場測試和理論和實(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)工作得到了中國國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究組科學(xué)基金51221004，中國國家自然科學(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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[22] Siemens S7-200 programmable controller system manual. 08/2005 - 36 - 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄B 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 課題名稱垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) XXXXXXXX 姓 名 XXX 專 業(yè) 機(jī)械工程 指導(dǎo)教師 XXX 開題時(shí)間 2017年 3月 20日 XX大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 一、立論依據(jù) 1． 本課題的目的和意義 1.1目的： 風(fēng)能是一種取之不盡,無任何污染的可再生能源。地球上的風(fēng)能資源極其豐富，據(jù)專家估計(jì)，僅1%的地面風(fēng)力就能滿足全世界對能源的需求。人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動(dòng)力，應(yīng)用于人類生活的眾多方面。風(fēng)力發(fā)電的探索，則起源于19世紀(jì)末的丹麥，但是直到20世紀(jì)70年代以前，還只有小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。1973年爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)，動(dòng)員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)代。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國的重視。 綜上我們知道：清潔能源利國利民，但由于目前資源型能源價(jià)格低，可再生能源投資大有資源型能源，投資回收期長，因而造成清潔能源發(fā)展緩慢。但隨著資源型能源的價(jià)值提高，給可再生能源帶來了一定的生機(jī)，特別是沿海等風(fēng)帶的風(fēng)力發(fā)電更是發(fā)展迅猛。但城郊等低高度低風(fēng)速的應(yīng)用尚不普及，特別是可應(yīng)用于公共設(shè)施的垂直軸低風(fēng)速發(fā)電機(jī)開發(fā)少之又少。因此，充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。 本課題來自于社會(huì)的需求，風(fēng)力是一種清潔能源，是一種環(huán)保能源。相對于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低、無噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場應(yīng)用前景，相信在不久的將來，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為。 因此充分利用低速風(fēng)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要 1.2意義 目前，中國的大氣污染已經(jīng)對社會(huì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，從中央到地方，無不對工業(yè)污染造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約和國際對華投資的負(fù)面影響而擔(dān)憂。垂直軸風(fēng)力機(jī)由于具有噪聲低、美觀、可以與建筑一體化等方面的優(yōu)勢，用它來發(fā)電可作為生產(chǎn)清潔能源的補(bǔ)充。水平軸風(fēng)力發(fā)電和光伏做不到的領(lǐng)域，垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電可以做到。 綜上所述，本課題所設(shè)計(jì)的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有十分重要的使用價(jià)值。 二、文獻(xiàn)綜述 1． 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)——使風(fēng)電建筑一體化成為可能 風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電一樣，最初是為了解決應(yīng)急電源和邊遠(yuǎn)地區(qū)供電而開發(fā)出來的產(chǎn)品，因而在最初發(fā)展并不是很快。 到了上個(gè)世紀(jì)二、三十年代，全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)帶來的能源緊張，讓世界各國的專家想到了以風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充能源的可行性。第二次世界大戰(zhàn)后，各國紛紛進(jìn)行研究，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平較差，啟動(dòng)風(fēng)速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放在人跡罕至的地方或風(fēng)力較大的地方。設(shè)備也是往大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展，專門建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場，由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，小型風(fēng)力發(fā)電在相當(dāng)長的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。 2002年，中國率先開始了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，由部隊(duì)通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安軍電、西安交大、同濟(jì)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校的多位專家配合，在短短的一年時(shí)間里就生產(chǎn)出了首臺(tái)新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。并在不到5年的時(shí)間里將功率擴(kuò)展至200W～100KW，處于世界領(lǐng)先地位。 世界上其他國家也都進(jìn)行了新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制，日本在2002年初開始研究，2003年初產(chǎn)品投放市場，功率在0.5～30KW之間。美國、英國、德國、奧地利、韓國等國家也都在2006年已生產(chǎn)出樣機(jī)，準(zhǔn)備投入規(guī)?；a(chǎn)，功率都在10KW以內(nèi)。 2． 所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段 網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館借閱。 參考文獻(xiàn) [1] 宋海輝，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程 中國水利水電出版社 2009.2 [2] 葉杭冶，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù) 2010.6 [3] 吳雙群，風(fēng)力發(fā)電原理 2011.10 [4] 馬麗娜，風(fēng)力發(fā)電實(shí)用技術(shù)問答 2009.9 [5] 孫志禮，機(jī)械設(shè)計(jì)[M]，北京：科學(xué)出版社，2015.3 [6] 李樹軍，機(jī)械原理[M]，北京：科學(xué)出版社，2009.8 [7] 王季秩等．電機(jī)實(shí)用技術(shù)．上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1997 [8] Yin X X, Lin Y G, Li W, et al. 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[9] Kristian Regenstein, Design of an open hardware architecture for the humanoid robot ARMAR 三、研究內(nèi)容 1．課題的構(gòu)想與思路 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和課題的目標(biāo)，選擇發(fā)電機(jī)的種類，設(shè)計(jì)計(jì)算它的各種數(shù)據(jù)，選擇發(fā)電機(jī)各個(gè)部件的材料，對啟動(dòng)阻力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，并校核發(fā)電機(jī)軸和軸系零件，對軸承進(jìn)行強(qiáng)度校合和壽命計(jì)算。 2．主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案：包括發(fā)電機(jī)整體方案的設(shè)計(jì)，葉片葉型的設(shè)計(jì)與選擇，制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)等。 在已有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，較為典型的有：達(dá)里厄(Darrieus)式垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)、旋翼式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。 大型達(dá)里厄垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、塔架和拉線等組成。 3．?dāng)M解決的關(guān)鍵技術(shù) 增速器及增速箱的設(shè)計(jì)及選擇：包括箱體的具體設(shè)計(jì)及各個(gè)齒輪傳動(dòng)比等的設(shè)計(jì)。 4． 總體設(shè)計(jì)方案 1）、安全性：由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題得到了較好的解決。 2）、噪音：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī)翼原理設(shè)計(jì)，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度。 3）、抗風(fēng)能力 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使得它受風(fēng)壓力小，可以抵抗每秒45米的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。 4）、回轉(zhuǎn)半徑 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風(fēng)力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時(shí)提高了效率。 5）、發(fā)電曲線特性 由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，它的啟動(dòng)風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5-8米風(fēng)速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高10%—30% 6）、利用風(fēng)速范圍 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5—25m/s，在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性。 7）、剎車裝置 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可配置機(jī)械手動(dòng)和電子自動(dòng)剎車兩種，在無臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動(dòng)剎車即可。 8）、運(yùn)行維護(hù) 由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，定期（一般每半年）對運(yùn)轉(zhuǎn)部件的連接進(jìn)行檢查即可。 5、預(yù)期效果 設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定風(fēng)速3～20m/s，輸出功率為500W的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，增加了增速器，并為其設(shè)計(jì)了對應(yīng)的支架，使得當(dāng)風(fēng)力小的時(shí)候，還能保證發(fā)電機(jī)依舊可以工作。 四、工作計(jì)劃 序號(hào) 階段及內(nèi)容 工作量估計(jì) （時(shí)數(shù)） 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料，了解本設(shè)計(jì)的目的、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)展動(dòng)態(tài)；明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本組成部分，各部分主要功能和主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；翻譯英語文獻(xiàn)。 160 1-4周 完成開題報(bào)告、英語文獻(xiàn)翻譯。 2 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、重要部件的強(qiáng)度計(jì)算；對主要零部件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 200 5-9周 完成主要結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)、中期報(bào)告。 3 根據(jù)計(jì)算所得設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行二維設(shè)計(jì)；修改、完善二維裝配圖設(shè)計(jì)；進(jìn)行部分零件圖設(shè)計(jì)。 160 10-13周 完成三維設(shè)計(jì)，二維裝配圖設(shè)計(jì)、部分零件圖設(shè)計(jì)。 4 撰寫畢業(yè)論文； 80 13-14周 按要求完成畢業(yè)論文 5 論文修改、提交材料準(zhǔn)備答辯。 80 14-15周 準(zhǔn)備好各項(xiàng)材料 合計(jì)工作量：160+200+160+80+80=680 五、評審意見 指導(dǎo)教師對本課題的評價(jià) 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 4