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畢業(yè)設(shè)計（論文） 附錄A 附錄A 英文翻譯 一種新型俯仰角控制的風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，建模與實現(xiàn) 尹秀星，林永剛 浙江大學流體動力傳動與控制國家重點實驗室，浙江杭州浙大路38號；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系轉(zhuǎn)矩波動用于風力發(fā)電機。該系統(tǒng)的特征在于外部開放控制回路，為增強直接俯仰運動和內(nèi)在的水力機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)實的設(shè)計程序，而且?guī)讉€關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)被確定或優(yōu)化。這種音調(diào)的建模，穩(wěn)定性分析和動態(tài)特性還提出了控制系統(tǒng)。通過比較實驗結(jié)果，驗證了該系統(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：風力發(fā)電機；俯仰角控制系統(tǒng)；水力機械位置控制回路；系統(tǒng)建模；穩(wěn)定性分析；動態(tài)特性 1、背景介紹 漿距角控制系統(tǒng)通常用于大型風力發(fā)電機，以保持捕獲的風力接近額定值高于額定風速，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)及風荷載，保護風力發(fā)電機在強陣風期間的疲勞損傷。因此，這些系統(tǒng)對風力發(fā)電的調(diào)節(jié)有直接的影響，對變槳距風力發(fā)電機具有重要意義。此外，高性能和可靠性先進的音高控制系統(tǒng)可以滿足日益嚴格的性能要求，由現(xiàn)代渦輪機規(guī)定的要求，必不可少的提升風能技術(shù)的競爭力。 這些系統(tǒng)基本上有兩種類型：機電和液壓。對于機電式，可以通過使用電動機來實現(xiàn)俯仰動作。這個系統(tǒng)已經(jīng)在文獻中得到廣泛的研究系統(tǒng)設(shè)計，動態(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)的充分詳細的動態(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-曲柄機構(gòu)，該系統(tǒng)的控制精度相對較差。 本文的主要貢獻是一種新穎的俯仰角度控制系統(tǒng)和詳細的分析方法，如設(shè)計程序，系統(tǒng)建模，穩(wěn)定性和動態(tài)分析。通過整合上述兩種基本不同的工作機制，這種新穎的系統(tǒng)在克服其眾所周知的實際性能限制的同時，具有兩種類型的優(yōu)點。通過在所提出的系統(tǒng)中使用液壓馬達可以提高傳統(tǒng)機電槳距系統(tǒng)的功率/質(zhì)量比，其中電動機用于控制，而不是在機電系統(tǒng)。通過結(jié)合旋轉(zhuǎn)液壓伺服而不是滑塊 - 曲柄機構(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。這是因為產(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，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力發(fā)電機系統(tǒng)。因此，這種顯著的性能改進使得所提出的俯仰控制系統(tǒng)成為工業(yè)應(yīng)用的一個有希望的選擇。 2、文章說明 如圖1所示，由數(shù)字電動機，液壓伺服機構(gòu)和安裝在機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)字電動機作為將數(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)行機構(gòu)。來自數(shù)字電動機的旋轉(zhuǎn)運動打開閥門并將來自恒定液壓動力源的油流輸送到該致動器，該致動器的運動通過螺桿和螺母組合被反饋并從輸入運動中減去，以便中止閥門并關(guān)閉這個循環(huán)。因此，這種運動在液壓伺服系統(tǒng)中自動創(chuàng)建一個內(nèi)在的水力機械位置控制回路。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，液壓軸向柱塞馬達可用作旋轉(zhuǎn)致動器。 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)液壓致動器而不是其它槳距系統(tǒng)中的電動機或液壓缸實現(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)適合于大型風力發(fā)電機組。 （b） 內(nèi)在的水力機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)計使得這種俯仰系統(tǒng)適合于單獨的俯仰控制。 （d） 該系統(tǒng)可以由主機直接控制，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成本。 3、系統(tǒng)設(shè)計 3.1 間距負載 首先介紹俯仰載荷的計算，因為它是系統(tǒng)設(shè)計的重要前提。 這種載荷主要來自空氣動力學，重力和動態(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作相關(guān)聯(lián)的負載的主要來源，并且將詳細討論如下。 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O處建立兩個坐標系。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B。 作用在這一點上的增量離心力是 （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可以分解為一個分量dFn，垂直于葉片橫截面和部件dFt平行于這個橫截面 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B的坐標為 （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B（x1B，y1B）的坐標幀（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 - 機翼厚度; D - 風機轉(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式： （16） —葉片的增量半徑。 設(shè)計的實際俯仰載荷可以通過考慮俯仰承載效率來近似估計 （17） 3.2齒輪比 液壓伺服機構(gòu)的軸通過傳動比為i的齒輪組聯(lián)接到葉片根部。 可以根據(jù)3.1節(jié)中給出的實際俯仰載荷Tp來合理計算俯仰傳動比。 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際約束。 (25) ‐最佳齒輪傳動比; —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; —俯仰速率達到其最大值所需的時間。 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)計的兩個重要參數(shù)。 這兩個參數(shù)也可以根據(jù)3.2節(jié)中的計算參數(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; —負載壓力。 將方程（28）相對于進行微分，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)生在負載壓力和流量獲得等式（29）和（30）中的特定值的點。 液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)能在最大功率點處理最大槳距負載。 從而， (31) (32) 其中 —體積位移; ‐液壓伺服在最大功率點的流量; —液壓伺服在最大功率點的負載壓力; 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）來計算液壓伺服的體積位移和最大流量。 實際上，兩個參數(shù)的值應(yīng)稍微增加，以補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)的動態(tài)性能主要由水力機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閥門控制的液壓馬達，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自動生成的。 因此，由于這種直接反饋閉環(huán)，可以實現(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)路動力學的分析通常集中在穩(wěn)定性要求上。 Routh-Hurwitz穩(wěn)定性標準用于確定該系統(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％。 這個基本結(jié)果為設(shè)計目的提供了經(jīng)驗法則。 4.3 動態(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）進行比較來進行以下近似。 (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，當考慮方程時，該系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)可以由速度增益和液壓固有頻率主導(dǎo)。這兩個參數(shù)的高值對于實現(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)時在穩(wěn)定裕度和該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)之間進行權(quán)衡。因此，提高該系統(tǒng)的動態(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)在主要包括風力渦輪機模擬器，主機和所提出的槳距控制系統(tǒng)的實驗裝置中實現(xiàn)和測試。風力渦輪機模擬器用于精確再現(xiàn)1.5兆瓦變速可變槳距風力發(fā)電機的給定風速曲線的動態(tài)和靜態(tài)特性。該模擬器主要由速度控制的風力轉(zhuǎn)子和目標計算機組成。包括機艙，小型渦輪機葉片和俯仰機構(gòu)在內(nèi)的風力發(fā)電機被構(gòu)建以復(fù)制各種俯仰運動的實際效果。配備商業(yè)軟件包GH Bladed的目標計算機被用于控制風力轉(zhuǎn)子并模擬其他渦輪機子系統(tǒng)，如空氣動力學，發(fā)電機和結(jié)構(gòu)動力學。系統(tǒng)參數(shù)如俯仰角，風速，輸出功率和扭矩反饋給主機。配備數(shù)字電機驅(qū)動器的主機和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，實驗設(shè)置。 通過使用LabView軟件，在主機中設(shè)計了比例積分（PI）槳距角控制器，根據(jù)額定輸出功率與實際值之間的誤差生成俯仰控制命令。 該PI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)字馬達驅(qū)動器發(fā)送到槳距控制系統(tǒng)和風力渦輪機模擬器，并因此發(fā)生俯仰運動。 在實踐中，可以考慮以下方法來進一步促進俯仰角控制器和新型槳距控制系統(tǒng)的低成本工業(yè)實現(xiàn)。 （a） 設(shè)計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）封裝進行合理編程。 （b） 設(shè)計的PI俯仰角控制器可以很容易地在PLC中進行編程，因為PLC中總是存在預(yù)定義和自動調(diào)節(jié)的PI控制器模塊。因此，可以顯著降低編程時間和成本。 （c） 俯仰角控制器和俯仰控制系統(tǒng)可以在工業(yè)風力發(fā)電機中進行設(shè)計和實現(xiàn)，而無需使用附加的PLC擴展模塊，俯仰角度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因為俯仰系統(tǒng)可以由數(shù)字電動機床控制并由內(nèi)部水力控制機械閉合控制回路。 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)的實驗結(jié)果。液壓缸安裝在曲柄擺動塊上，由比例閥控制，以實現(xiàn)俯仰控制運動。在與所提出的俯仰控制系統(tǒng)的實驗相同的操作條件下，通過使用上述PI俯仰角控制器來進行該常規(guī)俯仰系統(tǒng)的比較實驗。 主要實驗參數(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)的建立時間約為0.26s，而對于傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)，建立時間約為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，具有相當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，用于比較實驗的渦輪葉片跨度的10分鐘有效風速數(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，當使用新的俯仰控制系統(tǒng)時，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，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，在0.15 MW / s和?0.15 MW / s之間顯著波動，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輪額定轉(zhuǎn)速（0.68Hz）的輸出功率波動。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減速傳動系轉(zhuǎn)矩波動 將圖9（a）所示的風速曲線應(yīng)用于風力渦輪機模擬器，以評估兩個俯仰控制系統(tǒng)在平滑傳動系轉(zhuǎn)矩波動中。 該風速分布的平均值為20m/s，湍流強度為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。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，以實現(xiàn)俯仰控制精度的提高和傳動系轉(zhuǎn)矩波動的更嚴格的規(guī)定。 如圖9（d）和（e）所示，當使用常規(guī)槳距系統(tǒng)，驅(qū)動系轉(zhuǎn)矩在每單位1.34與單位0.8之間變動很大，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)在減輕傳動系轉(zhuǎn)矩波動方面表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的槳距系統(tǒng)更有效和更好的動態(tài)穩(wěn)定性。所提出的新型變槳控制系統(tǒng)可以進一步用于大型風力發(fā)電機，用于快速功率和轉(zhuǎn)矩控制，以提高總體動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性并增加風力發(fā)電機的使用壽命。 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系轉(zhuǎn)矩波動。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輪額定轉(zhuǎn)速（0.68Hz）的傳動系轉(zhuǎn)矩波動。 圖9.減輕傳動系轉(zhuǎn)矩波動的比較結(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)來平滑風力渦輪機的輸出功率和傳動系轉(zhuǎn)矩波動。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)的詳細設(shè)計步驟，系統(tǒng)建模，動態(tài)特性和穩(wěn)定性分析。這種新的變槳控制系統(tǒng)已經(jīng)在一個實驗裝置中進行了測試。實驗結(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系轉(zhuǎn)矩波動方面也具有顯著的改進。此外，所提出的新穎的槳距控制系統(tǒng)可能對于大型風力發(fā)電機具有相當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)場測試和理論和實用俯仰角控制策略的發(fā)展，以進一步提高所提出的系統(tǒng)對大型渦輪機輸出功率和扭矩規(guī)定的控制性能。 致謝 這項工作得到了中國國家自然科學基金委創(chuàng)新研究組科學基金51221004，中國國家自然科學基金撥款號51275448及重點大學基礎(chǔ)研究基金的部分支持。 參考文獻 [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（論文） 附錄B 本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 課題名稱垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計 學 號 XXXXXXXX 姓 名 XXX 專 業(yè) 機械工程 指導(dǎo)教師 XXX 開題時間 2017年 3月 20日 XX大學機械工程與自動化學院 一、立論依據(jù) 1． 本課題的目的和意義 1.1目的： 風能是一種取之不盡,無任何污染的可再生能源。地球上的風能資源極其豐富，據(jù)專家估計，僅1%的地面風力就能滿足全世界對能源的需求。人類利用風能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機發(fā)明以前風能曾作為重要的動力，應(yīng)用于人類生活的眾多方面。風力發(fā)電的探索，則起源于19世紀末的丹麥，但是直到20世紀70年代以前，還只有小型充電用風力發(fā)電機達到實用階段。1973年爆發(fā)石油危機以后，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費，動員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計算機、空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學和材料科學等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風力發(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時代。由于風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風力發(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值提高，給可再生能源帶來了一定的生機，特別是沿海等風帶的風力發(fā)電更是發(fā)展迅猛。但城郊等低高度低風速的應(yīng)用尚不普及，特別是可應(yīng)用于公共設(shè)施的垂直軸低風速發(fā)電機開發(fā)少之又少。因此，充分利用低速風能的垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。 本課題來自于社會的需求，風力是一種清潔能源，是一種環(huán)保能源。相對于傳統(tǒng)的水平軸風力發(fā)電機，垂直軸風力發(fā)電機具有設(shè)計方法先進、風能利用率高、起動風速低、無噪音等眾多優(yōu)點，具有更加廣闊的市場應(yīng)用前景，相信在不久的將來，垂直軸風力發(fā)電機將大有作為。 因此充分利用低速風能的垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計在提倡可持續(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)對社會環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅，從中央到地方，無不對工業(yè)污染造成的經(jīng)濟發(fā)展制約和國際對華投資的負面影響而擔憂。垂直軸風力機由于具有噪聲低、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)清潔能源的補充。水平軸風力發(fā)電和光伏做不到的領(lǐng)域，垂直軸風力機發(fā)電可以做到。 綜上所述，本課題所設(shè)計的垂直式風力發(fā)電機具有十分重要的使用價值。 二、文獻綜述 1． 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài) 垂直軸風力發(fā)電機——使風電建筑一體化成為可能 風力發(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。 到了上個世紀二、三十年代，全球經(jīng)濟危機帶來的能源緊張，讓世界各國的專家想到了以風力發(fā)電作為補充能源的可行性。第二次世界大戰(zhàn)后，各國紛紛進行研究，由于當時的技術(shù)水平較差，啟動風速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設(shè)備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設(shè)大型風力發(fā)電場，由于水平軸風力發(fā)電機的特性，小型風力發(fā)電在相當長的時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力發(fā)電機的研究，由部隊通訊部牽頭，上海某公司為研發(fā)主體，西安軍電、西安交大、同濟大學、復(fù)旦大學等高校的多位專家配合，在短短的一年時間里就生產(chǎn)出了首臺新型垂直軸風力發(fā)電機。并在不到5年的時間里將功率擴展至200W～100KW，處于世界領(lǐng)先地位。 世界上其他國家也都進行了新型垂直軸風力發(fā)電機的研制，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，準備投入規(guī)?；a(chǎn)，功率都在10KW以內(nèi)。 2． 所閱文獻的查閱范圍及手段 網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館借閱。 參考文獻 [1] 宋海輝，風力發(fā)電技術(shù)及工程 中國水利水電出版社 2009.2 [2] 葉杭冶，風力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、運行與維護 2010.6 [3] 吳雙群，風力發(fā)電原理 2011.10 [4] 馬麗娜，風力發(fā)電實用技術(shù)問答 2009.9 [5] 孫志禮，機械設(shè)計[M]，北京：科學出版社，2015.3 [6] 李樹軍，機械原理[M]，北京：科學出版社，2009.8 [7] 王季秩等．電機實用技術(shù)．上海：科學技術(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)實際應(yīng)用和課題的目標，選擇發(fā)電機的種類，設(shè)計計算它的各種數(shù)據(jù)，選擇發(fā)電機各個部件的材料，對啟動阻力矩和負載轉(zhuǎn)矩進行計算，并校核發(fā)電機軸和軸系零件，對軸承進行強度校合和壽命計算。 2．主要設(shè)計內(nèi)容 風力發(fā)電機的設(shè)計方案：包括發(fā)電機整體方案的設(shè)計，葉片葉型的設(shè)計與選擇，制動裝置的設(shè)計等。 在已有的垂直軸風力發(fā)電機中，較為典型的有：達里厄(Darrieus)式垂直風力發(fā)電機、旋翼式風力發(fā)電機等。 大型達里厄垂直風力發(fā)電機主要由風輪、垂直軸、增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機、塔架和拉線等組成。 3．擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 增速器及增速箱的設(shè)計及選擇：包括箱體的具體設(shè)計及各個齒輪傳動比等的設(shè)計。 4． 總體設(shè)計方案 1）、安全性：由于垂直軸風力發(fā)電機采用了垂直葉片和三角形雙支點設(shè)計，并且主要受力點集中于輪轂，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：垂直軸風力發(fā)電機采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機機翼原理設(shè)計，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度。 3）、抗風能力 垂直軸風力發(fā)電機的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點設(shè)計原理，使得它受風壓力小，可以抵抗每秒45米的超強臺風。 4）、回轉(zhuǎn)半徑 垂直軸風力發(fā)電機由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風力發(fā)電具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時提高了效率。 5）、發(fā)電曲線特性 由于垂直軸風力發(fā)電機的運轉(zhuǎn)特性，它的啟動風速低于其他形式的風力發(fā)電機，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5-8米風速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風力發(fā)電機高10%—30% 6）、利用風速范圍 垂直軸風力發(fā)電機采用了特殊的控制原理，使它的適合運行風速范圍擴大到2.5—25m/s，在最大限度利用風力資源的同時獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風電設(shè)備使用的經(jīng)濟性。 7）、剎車裝置 垂直軸風力發(fā)電機可配置機械手動和電子自動剎車兩種，在無臺風和超強陣風的地區(qū)，僅需設(shè)置手動剎車即可。 8）、運行維護 由于垂直軸風力發(fā)電機采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，定期（一般每半年）對運轉(zhuǎn)部件的連接進行檢查即可。 5、預(yù)期效果 設(shè)計了一臺額定風速3～20m/s，輸出功率為500W的垂直式風力發(fā)電機，增加了增速器，并為其設(shè)計了對應(yīng)的支架，使得當風力小的時候，還能保證發(fā)電機依舊可以工作。 四、工作計劃 序號 階段及內(nèi)容 工作量估計 （時數(shù)） 起止日期 階段成果形式 1 查閱資料，了解本設(shè)計的目的、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)展動態(tài)；明確風力發(fā)電機的基本組成部分，各部分主要功能和主要的設(shè)計參數(shù)，進行方案設(shè)計；翻譯英語文獻。 160 1-4周 完成開題報告、英語文獻翻譯。 2 根據(jù)設(shè)計方案，進行基本參數(shù)設(shè)計計算、重要部件的強度計算；對主要零部件進行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計 200 5-9周 完成主要結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計、中期報告。 3 根據(jù)計算所得設(shè)計參數(shù)進行二維設(shè)計；修改、完善二維裝配圖設(shè)計；進行部分零件圖設(shè)計。 160 10-13周 完成三維設(shè)計，二維裝配圖設(shè)計、部分零件圖設(shè)計。 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、提交材料準備答辯。 80 14-15周 準備好各項材料 合計工作量：160+200+160+80+80=680 五、評審意見 指導(dǎo)教師對本課題的評價 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 4