专利名称：超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统及控制方法
技术领域：
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统及控制方法。
背景技术：
全球存在丰富的风力资源。近十年来，伴随着全球对环境问题日益重视、高油价和风电技术日益成熟，全球风电获得了超常发展，我国风电的发展尤为迅速。大型风力机和大型风电场并网发电正成为风能有效利用的主要形式。风力机叶片在旋转过程中，受到来自各种不同来源气流的快速波动荷载作用，包括湍流的风塔影、风剪切和偏航等所造成的。空气流在柔性叶片上产生不规则弹性振动，尤 其叶片在垂直于旋转平面上的弯曲振动即挥舞，是造成风力机疲劳载荷的重要因素之一。近年来，为了实现风能的规模利用，风力机叶片的结构尺寸在持续增大，但也增加了风力机叶片上的载荷。由于叶片载荷影响了其他组件如机械传动系统和杆塔的载荷，导致风电总成本急剧攀升。单纯降低传统的固定翼形叶片成本，对降低总成本作用有限。
发明内容
针对背景技术中提到的现有大型风力机叶片在降低疲劳负荷方面的缺点和不足，本发明提出了一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统及控制方法。一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述系统包括超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片、测风速激光雷达、嵌入式振动控制卡和上位机；所述超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片包括三个光纤应变传感器和三根超磁致伸缩作动器；所述嵌入式振动控制卡包括ARM主控芯片、FPGA电路、模数转换器、第一低通滤波器、信号调理器、压控恒流源、第二低通滤波器、数模转换器和USB接口；其中，所述三个光纤应变传感器、信号调理器、第一低通滤波器、模数转换器、FPGA电路和ARM主控芯片顺次连接；所述三个应变传感器用于采集具有襟翼结构的风力机叶片的应变信号；所述信号调理器用于将光纤应变传感器检测到的信号装换成电压信号；所述第一低通滤波器用于滤掉高频干扰信号；所述模数转换器用于将模拟信号转换成数字信号；所述FPGA电路用于对接收到的数字信号进行处理；所述FPGA电路、数模转换器、第二低通滤波器、压控恒流源和三根超磁致伸缩作动器顺次连接；所述数模转换器用于将数字信号转换成模拟信号；所述第二低通滤波器用于将阶梯状的模拟电压量变成平滑曲线状的模拟电压量；所述压控恒流源用于将模拟电压信号转换成电流信号；所述三根超磁致伸缩作动器根据电流信号产生相应的伸长或收缩进而使襟翼摆动产生不同角度；所述测风速激光雷达与所述模数转换器连接；所述测风速激光雷达用于提供参考应变信号；所述ARM主控芯片与所述上位机通过USB接口连接；所述ARM主控芯片用于监控嵌入式振动控制卡的运行状况以及上位机与FPGA的命令和数据传递。所述测风速激光雷达安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机的机舱迎风侧。所述三个光纤应变传感器安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片的迎风侧，分别对应所述叶片的三个襟翼。所述襟翼包括腹板、 固定铰链、转动铰链、转盘和转轴；所述固定铰链安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片的腹板上；所述超磁致伸缩作动器的一端通过转动铰接方式与固定铰链连接，超磁致伸缩作动器的另一端通过转动铰链与转盘连接；转盘和襟翼呈固定方式；超磁致伸缩作动器使襟翼围绕转轴转动。所述超磁致伸缩作动器使襟翼围绕转轴转动的转角范围为-5°到+5°之间。一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤步骤I:变量初始化确定6路通过滤波器信号的阶数，阶数设定为N ;步长为μ ;初始化输入向量X(k)和输出向量 F1 (k)、F2 (k)和 F3 (k)及 G1 (k)、G2 (k)和 G3 (k)；步骤2 :使用权向量初值拟合算法拟合得到权向量初值V = [Vci, V1, . . .，vN]T和W
=[W0, W1, . . . , WN] T ;步骤3 :更新滤波器权系数，并输出控制量；步骤31:设定 k=l;步骤32 :更新输入向量X(k) X(k)中原值各右移一位；读入当前输入x(k)，且X(k) [O] = x(k)；步骤33 :读入当前误差信号G1 (k)、e2 (k)和e3(k)；步骤34 :更新两个滤波器权系数具体步骤包括步骤341:设定1=0;步骤342 :根据公式计算滤波器权系数；W1 [i] =W1 [i] -2* μ ^e1 (k) ^g1 [i] ; V1 [i] =V1 [i] -2* μ ^e1 (k) ^f1 [i]；W2 [i] =W2 [i] -2* μ *e2 (k) *g2 [i] ; V2 [i] =V2 [i] -2* μ *e2 (k) *f2 [i]；w3 [i] =W3 [i] _2* μ *e3 (k) *g3[i] ; V3 [i] =V3 [i]-2* μ *e3 (k) *f3 [i]；步骤343 :令 i = i+1 ;步骤344 :判断i是否小于N+1 ;如果是，则执行步骤342 ;否，则执行步骤35 ；步骤35 :计算滤波器输出输出向量F1 (k)、F2 (k)和F3 (k)及G1 (k)、G2 (k)和G3 (k)中值各右移I位；计算当前输出值
权利要求
1.一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述系统包括超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片、测风速激光雷达、嵌入式振动控制卡和上位机；所述超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片包括三个光纤应变传感器和三根超磁致伸缩作动器；所述嵌入式振动控制卡包括ARM主控芯片、FPGA电路、模数转换器、第一低通滤波器、信号调理器、压控恒流源、第二低通滤波器、数模转换器和USB接口 ； 其中，所述三个光纤应变传感器、信号调理器、第一低通滤波器、模数转换器、FPGA电路和ARM主控芯片顺次连接；所述三个应变传感器用于采集具有襟翼结构的风力机叶片的应变信号；所述信号调理器用于将光纤应变传感器检测到的信号装换成电压信号；所述第一低通滤波器用于滤掉高频干扰信号；所述模数转换器用于将模拟信号转换成数字信号；所述FPGA电路用于对接收到的数字信号进行处理； 所述FPGA电路、数模转换器、第二低通滤波器、压控恒流源和三根超磁致伸缩作动器顺次连接；所述数模转换器用于将数字信号转换成模拟信号；所述第二低通滤波器用于平滑模拟电压量；所述压控恒流源用于将模拟电压信号转换成电流信号；所述三根超磁致伸缩作动器根据电流信号产生相应的伸长或收缩进而使襟翼摆动产生不同角度； 所述测风速激光雷达与所述模数转换器连接；所述测风速激光雷达用于提供参考应变信号; 所述ARM主控芯片与所述上位机通过USB接口连接；所述ARM主控芯片用于监控嵌入式振动控制卡的运行状况以及上位机与FPGA的命令和数据传递。
2.根据权利要求I所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述测风速激光雷达安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机的机舱迎风侧。
3.根据权利要求I所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述三个光纤应变传感器安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片的迎风侧，分别对应所述叶片的三个襟翼。
4.根据权利要求3所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述襟翼包括腹板、固定铰链、转动铰链、转盘和转轴；所述固定铰链安装在超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片的腹板上；所述超磁致伸缩作动器的一端通过转动铰接方式与固定铰链连接，超磁致伸缩作动器的另一端通过转动铰链与转盘连接；转盘和襟翼呈固定方式；超磁致伸缩作动器使襟翼围绕转轴转动。
5.根据权利要求4所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统，其特征在于，所述超磁致伸缩作动器使襟翼围绕转轴转动的转角范围为-5°到+5°之间。
6.一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤 步骤I :变量初始化 确定6路通过滤波器信号的阶数，阶数设定为N;步长为μ ;初始化输入向量X(k)和输出向量 F1 (k)、F2 (k)和 F3 (k)及 G1 (k)、G2 (k)和 G3 (k)； 步骤2:使用权向量初值拟合算法拟合得到权向量初值V= [v0, V1, ...，vN]T和W =[W0, W1, . . . , WN] Τ ; 步骤3 :更新滤波器权系数，并输出控制量； 步骤31 :设定k=l ；步骤32 :更新输入向量X(k) X(k)中原值各右移一位；读入当前输入x(k)，且X(k) [O]=X (k)； 步骤33 :读入当前误差信号G1 (k)、e2 (k)和e3 (k)； 步骤34 :更新两个滤波器权系数具体步骤包括 步骤341 :设定i=0 ； 步骤342 :根据公式计算滤波器权系数； W1 [i] =W1 [i] -2* μ ^e1 (k) ^g1 [i] ; V1 [i] =V1 [i] _2* μ ^e1 (k) ^f1 [i]； W2 [i] =W2 [i] -2* μ *e2 (k) *g2 [i] ; V2 [i] =V2 [i] _2* μ *e2 (k) *f2 [i]； W3 [i] =W3 [i]-2* μ *e3(k)*g3[i] ; v3[i] =V3 [i] _2* μ *e3(k) *f3[i]；步骤 343 :令 i = i+1 ； 步骤344 :判断i是否小于N+1 ;如果是，则执行步骤342 ;否，则执行步骤35 ； 步骤35:计算滤波器输出 输出向量F1G^F2GO和F3(k) R G1 (k), G2 (k)和G3(k)中值各右移I位；计算当前输出值
7.根据权利要求6所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统的控制方法，其特征在于，所述步骤I中，输入向量X (k)的确定方法是 步骤A :根据扭矩微元公式计算得到风力机产生的叶轮轴上的扭矩微元；
8.根据权利要求6所述的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2中,权向量初值拟合算法确定权向量初值V = [v0, V1, , vN]τ和W = [w0, W1, . . .，wN]T ;权向量初值拟合算法，定时间隔为1ms，将W的初值设为0，N是滤波器的阶数；权向量初值V的具体拟合算法包括以下步骤 步骤21 :变量初始化，确定第一低通滤波器三路信号的阶数N和步长μ ;初始化误差输入向量 eki(k)和参考信号 rki(k),中间变量 eki (k), ekki (k), !TiQO , Sumi, i=l, 2，3 ； 步骤22 A/D采集误差输入信号和参考信号，设定k=l 步骤23 :如果k=l，2，…，1000，执行以下各步中间变量 ekki (k)累加 ekki ⑵ ^kki (k) +eki (k)； 如果k=1001，1002，…，2000，执行以下各步 步骤a:rki(k)中原值各右移一位；读入当前输入rki (k),更新!Ti (k) =Tki (k)； 步骤b :更新中间变量eiGOzekiOO-ekki (k)； 步骤c :累加中间变量Sum^=Wi (k) ^ri (k)；步骤 d :求差值 errori (k) =eki (k) -Sumi ； 步骤e :更新滤波器权系数 Vi (k) =Vi (k) -2* μ ^errori (k) ^ri (k)； 步骤24 k=k+l ;判断k是否小于等于2000，如果是，则返回步骤23 ;否则，执行步骤25 ； 步骤25 :结束控制结束循环，将Vi写入文件保存，构成权向量初值V。
全文摘要
本发明公开了风力发电技术领域的一种超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片减振系统及控制方法。其技术方案是，所述系统包括超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片、测风速激光雷达、嵌入式振动控制卡和上位机；所述超磁致伸缩襟翼结构的风力机叶片包括三个光纤应变传感器和三根超磁致伸缩作动器；所述嵌入式振动控制卡包括ARM主控芯片、FPGA电路、模数转换器、第一低通滤波器、信号调理器、压控恒流源、第二低通滤波器、数模转换器和USB接口。本发明的有益效果是实现了具有襟翼结构的风力机叶片在小幅、低频下的减振功能；提高了系统的抗干扰能力。
文档编号F03D11/00GK102900609SQ20121041811
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者张文广, 刘吉臻, 谢力, 曾德良, 牛玉广 申请人:华北电力大学