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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(guó)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(wú)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(guò)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(ài)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(lái)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(duì)風(fēng)力發(fā)電的調(diào)節(jié)有直接的影響，對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力。
這些系統(tǒng)基本上有兩種類型：機(jī)電和液壓。對(duì)于機(jī)電式，可以通過(guò)使用電動(dòng)機(jī)來(lái)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(duì)緊湊和準(zhǔn)確，穩(wěn)定性和功率質(zhì)量可能相對(duì)較低。
對(duì)于液壓俯仰系統(tǒng)，通常使用值控制液壓缸來(lái)通過(guò)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(píng)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(méi)有提供對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)伺服中的內(nèi)部水力機(jī)械位置閉環(huán)來(lái)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(shuō)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(duì)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(lái)自數(shù)字電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)打開閥門并將來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)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(cè)量或反饋俯仰角信號(hào)的必要性，因此無(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(duì)齊并垂直于紙張表面。 俯仰軸線穿過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng);
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(guò)考慮俯仰承載效率來(lái)近似估計(jì)
（17）
3.2齒輪比
液壓伺服機(jī)構(gòu)的軸通過(guò)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(lái)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(guò)對(duì)等式（20）進(jìn)行微分來(lái)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(lái)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(duì)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(guò)使用等式（33）和（34）來(lái)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(guò)以下轉(zhuǎn)換功能來(lái)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(guò)使用圖5中的框圖來(lái)說(shuō)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(wú)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(duì)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(guò)將方程（38）與（42）進(jìn)行比較來(lái)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(duì)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(guò)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(wú)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(shì)。
（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(zhǎng)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(guò)使用上述PI俯仰角控制器來(lái)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(duì)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(duì)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(guò)使用新穎的俯仰控制系統(tǒng)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(píng)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(cè)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(duì)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(lái)的研究將包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)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(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究組科學(xué)基金51221004，中國(guó)國(guó)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。
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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(wú)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(duì)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(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)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(lái)越受到世界各國(guó)的重視。
綜上我們知道：清潔能源利國(guó)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(zhǎng)，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(lái)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(lái)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(duì)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(wú)噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，相信在不久的將來(lái)，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(guó)的大氣污染已經(jīng)對(duì)社會(huì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，從中央到地方，無(wú)不對(duì)工業(yè)污染造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約和國(guó)際對(duì)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(shì)，用它來(lái)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(guó)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(yáng)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(lái)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(lái)的能源緊張，讓世界各國(guó)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(guó)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(chǎng)，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(zhǎng)的時(shí)間里未得到較好的發(fā)展。
2002年，中國(guó)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(guó)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(chǎng)，功率在0.5～30KW之間。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、奧地利、韓國(guó)等國(guó)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。
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三、研究?jī)?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(duì)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(duì)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(wèn)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(cè)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(wú)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(wú)需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，定期（一般每半年）對(duì)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(duì)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(guó)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(yǔ)文獻(xiàn)。
160
1-4周
完成開題報(bào)告、英語(yǔ)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(duì)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(píng)審意見
指導(dǎo)教師對(duì)本課題的評(píng)價(jià)
指導(dǎo)教師簽名
年 月 日
4