一种风力机叶片调节系统的制作方法

本实用新型属于风力机叶片技术领域，具体地说，涉及一种风力机叶片调节系统。

背景技术：

为了充分利用风力资源和降低风电成本，单机大型化是风力机发展的必然方向。风力机通常采用桨叶变桨距控制调节功率和载荷。风力机变桨距控制具有调节范围大，不需要额外增加系统部件等优点。然而，但随着风力机尺寸增大，桨叶柔性增加，桨叶载荷将更加复杂多变，且载荷分布的不均匀程度增强，变桨距控制的局限性越来越明显，主要表现在：(1)由于桨叶惯性较大，变桨距控制无法及时应对湍流风况下快速变化气动载荷；(2)叶片载荷分布的不均匀性随着桨叶尺寸增大而增强，变桨距控制无法针对桨叶局部载荷施加有效控制。

技术实现要素：

本实用新型的所要解决的技术问题在于提供一种有效调节风力机功率和载荷、提高风力机桨叶控制品质的风力机叶片调节系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案为：

一种风力机叶片调节系统，包括风力机主体与均匀装配在所述风力机主体前端的若干个桨叶，以及用于支撑风力机主体的支撑柱，所述桨叶的尾缘处设有襟翼，所述风力机主体固定在所述支撑柱顶端，所述风力机主体内设有变桨距机构与发电机，所述桨叶上设有襟翼控制机构，所述发电机与所述变桨距机构电连接，所述变桨距机构调节所述桨叶，所述襟翼控制机构调节所述襟翼。

具体的，所述变桨距机构包括若干个变桨距驱动器、变桨距控制器与前馈控制器，所述变桨距控制器固定在所述风力机主体内部并与所述发电机电连接，若干个所述变桨距驱动器设置在所述风力机主体的前端内部并分别与若干个所述桨叶相匹配，所述前馈控制器固定并突出的设置在所述风力机主体的前端端部，所述变桨距控制器分别与所述变桨距驱动器、所述前馈控制器电连接，所述变桨距驱动器调节所述桨叶。

具体的，所述襟翼控制机构包括应力感应器、襟翼驱动器与襟翼控制器，所述襟翼驱动器调节所述襟翼，所述应力感应器设置在所述桨叶的叶根处与所述变桨距驱动器相匹配，所述襟翼控制器设置在所述桨叶内部，所述应力感应器、所述襟翼控制器与所述襟翼驱动器依次电连接。

具体的，所述变桨距驱动器包括变桨距电机与变桨距传动结构，所述变桨距传动结构与所述桨叶的叶根铰接，所述变桨距电机驱动所述变桨距传动结构。

具体的，所述襟翼驱动器包括襟翼驱动电机、襟翼联轴器与襟翼偏转器，所述联轴器连接所述驱动器与所述偏转器，所述偏转器与所述襟翼相连。

优选的，所述前馈控制器内设有测风雷达。

本实用新型的具有以下有益效果：独立变桨距具有调节范围大的优点，但响应速度较慢，适用于调节低频载荷。尾缘襟翼具有响应速度快，可局部调节等优点，但调节范围较小，适用于调节高频载荷。通过风力机独立变桨距和尾缘襟翼协同控制，可在较宽的载荷频率范围内对风力机载荷进行及时有效的调节，从而达到主动调节桨叶气动性能，减小桨叶疲劳载荷的目的。

附图说明

图1为本实用新型风力机叶片调节系统的结构示意图。

图2为本实用新型桨叶的结构示意图。

图3为本实用新型控制方法的原理框图。

附图中各序号表示的意义如下：

1风力机主体，2发电机，3变桨距控制器，4前馈控制器，5变桨距驱动器，6桨叶，7应力感应器，8襟翼控制器，9襟翼驱动器，10襟翼，11支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细说明。

本实用新型提供的一种风力机叶片调节系统如图1-2所示，包括风力机主体1与均匀装配在所述风力机主体1前端的若干个桨叶6，以及用于支撑风力机主体1的支撑柱11，所述桨叶6的尾缘处设有襟翼10，所述风力机主体1固定在所述支撑柱11顶端，所述风力机主体1内设有变桨距机构与发电机2，所述桨叶6上设有襟翼控制机构，所述发电机2与所述变桨距机构电连接，所述变桨距机构调节所述桨叶6，所述襟翼控制机构调节所述襟翼10。

具体的，所述变桨距机构包括若干个变桨距驱动器5、变桨距控制器3与前馈控制器 4，所述变桨距控制器3固定在所述风力机主体1内部并与所述发电机2电连接，若干个所述变桨距驱动器5设置在所述风力机主体1的前端内部并分别与若干个所述桨叶6相匹配，所述前馈控制器4固定并突出的设置在所述风力机主体1的前端端部，所述变桨距控制器3 分别与所述变桨距驱动器5、所述前馈控制器4电连接，所述变桨距驱动器5调节所述桨叶 6。

具体的，所述襟翼控制机构包括应力感应器7、襟翼驱动器9与襟翼控制器8，所述襟翼驱动器9调节所述襟翼10，所述应力感应器7设置在所述桨叶6的叶根处与所述变桨距驱动器5相匹配，所述襟翼控制器8设置在所述桨叶6内部，所述应力感应器7、所述襟翼控制器8与所述襟翼驱动器9依次电连接。

具体的，所述变桨距驱动器5包括变桨距电机与变桨距传动结构，所述变桨距传动结构与所述桨叶6的叶根铰接，所述变桨距电机驱动所述变桨距传动结构。

具体的，所述襟翼驱动器9包括襟翼10驱动电机、襟翼10联轴器与襟翼10偏转器，所述联轴器连接所述驱动器与所述偏转器，所述偏转器与所述襟翼10相连。

优选的，所述前馈控制器4内设有测风雷达，所述变桨距控制器3与所述襟翼控制器8均为PID控制器。

本实用新型提供的一种用于上述风力机叶片调节系统的控制方法如图3所示，包括如下步骤：

整体桨距角获取，变桨距控制器3获取发电机2的实际转速与发电机2额定转速，通过对发电机2的实际转速与发电机2额定转速的比较得到发电机2转速偏差，进而计算出桨距角；风速前馈桨距角获取，通过测风雷达获取风力机本体前端端部的风速，作为来源风速，前馈控制器4通过来源风速进行计算，获得风力机各桨叶6的风速前馈桨距角；

独立变桨距桨距角获取，变桨距控制器3通过将将整体桨距角和风速前馈桨距角叠加得到风力机各桨叶6的独立变桨距桨距角；

独立变桨，变桨距控制器3依据各叶片对应的独立变桨距桨距角，驱动对应桨叶6的变桨距电机和变桨距传动结构进行各桨叶6的独立变桨距；

叶根弯矩获取，襟翼控制器8通过桨叶6根部的应力感应器7获取经过独立变桨后桨叶6的叶根弯矩；

襟翼10调度角获取，将叶根弯矩投影为俯仰分量和偏航分量，通过对俯仰分量和偏航分量的计算，计算出襟翼10调度角；

襟翼10调节，襟翼控制器8依据襟翼10调度角的转动角度驱动襟翼驱动器9，襟翼驱动器9对安装在桨叶6尾缘处的襟翼10进行调节

实施例：

具体的通过采用三桨叶6风力机对本实用新型的控制方法进一步详述。

基于风速前馈的独立变桨距控制策略

风力机整体变桨距控制采用发电机2转速偏差(额定转速与实际转速之差)作为输入信号，通过变桨距控制器3控制桨叶6整体变桨距，风力机整体变桨距控制表达式为：

式中，θcpc(t)为风力机的整体变桨距的桨距角，ΔΩ(t)为发电机2转速偏差。

来流风速采用测风雷达来测量，以风力机主体1前端的轮毂高度的风速为参考风速。风剪切的变化规律可用风速廓线来表示，风速廓线用指数律可表示为：

式中，V(h)为离地参考高度为h处的风速；V(h0)为离地参考高度为h0处的风速，一般取轮毂高度风速；α为风剪切指数，与地面粗糙度和大气稳定度相关，IEC标准一般取α＝0.20。

塔影效应的作用范围主要在风轮平面的下半部分，即方位角ψ∈(π/2,3π/2)的区域。对于上风向风力机，塔影效应引起的风速减小可用势流理论表示为：

式中，(x,y)为塔架坐标系下水平两个方向的坐标，V(x,y)为风轮平面内塔架坐标为(x,y)处的风速；V0为来流风速；D(x,y)为塔架坐标为(x,y)处的塔架直径。

根据3支桨叶6的等效风速分别计算各桨叶6的权系数，各桨叶6的权系数可表示为：

式中，为第i支桨叶6的等效风速，一般可取桨叶6距轮毂中心为处(Rb为桨叶6 长度)的风速作为整支桨叶6的等效风速；l为指数系数，根据风速模型取值，考虑风轮气动转矩与等效风速的平方成比例关系，一般取l＝2。一般应确保三个权系数之和等于3，以确保风力机独立变桨距控制的输出功率与整体变桨距控制保持一致。从而，各个桨叶6的桨距角可表示为：

θi(t)＝Ki(θ)θcpc(t)

式中，θi(t)为第i支桨叶6的桨距角，θcpc(t)为桨叶6整体变桨距的桨距角。

风力机运行过程中，风轮旋转使桨叶6方位角不断变化，受到风剪切和塔影效应等因素的影响，桨叶6会产生附加不平衡载荷，导致桨叶6的疲劳损坏。采用基于风速前馈的风力机独立变桨距控制策略，根据来流风速和桨叶6方位等参数控制桨叶6的桨距角，调节桨叶6的气动载荷，可有效减缓风力机桨叶6和塔架的疲劳载荷。

基于载荷反馈的风力机尾缘襟翼控制策略

风力机尾缘襟翼控制策略以叶根弯矩作为载荷反馈信号，通过多桨叶6坐标变换将旋转坐标系下的叶根弯矩投影到固定直角坐标系下，将三个桨叶6的叶根弯矩投影为俯仰分量和偏航分量。襟翼10可分别控制nP(P为风轮旋转频率)载荷，因而投影分量为方位角的n 倍分量。叶根弯矩载荷信号需经过带通滤波器滤波后得到所需的nP分量，滤波器引起的相位滞后需进行相位补偿。因而叶根弯矩经过多桨叶6坐标变换后可表示为：

式中,是三个桨叶6叶根弯矩nP分量的平均值，是第b个桨叶6叶根弯矩的 nP分量，是三个桨叶6叶根弯矩在固定坐标下轮毂处的n倍俯仰分量，是三个桨叶6叶根弯矩在固定坐标下轮毂处的n倍偏航分量。俯仰分量和偏航分量近似相互独立，可以通过设计两个独立的单输入单输出控制器分别调节，从而简化控制系统。本方法采用襟翼控制器8对偏航分量和俯仰分量分别控制，控制目标为俯仰分量和偏航分量不平衡量为0。通过襟翼控制器8控制规律，襟翼10调度角与偏航分量和俯仰分量的关系式可表示为：

经过多桨叶6坐标逆变换，得到三个桨叶6的尾缘襟翼10调度角表达式为：

式中，分别为三个桨叶6的襟翼10nP分量下的襟翼10调度角，β0(t)是襟翼10调度角整体调节量，本方法取β0(t)＝0。

最终，通过叠加得到三个桨叶6尾缘襟翼10的调度角为：

式中，β1(t)、β2(t)、β3(t)分别为三个襟翼10的襟翼10调度角，控制范围为1p～np载荷。

采用测风雷达测量来流风速，采用应力感应器7测量叶根弯矩，采用变桨距控制器3 实现基于风速前馈的独立变桨距控制策略，采用襟翼控制器8实现基于载荷反馈的尾缘襟翼 10控制策略，通过变桨距电机与变桨距传动结构实现桨叶6独立变桨距功能；通过襟翼10 驱动电机、襟翼10联轴器与襟翼10偏转器调度襟翼10偏转，主动调节桨叶6气动性能，以实现减缓桨叶6和塔架疲劳载荷，稳定风力机输出功率的作用，减小桨叶6疲劳载荷。为了防止尾缘襟翼10的偏转过大和过快，应根据需要设置尾缘襟翼10偏转工作范围和偏转速率限制环节。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。