一种基于压电反馈的风力机挥舞颤振抑制智能变桨系统的制作方法

本发明属于风力发电机控制技术领域，尤其涉及一种基于压电反馈的风力机挥舞颤振抑制智能变桨系统。

背景技术：

随着传统能源的不断消耗和存量的锐减，传统化石能源的使用成本日益增高，且在有限的时间内存量将被耗尽。近年来新能源技术得到了突飞猛进的发展，尤其是风能技术方面，风力机结构尺寸和相关技术都取得了较大的进步。

在风力发电机的发展早期，叶片的形状通常是粗大且展向长度比较短，相对现在的叶片形状来说相对笨重粗大。随着风能利用技术和材料技术的不断发展，人们越来越追求更高的风能利用率和风能捕获量。正因如此，叶片发展的越加细长，以获得更高的风能利用率及捕获更多的风量。

但是很多问题也随之而来，在早期的风力发电机发展当中，风力机叶片作为其中的重要组成部分，其强度和刚度较高，在风力机工作过程当中叶片的损坏相对较少。但是随着叶片形状越加细长，其刚度和强度不断的降低，考虑到风力发电机的工作环境的复杂性，极有可能面临相当多种类的风：由于风速大小、方向还有湿度等的不同，会产生许多类型的风。疾风、大风、烈风、狂风、暴风和飓风，这些常见类型的风，蒲福风级风力分别为七、八、九、十、十一和十二级。风力机的工作环境各异，未来趋势是朝海上发展，所面临的风况更加复杂，其中很大的一个特点就是风强度和方向的不确定性。且随着叶片采取的结构和材料与之前大不相同，随之还产生气动弹性问题：叶片在风力作用下发生弹性变形，这种弹性变形同时反过来影响其周围的流体-风即作为这种流体考虑。由此改变作用在风力机叶片上的作用力，产生许多种类的气动弹性问题。

风力机叶片在实际工作过程中会受到多种力的作用，其中包括：气动力、弹性力、惯性力等，每种作用力都会带来相应的问题。当几种问题耦合的结果是收敛的，则对风力机叶片产生的损害较小；但是当其耦合结果是发散的，则会带来颤振甚至是发散问题。颤振是一种振幅不衰减的自激振动，与叶片的气动变形有关。颤振是一种对于叶片破坏极大的振动形式，也是叶片损坏的主要原因，近年来颤振的抑制成为风力发电机叶片研究方面的重点。当叶片发生颤振时，叶片可以源源不断的从对其产生作用力的流体中吸收能量，会对叶片产生致命破坏，其中垂直于叶轮旋转平面中的振动形式称之为挥舞运动，是叶片振动破坏的重要形式。

风力发电机有众多分类，现在最具有发展前景的是水平轴三叶片升力型变桨距风力机，应用也比较广泛。传统的风力机振动控制大约可以分为两种：被动控制和主动控制。其中被动控制主要是考虑改变叶片的结构方式或者结构参数来控制叶片的振动，比如增加叶片的结构阻尼、采用桨叶不可绕叶根转动的定桨距风力机的主动失速式工作方式及采用弯扭耦合叶片等方面。主动控制主要通过相应的传感器输入，调整叶片攻角等气动属性，包括变桨距控制、智能叶片结构等方面。被动控制方式结构简单，主动控制需要附加部件，但对于风力机叶片来说，可靠性较低且不易保养。

从控制角度来看，主动控制更加灵活，且可以通过改变控制器的控制算法和控制参数以应对不同条件的工作情况，开发潜力较高。智能叶片是指在叶片内部埋设智能材料，这种智能材料可以检测到周围的工作环境改变或者工作部件本身的改变，还有一些埋设的材料可以反过来拥有类似作动器的功能，例如通过在叶片的制造过程中为叶片材料添加磁流变液，在需要进行主动控制时为叶片加设电流可以改变叶片的刚度以抵抗变形。变桨技术是指通过改变和轮毂连接的叶片的转角，间接改变作用在叶片上的气动力的攻角，以减少或者抑制叶片的振动。当风速较大或者攻角较大，又或是需要停机的情况下，通过主动改变叶片的转角至某一大角度甚至是90度来减小作用在叶片上的气动载荷，90度位置称为顺桨位置。

传统的被动控制以及变桨控制有其不可克服的缺陷，其控制存在滞后性且不精确：在叶片上采用传感器产品检测位移或加速度等信号需额外连接外部电源且需要在叶片上设置相关电路，实施过程非常复杂、成本很高，需要优化传感器布置方法，检测过程极易受到外部干扰且过程不易实现。在叶片表面设置传感器引线和信息传输方式复杂，也非常容易改变叶片的气动外形从而影响稳定性。传统风电系统的变桨运动是建立在最大功率获取的恒速、或者是恒功率运行的基础上的，较少地关注叶片振动这种极易损坏叶片的运动形式的抑制问题，而现今风功率的获取已经不是风电技术发展的主要瓶颈，现在风电技术的主要问题在于如何进一步降低发电成本，其中包括延长风电机的使用寿命和以较低的成本实现风电机的主动保护控制，以及如何在多种气候、地理条件下布置风电设备。因风力发电机机组成本较高且叶片占其总成本的15％-20％，所以叶片的保护成为本领域亟待解决技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于压电反馈的风力机挥舞颤振抑制智能变桨系统，以减少叶片振动抑制时的滞后性，简化挥舞位移检测的实施过程，增大叶片挥舞位移检测时的灵敏度和精确度。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于压电反馈的风力机挥舞颤振抑制智能变桨系统，所述风力机包括轮毂及设置在轮毂外侧且沿轮毂均布的多个智能叶片，各智能叶片的上层和下层均铺设有压电材料，位于同一智能叶片上的上、下层间的压电材料通过导线连接；所述智能变桨系统包括信号传输与处理装置、变桨控制装置及变桨执行装置，各智能叶片在气动力作用下产生叶片尖部的挥舞位移时，设置在各智能叶片的上、下层间的压电材料产生电压信号，信号传输与处理装置用于接收该电压信号并对该电压信号进行处理，处理后的电压信号被传输至变桨控制装置，变桨控制装置包括可编程控制器plc，可编程控制器plc用于对所述处理后的电压信号进行判断，并根据判断结果向所述变桨执行装置发送相应的控制指令，通过变桨执行装置对各智能叶片的变桨角实现控制。

各所述智能叶片上还铺设有作为基体的复合材料，复合材料选用玻璃纤维增强树脂，各智能叶片上的复合材料均铺设有多层，所述压电材料夹设在复合材料的中间位置处，且各压电材料沿智能叶片的展长方向分布，各压电材料的长度占智能叶片总长的90％。

所述信号传输与处理装置包括光电发射器、光电信号接收器和滤波放大模块，光电发射器设置在各智能叶片的中部，光电发射器用于接收来自压电材料的电压信号，并将该电压信号传输至设置在各智能叶片根部的光电信号接收器，光电信号接收器将光电发射器传输过来的电压信号传输至滤波放大模块，滤波放大模块设置在轮毂内，滤波放大模块对电压信号进行噪声滤波和信号放大处理。

所述光电发射器为无源光电发射器，其无需外部电源输入。

所述变桨控制装置还包括a/d转换器和d/a转换器，经信号传输与处理装置处理后的电压信号通过a/d转换器将模拟量信号转化为可编程控制器plc能够识别的数字量信号，可编程控制器plc向变桨执行装置发送控制指令时，该指令以数字量信号的模式经d/a转换器转换为模拟量信号来操纵变桨执行装置。

所述可编程控制器plc中存储有用于比对判断所述处理后的电压信号是否正常的设定值和额定值，若所述处理后的电压信号大于所述设定值，则可编程控制器plc判定智能叶片挥舞位移过大，并向变桨执行装置发送变桨信号；若所述处理后的电压信号持续且大于所述额定值，则可编程控制器plc判定智能叶片产生振幅不衰减的挥舞颤振，并向变桨执行装置发送变桨信号；若所述处理后的电压信号小于所述额定值和设定值，则可编程控制器plc判定智能叶片挥舞位移正常，可编程控制器plc不会向变桨执行装置发送变桨信号。

所述变桨执行装置包括编码器、伺服电机和独立变桨机构，一个智能叶片对应设置一套独立变桨机构，可编程控制器plc发送的控制指令被传输至编码器，编码器发送电脉冲至伺服电机使伺服电机动作，各所述独立变桨机构均包括主动齿轮和内齿圈，主动齿轮与伺服电机的输出轴相连，内齿圈设置在轮毂内且内齿圈与所述主动齿轮啮合传动，伺服电机通过主动齿轮带动内齿圈转动，从而带动智能叶片转动。

各所述内齿圈的一侧均设置有非接触式位移传感器，非接触式位移传感器用于检测内齿圈转动的角度，以确定各智能叶片变桨角的变化；所述非接触式位移传感器与可编程控制器plc相连，当编码器与非接触式位移传感器所测的数字不一致时，可编程控制器plc判定伺服电机输出轴或编码器出现故障。

所述变桨执行装置还包括限位机构，限位机构包括设置在各所述内齿圈一侧的两个接近开关，两个接近开关的设置位置与内齿圈中心点的连线相互垂直。

所述变桨执行装置还包括制动机构，制动机构包括继电器、电磁铁和设置在各所述内齿圈一侧的制动齿轮；风力机正常工作时，可编程控制器plc控制继电器得电，使电磁铁吸合制动齿轮，制动齿轮回缩，智能叶片正常运转；当智能叶片需要制动或所述智能变桨系统出现故障时，可编程控制器plc控制继电器失电，电磁铁无法吸合制动齿轮，制动齿轮弹出且制动齿轮的外齿卡入内齿圈，从而阻止了智能叶片的转动。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中的压电材料采用内置方式埋设在智能叶片内，既不会改变叶片的气动外形，又可以精确、迅速地通过压电材料的形变间接检测智能叶尖的挥舞位移而产生相应的电压信号，通过对产生的电压信号进行信号传输和处理后，若判断为颤振或者是振幅过大，则驱动变桨。电压信号的后处理过程及其调试过程简单易实现，且受温度影响小，因风力机工作地理位置的考虑，且智能叶片为柔性体，温度对于形变影响较大，所以利用压电材料对温度不敏感的特点，有利之处尤为突出。

2、本发明中的变桨控制装置通过处理压电材料的反馈信号，能够及时检测智能叶片的位移而精确判断是否需要驱动变桨。与现有技术中需要在叶片表面设置传感器相比，本发明中的结构设计不影响叶片的整体结构和气动外形，同时增强了反馈信号和信噪比，可靠性高，控制简单，且可通过减少损毁概率而延长叶片的使用寿命，从而减少了成本。

3、本发明基于叶片挥舞颤振抑制，其不同于传统的最大功率获取的恒速或者是恒功率运行的基础上的设计原则，本发明是叶片颤振主动抑制的一种新方法和新思路，其不但提出了一种压电材料的埋设和电压信号反馈的方法，而且还构建了一种能够及时检测叶尖挥舞位移从而迅速使叶片变桨的有反馈的变桨系统，减少了叶片振动抑制时的滞后性，简化了挥舞位移检测的实施过程，增大了叶片挥舞位移检测时的灵敏度和精确度，降低了负载。

4、本发明中压电材料所反馈的电压信号通过无源光电发射装置发射，不需要接入外部电源，节省了能源，简化了结构。而且，本发明中的变桨驱动采用交流伺服电机，可以精准的将电脉冲信号转换为叶片转角，控制稳定。此外，不同于现有技术中的直流电机或液压系统控制，本发明采用的伺服电机可以提供较大的功率，也不会存在液压系统容易出现漏油的现象。

5、本发明所用的压电材料对于温度不敏感，从而使本发明中的智能变桨系统可以用于多种气候和地理条件下，在降低了风力机成本的同时，直接降低了发电成本。此外，本发明的结构设计可以使得风力机更具可靠性，提高了风力机在各种工况下的适应性，符合现在风力发电机朝海上发展的趋势，所以非常有利于新能源技术的发展和推广。

附图说明

图1为风力机的整体结构示意图。

图2为智能叶片的翼型截面参量示意图。

图3为本发明中智能叶片的剖面图及局部放大图。

图4为本发明中智能叶片的结构示意图。

图5为本发明中智能叶片的截面示意图。

图6为本发明中电压信号的传输流程图。

图7为本发明中的控制流程图。

图8为本发明中独立变桨机构的示意图。

图9为本发明中独立变桨机构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图9所示，一种基于压电反馈的风力机挥舞颤振抑制智能变桨系统，所述风力机包括塔架4、设置在塔架4上方的机舱3、设置在机舱3前端的轮毂2及设置在轮毂2外侧且沿轮毂2均布的三个智能叶片1。机舱3内设置有减速器和发电模块，使用过程中，风作用在智能叶片1上，为智能叶片1提供升力使得智能叶片旋转，进而带动轮毂2转动，轮毂2内的主轴连接机舱3内的发电模块进行发电。

各智能叶片1的上层和下层均铺设有压电材料，位于同一智能叶片1上的上、下层间的压电材料通过导线连接。所述压电材料为asf(activestructuralfiber)材料，即压电主动结构纤维。压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，压电材料受力时，其表面会产生电荷，电荷量与压力成比例，即压电效应，经过计算机模拟仿真计算，智能叶片1的振动位移和智能叶片1内埋设的压电材料所产生的电压信号g的关系可由下式表示：

其中，mxa为压电挥舞弯矩；l为叶片展向长度；kp、kd分别是速度反馈增益和加速度反馈增益；s^t(z)、qy为为galerkin法解耦、离散化时确定的位移函数；x为摆振方向的位移，y为挥舞方向的叶尖位移，z为展长方向的位移，t为时间。通过上式可以精准确定压电反馈电动势与位移之间的关系。

各所述智能叶片1的结构为薄壁空腔蒙皮结构，为增强蒙皮的强度和刚度，各所述智能叶片1上还铺设有作为基体的复合材料24，复合材料24选用玻璃纤维增强树脂。各智能叶片1上的复合材料24均铺设有六层，复合材料24的铺设构型选用周向对称刚度分布构型(cus)，即复合材料在智能叶片的表面铺设时以向右倾斜45度(从叶根部分看向叶尖来看是向右45度)的方向来铺设。

所述压电材料25夹设在复合材料24的中间位置处，如图3所示，压电材料25铺设在复合材料24的中线(薄壁结构的中线)上方，压电材料25的厚度占据整个薄壁结构厚度的1/4，压电材料25的宽度为弦长的1/6，压电材料25的长度沿着整个智能叶片的展长方向延伸。各压电材料沿智能叶片1的展长方向分布，各压电材料的长度占智能叶片总长的90％。具体地来说，各智能叶片1均包括依次相连的叶根部分13、过渡部分14和气动部分15，压电材料的分布从叶根部分13开始到气动部分15结束，且压电材料在某一智能叶片1上的上铺设面16与在同一智能叶片1上的下铺设面17以智能叶片1的弦线为参考上下对称分布。

智能叶片1受气动力作用产生叶片尖部的挥舞位移，即智能叶片1沿与旋转平面相垂直的平面做前后振动，因压电材料具有压电正效应特性，即自身的变形可以在表面产生电荷，所以在智能叶片产生位移时，埋设在智能叶片1内部的压电材料其特性感知叶片位移。从而在叶片产生挥舞位移时，在上铺设面16和下铺设面17产生极性相反的感应电荷，将上、下铺设面通过导线连接起来即为压电材料相应的电压信号，以此电压信号的变化反应叶片的挥舞位移。

图2示出了智能叶片截面参量示意图，当风速8作用在智能叶片1上时，为智能叶片1提供气动力，在产生气动力的同时智能叶片1本身发生气动弹性变形反过来影响气动力作用，气动力包括如图所示的气动升力5和气动阻力6，智能叶片1在图示的旋转平面7内转动，与旋转平面7相垂直的方向为挥舞位移方向，智能叶片1的转速方向10和风速8的矢量和为相对风速，表示为相对风速角9，智能叶片1中间的对角线就是弦线，弦线和转动平面7的夹角为变桨角，也就是智能叶片1偏离旋转平面7的角即为变桨角12，通过改变变桨角12将影响攻角11以及气动升力5和气动阻力6，进而降低风的作用力，减少挥舞位移，起到保护叶片的作用。

所述智能变桨系统包括信号传输与处理装置、变桨控制装置及变桨执行装置。各智能叶片1在气动力作用下产生挥舞位移时，信号传输与处理装置用于接收设置在各智能叶片1的上、下铺设面间的压电材料产生的电压信号并对该电压信号进行处理，处理后的电压信号被传输至变桨控制装置，变桨控制装置包括可编程控制器plc，可编程控制器plc用于对所述处理后的电压信号进行判断，并根据判断结果向所述变桨执行装置发送相应的控制指令，通过变桨执行装置对各智能叶片1的变桨角实现控制。

具体地来说，所述信号传输与处理装置包括光电发射器26、光电信号接收器和滤波放大模块。光电发射器26设置在各智能叶片1的过渡部分14的中部，用于接收来自压电材料的电压信号，并将该电压信号传输至设置在各智能叶片1的叶根部分13的光电信号接收器，光电信号接收器将光电发射器26传输过来的电压信号通过光纤传输至滤波放大模块，滤波放大模块设置在轮毂2内，滤波放大模块对电压信号进行噪声滤波和信号放大处理。需要说明的是，所述光电发射器为无源光电发射器，其无需外部电源输入。

所述变桨控制装置还包括a/d转换器和d/a转换器，a/d转化器与所述滤波放大模块相连，经滤波放大模块处理后的电压信号通过a/d转换器将模拟量信号转化为可编程控制器plc能够识别的数字量信号，可编程控制器plc向变桨执行装置发送控制指令时，该指令以数字量信号的模式经d/a转换器转换为模拟量信号来操纵变桨执行装置。

所述可编程控制器plc设置在电气板23上，便于散热，所谓电气板，是放置各种电气部件的载体，电气板安装在轮毂内部，并设置在叶根部分上。

可编程控制器plc中存储有用于比对判断所述处理后的电压信号是否正常的设定值和额定值：

若所述处理后的电压信号大于所述设定值，则可编程控制器plc判定智能叶片1挥舞位移过大，并向变桨执行装置发送变桨信号，通过改变智能叶片1转角以减小气动载荷；

若所述处理后的电压信号持续且大于所述额定值，则可编程控制器plc判定智能叶片1产生振幅不衰减的挥舞颤振，并向变桨执行装置发送变桨信号，通过改变智能叶片1转角以减小气动载荷；

若所述处理后的电压信号小于所述额定值和设定值，则可编程控制器plc判定智能叶片1挥舞位移正常，可编程控制器plc不会向变桨执行装置发送变桨信号，也就是无动作。

如图8和图9所示，所述变桨执行装置包括编码器28、伺服电机29和独立变桨机构，一个智能叶片1对应设置一套独立变桨机构，一套独立变桨机构对应一个伺服电机29和一个编码器28，可编程控制器plc发送的控制指令被传输至编码器，编码器28发送电脉冲至伺服电机29使伺服电机29动作，各所述独立变桨机构均包括主动齿轮18和内齿圈19，主动齿轮18与伺服电机29的输出轴相连，内齿圈19设置在位于轮毂2内叶根部分，每支叶根部分都和其对应的一个内齿圈刚性连接，且内齿圈19与所述主动齿轮18啮合传动，伺服电机29通过主动齿轮18带动内齿圈19转动，从而带动智能叶片1转动，完成变桨动作，图1中的箭头方向示出了智能叶片1绕轮毂2转动的转动方向。

各所述内齿圈19的一侧均设置有非接触式位移传感器20，非接触式位移传感器20用于检测内齿圈19转动的角度，以确定各智能叶片1变桨角的变化。所述非接触式位移传感器20与可编程控制器plc相连。当检测到智能叶片1偏转至指定角度后，可编程控制器plc控制变桨执行装置停止动作。

所述可编程控制器plc依据编码器所测的位移值进行控制，所述非接触式位移传感器20作为冗余控制的参考值，直接反映叶片变桨角12的变化。当编码器与非接触式位移传感器所测的数字不一致时，可编程控制器plc判定伺服电机输出轴或编码器出现故障。

所述变桨执行装置还包括限位机构，限位机构包括设置在各所述内齿圈19一侧的两个接近开关21，两个接近开关21的设置位置与内齿圈19中心点的连线相互垂直。使用过程中，当智能叶片转动到极限位置时，会与接近开关接触，从而使得接近开关产生电信号，并传达至可编程控制器plc。

所述变桨执行装置还包括制动机构，制动机构包括继电器27、电磁铁和设置在各所述内齿圈19一侧的制动齿轮22。继电器27可以固定在电气板23上，也就是固定在轮毂内部，继电器27通过导线与可编程控制器plc相连。继电器27用于控制电磁铁的运动，电磁铁外端与制动齿轮相连。当风力机正常工作时，可编程控制器plc控制继电器27得电，使电磁铁吸合制动齿轮22，制动齿轮22回缩，智能叶片1正常运转；当智能叶片1需要制动或所述智能变桨系统出现故障时，可编程控制器plc控制继电器失电，电磁铁无法吸合制动齿轮22，制动齿轮22弹出且制动齿轮22的外齿卡入内齿圈19，从而阻止了智能叶片1的转动。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。