基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統及控制方法

2023-05-20 23:08:46

專利名稱：基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統及控制方法
技術領域：
本發明屬於風力發電技術領域，尤其涉及一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統及控制方法。
背景技術：
近年來，伴隨著全球對環境問題日益重視、高油價和風電技術日益成熟,全球風電獲得了超常發展，我國風電的發展尤為迅速。大型風力機和大型風電場併網發電正成為風能有效利用的主要形式。風力機葉片在旋轉過程中，受到來自各種不同來源氣流的快速波動荷載作用，包括湍流的風塔影、風剪切和偏航等所造成的。空氣流在柔性葉片上產生不規則彈性振動，葉片在旋轉平面內的彎曲振動即擺振，是造成風力機疲勞載荷的重要因素之一。近年來，為了·實現風能的規模利用，風力機葉片的結構尺寸在持續增大，但也增加了風力機葉片上的載荷。由於葉片載荷影響了其他組件如機械傳動系統和杆塔的載荷，導致風電總成本急劇攀升。單純降低傳統的固定翼形葉片成本，對降低總成本作用有限。

發明內容
針對背景技術中提到的現有大型風力機葉片，在降低疲勞負荷方面的缺點和不足，本發明提出一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統及控制方法。一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統，其特徵在於，所述系統包括風力機葉尖、振動控制卡和上位機；所述風力機葉尖包括第一光纖應變傳感器、第二光纖應變傳感器、第三光纖應變傳感器、第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器；所述振動控制卡包括信號調理器、第一低通濾波器、模數轉換器、數位訊號處理器DSP、USB接口、數模轉換器、第二低通濾波器和壓控恆流源；其中，所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器分別與所述信號調理器連接；所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器用於採集信號；所述信號調理器用於將採集到的信號轉換成電壓信號；所述信號調理器、第一低通濾波器、模數轉換器和數位訊號處理器DSP順次連接；所述第一低通濾波器用於濾掉高頻幹擾信號；所述模數轉換器用於將模擬信號轉換成數位訊號；所述數位訊號處理器DSP用於對接收到的信號進行處理；所述數位訊號處理器DSP、數模轉換器、第二低通濾波器和壓控恆流源順次連接；所述數模轉換器用於將數位訊號轉換成模擬信號；所述第二低通濾波器用於平滑模擬電壓量；所述壓控恆流源用於將模擬電壓信號轉換成電流信號；所述壓控恆流源分別與所述第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器連接；所述第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器用於在電流信號的控制下伸長或收縮；所述第三光纖應變傳感器與所述模數轉換器連接；所述第三光纖應變傳感器用於提供參考應變信號；所述USB接口分別與所述數位訊號處理器DSP和上位機連接。所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器安裝在風力機葉尖內側。所述第三光纖應變傳感器安裝在風力機葉尖的上部外側。所述風力機葉尖包括連接件、腹板、第一位移放大結構和第二位移放大結構；所述連接件安裝在風力機葉尖的內部。所述第一超磁致伸縮智能作動器和第二超磁致伸縮智能作動器通過柔性鉸鏈與連接件連接；所述連接件安裝在風力機葉尖的腹板上；所述第一位移放大結構通過柔性鉸鏈連與第一超磁致伸縮智能作動器連接，並與葉尖內部一側連接；所述第二位移放大結構通過柔性鉸鏈連與第二超磁致伸縮智能作動器連接，並與葉尖內部另一側連接；所述第一光纖應變傳感器安裝在第一位移放大結構的上部；所述第二光纖應變傳感器安裝在第二位移放大結構的上部。一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統的控制方法，其特徵在於，具體包括以下步驟步驟I :變量初始化確定4路通過濾波器信號的階數，階數設為N ;使用模糊推理算法得到權向量初值V = [V。, V1, . . . , vN]T和W = [W。, W1, . . . , wN]τ ;初始化輸入向量X(k)和輸出向量F1 (k)和F3 (k)及G1 (k)和G2 (k)；步驟2 :更新濾波器權係數，並輸出控制量；步驟21 :設 k = I ；步驟22 :讀入當前誤差信號ei(k)和62(10，更新輸入向量乂00 X(k)中原值各右移一位；讀入當前輸入X(k)且X(k)
=x(k)；步驟23:更新輸入向量的確定性相關係數函數矩陣Ojk)、Φ2(10、Φ3(10和04(k), Φ! (k) = Φ! (k-1) +X (k) *χτ (k),計算/ 句，1=1，2, 3, 4 ；步驟24 :更新兩個濾波器權係數，具體包括以下步驟步驟241:設定1=0;步驟242 :根據公式計算濾波器權係數；W1 ⑴=W1 ⑴-K12 ⑴ *e! (k) ; V1 ⑴=V1 ⑴-K11 ⑴ *e! (k)；W2 (i) =W2 (i) -K22 (i) *e2 (k) ; V2 (i) =V2 (i) -K21 (i) *e2 (k)；步驟243 :令 i=i+l ；步驟244 :判斷i是否小於N+1 ;如果是，則執行步驟242 ;否，則執行步驟25 ；步驟25 :計算濾波器輸出輸出向量F1 (k)和F2 (k)及G1 (k)和G2 (k)中值各右移I位；計算當前輸出值
權利要求
1.一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統，其特徵在於，所述系統包括風力機葉尖、振動控制卡和上位機；所述風力機葉尖包括第一光纖應變傳感器、第二光纖應變傳感器、第三光纖應變傳感器、第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器；所述振動控制卡包括信號調理器、第一低通濾波器、模數轉換器、數位訊號處理器DSP、USB接口、數模轉換器、第二低通濾波器和壓控恆流源； 其中，所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器分別與所述信號調理器連接；所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器用於採集信號；所述信號調理器用於將採集到的信號轉換成電壓信號； 所述信號調理器、第一低通濾波器、模數轉換器和數位訊號處理器DSP順次連接；所述第一低通濾波器用於濾掉高頻幹擾信號；所述模數轉換器用於將模擬信號轉換成數位訊號；所述數位訊號處理器DSP用於對接收到的信號進行處理； 所述數位訊號處理器DSP、數模轉換器、第二低通濾波器和壓控恆流源順次連接；所述數模轉換器用於將數位訊號轉換成模擬信號；所述第二低通濾波器用於平滑模擬電壓量；所述壓控恆流源用於將模擬電壓信號轉換成電流信號； 所述壓控恆流源分別與所述第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器連接；所述第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器用於在電流信號的控制下伸長或收縮； 所述第三光纖應變傳感器與所述模數轉換器連接；所述第三光纖應變傳感器用於提供參考應變信號； 所述USB接口分別與所述數位訊號處理器DSP和上位機連接。
2.根據權利要求I所述的一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統，其特徵在於，所述第一光纖應變傳感器和第二光纖應變傳感器安裝在風力機葉尖內側。
3.根據權利要求I所述的一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統，其特徵在於，所述第三光纖應變傳感器安裝在風力機葉尖的上部外側。
4.根據權利要求I所述的一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統，其特徵在於，所述風力機葉尖包括連接件、腹板、第一位移放大結構和第二位移放大結構；所述連接件安裝在風力機葉尖的內部；所述第一超磁致伸縮智能作動器和第二超磁致伸縮智能作動器通過柔性鉸鏈與連接件連接；所述連接件安裝在風力機葉尖的腹板上；所述第一位移放大結構通過柔性鉸鏈連與第一超磁致伸縮智能作動器連接，並與葉尖內部一側連接；所述第二位移放大結構通過柔性鉸鏈連與第二超磁致伸縮智能作動器連接，並與葉尖內部另一側連接；所述第一光纖應變傳感器安裝在第一位移放大結構的上部；所述第二光纖應變傳感器安裝在第二位移放大結構的上部。
5.一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統的控制方法，其特徵在於，具體包括以下步驟 步驟I :變量初始化確定4路通過濾波器信號的階數，階數設為N ;使用模糊推理算法得到權向量初值V = [V。, V1, . . . , vN]T和W = [W。, W1, , wN]T ;初始化輸入向量X(k)和輸出向量 F1 (k)和 F2 (k)及 G1 (k)和 G2 (k)； 步驟2 :更新濾波器權係數，並輸出控制量； 步驟21 :設k = I ;步驟22:讀入當前誤差信號ei(k)和6200，更新輸入向量乂(10 X(k)中原值各右移一位;讀入當前輸入X (k)且X(k) [O] =X (k)； 步驟23 :更新輸入向量的確定性相關係數函數矩陣O1GO、Φ2(10、Φ3(10和Φ4(10，Φ1(^=Φ1(^1)+χ(k)*xT(k)，計算/、;(々)\krdk) ,1=1,2, 3,4； 步驟24 :更新兩個濾波器權係數，具體包括以下步驟 步驟241 :設定i=0 ； 步驟242 :根據公式計算濾波器權係數； W1 (i) =W1 (i) -K12 (i) ^e1 (k) ; V1 (i) =V1 (i) -K11 (i) ^e1 (k)； w2 (i) =w2 (i) -K22 (i) *e2 (k) ; v2 (i) =V2 (i) -K21 (i) *e2 (k)；步驟 243 :令 i=i+l ； 步驟244 :判斷i是否小於N+1 ;如果是，則執行步驟242 ;否，則執行步驟25 ； 步驟25:計算濾波器輸出 輸出向量F1 (k)和F2 (k)及G1 (k)和G2 (k)中值各右移I位；計算當前輸出值
6.根據權利要求5所述的一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統的控制方法，其特徵在於，所述步驟I中，使用模糊推理算法得到權向量初值V = [v0, V1, , νΝ]τ和W = [Wci, W1, , WN] T的具體過程包括以下步驟 步驟101 :獲得2000組輸入輸出數據樣本； 步驟102 :設定期望誤差和最大葉節點數L ;確定模糊帶寬度α ;初始化根節點，令N1 (X) = I,深度 d=0 ； 對於兩個控制通道，分別進行如下步驟 步驟103 :根據式
全文摘要
本發明公開了風力發電技術領域的一種基於智能結構的大型風力機葉片擺振抑制系統及控制方法。其技術方案是，所述系統包括風力機葉尖、振動控制卡和上位機；所述風力機葉尖包括第一光纖應變傳感器、第二光纖應變傳感器、第三光纖應變傳感器、第一超磁致伸縮作動器和第二超磁致伸縮作動器；所述振動控制卡包括信號調理器、第一低通濾波器、模數轉換器、數位訊號處理器DSP、USB接口、數模轉換器、第二低通濾波器和壓控恆流源。本發明的有益效果是，採用振動控制卡，使超磁致伸縮智能結構的風力機葉片的擺振抑制功能在小幅、低頻、下得以實現；振動控制卡減小了主控設備的體積，提高了系統的抗幹擾能力和工作穩定性。
文檔編號F03D7/00GK102878016SQ20121041811
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者張文廣, 林忠偉, 劉吉臻, 謝力, 曾德良, 牛玉廣 申請人:華北電力大學