本實(shí)用新型涉及教學(xué)科研用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會的迅速發(fā)展，人們對可再生能源需求日益迫切，當(dāng)前對風(fēng)電的開發(fā)又炙手可熱。然而，由于風(fēng)能間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，與人們期望的穩(wěn)定功率輸出相悖，因此風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)受到廣泛的重視。采用變槳控制方法可以有效的調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，并通過調(diào)節(jié)葉片槳距角實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

國內(nèi)外科技人員對大型風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)開展了大量的研究工作，積累了大量可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，但是還存在如下問題亟待改進(jìn)和解決：

1.傳統(tǒng)的固定速率變槳方法在風(fēng)速大范圍變化時往往無法快速響應(yīng)風(fēng)速變化達(dá)到變槳目的，從而對風(fēng)力機(jī)造成潛在的損害和機(jī)械應(yīng)力疲勞。

2.變槳風(fēng)機(jī)只出現(xiàn)在大型風(fēng)機(jī)上，中小型風(fēng)機(jī)，尤其是教學(xué)科研用小型風(fēng)機(jī)，更是尚未有涉及。教學(xué)科研用小型風(fēng)機(jī)要求制作成本低，體積小巧的同時，對功能要求高，要求功能全面，便于對變槳風(fēng)機(jī)變槳過程中遇到的各種問題能進(jìn)行講解、分析及模擬實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)，該教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)能在不改變現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，不影響葉片吸收風(fēng)能的前提下，根據(jù)風(fēng)速信息，通過伺服電機(jī)驅(qū)動葉片迅速轉(zhuǎn)至指定位置，實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

一種教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)信息采集裝置、變槳控制器和變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)信息采集裝置包括風(fēng)速信息采集組件、槳距角信息采集組件和轉(zhuǎn)速信息采集組件。

風(fēng)速信息采集組件包括設(shè)置在葉片上的風(fēng)速計(jì)和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的風(fēng)速測量模塊，風(fēng)速計(jì)與風(fēng)速測量模塊相連接。

槳距角信息采集組件包括設(shè)置在葉片上的槳距角位置傳感器和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的槳距角位置測量模塊，槳距角位置傳感器與槳距角位置測量模塊相連接。

轉(zhuǎn)速信息采集組件包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量模塊，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)與轉(zhuǎn)速測量模塊相連接。

變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)與葉片的數(shù)量相等，每個變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)均包括伺服電機(jī)、小齒輪和大齒輪，大齒輪套設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂上，伺服電機(jī)安裝在對應(yīng)葉片的葉片背面根部葉弦線上，小齒輪套設(shè)在伺服電機(jī)的輸出軸上，且小齒輪與大齒輪相嚙合；每個伺服電機(jī)均與變槳控制器相連接。

所述變槳控制器為數(shù)字信號處理器DSP。

還包括與變槳控制器和所有伺服電機(jī)相連接的蓄電池。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每片葉片上均設(shè)置有槳距角位置傳感器。

本實(shí)用新型采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

1.采用模糊控制算法，根據(jù)風(fēng)速變化，調(diào)節(jié)變槳速率，提高系統(tǒng)變槳性能，優(yōu)化功率輸出曲線，性能優(yōu)越。

2.通過對變槳速率的調(diào)節(jié)，快速響應(yīng)風(fēng)速變化，使風(fēng)力機(jī)在安全的狀態(tài)下運(yùn)行，提高風(fēng)力機(jī)在極端天氣下的適應(yīng)能力，安全可靠。

3.根據(jù)實(shí)時風(fēng)速反饋，并利用模糊算法計(jì)算出相應(yīng)的變槳速度給定值，控制實(shí)際槳距角變化速率，降低變槳機(jī)構(gòu)疲勞度，延長伺服電機(jī)使用壽命。

4.采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為變槳系統(tǒng)控制器，體積小，功耗低，運(yùn)行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

5.上述大齒輪套設(shè)在輪轂上，小齒輪設(shè)在葉片上，因而能在不改變現(xiàn)有風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)前提下實(shí)現(xiàn)功能。

6.上述伺服電機(jī)安裝在葉片背面根部葉弦線上，此位置由于在背風(fēng)面不對葉片吸收風(fēng)能有任何影響同時又可把外界環(huán)境帶來的沖擊和腐蝕降低到最小。

7.采用單個伺服電機(jī)驅(qū)動單個葉片的變槳方式可以使得風(fēng)機(jī)在集中變槳和獨(dú)立變槳兩種運(yùn)行方式之間自由切換，避免集中變槳單一工作模式對方能的“粗放式”吸收，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余度和可靠性，進(jìn)一步有效提高風(fēng)機(jī)效率。

8.本實(shí)用新型作為教學(xué)科研用小型風(fēng)機(jī)，在制作成本低，體積小巧的同時，功能全面，能方便地對變槳風(fēng)機(jī)變槳過程中遇到的各種問題進(jìn)行原理講解、分析及模擬實(shí)驗(yàn)。

附圖說明

圖1顯示了本實(shí)用新型教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)的原理框圖。

圖2顯示了本實(shí)用新型中變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示了本實(shí)用新型采用模糊算法計(jì)算變槳速率的原理圖。

圖4顯示了本實(shí)用新型變槳過程的流程圖。

其中有：1.伺服電機(jī)；2.小齒輪；3.大齒輪；4.葉片；41.葉片背面根部葉弦線；5.輪轂。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，一種教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)信息采集裝置、變槳控制器、蓄電池和變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

上述變槳控制器優(yōu)選為數(shù)字信號處理器DSP，數(shù)字信號處理器DSP體積小，功耗低，運(yùn)行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。

上述蓄電池能為變槳控制器和所有變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)供電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)信息采集裝置包括風(fēng)速信息采集組件、槳距角信息采集組件和轉(zhuǎn)速信息采集組件。

風(fēng)速信息采集組件包括設(shè)置在葉片上的風(fēng)速計(jì)和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的風(fēng)速測量模塊，風(fēng)速計(jì)與風(fēng)速測量模塊相連接。

槳距角信息采集組件包括設(shè)置在葉片上的槳距角位置傳感器和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的槳距角位置測量模塊，槳距角位置傳感器與槳距角位置測量模塊相連接。

轉(zhuǎn)速信息采集組件包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)和內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量模塊，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)與轉(zhuǎn)速測量模塊相連接。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每片葉片上均可以設(shè)置上述風(fēng)速計(jì)、槳距角位置傳感器和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)，這樣設(shè)置的好處是，能對每個葉片進(jìn)行獨(dú)立變槳，也可以在集中變槳和獨(dú)立變槳兩種運(yùn)行方式之間自由切換，避免集中變槳單一工作模式對方能的“粗放式”吸收，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余度和可靠性，進(jìn)一步有效提高風(fēng)機(jī)效率。

當(dāng)然，作為替換，也可以只在其中一片葉片上安裝上述轉(zhuǎn)速信息采集組件，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)與葉片的數(shù)量相等，一般葉片為三個，則變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)也為三個。

如圖2所示，每個變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)均包括伺服電機(jī)1、小齒輪2、大齒輪3以及內(nèi)置在變槳控制器內(nèi)的功率驅(qū)動模塊。

大齒輪套設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂5上，伺服電機(jī)安裝在對應(yīng)葉片4的葉片背面根部葉弦線41上，小齒輪套設(shè)在伺服電機(jī)的輸出軸上，且小齒輪與大齒輪相嚙合。

上述大齒輪套設(shè)在輪轂上，小齒輪設(shè)在葉片上，因而能在不改變現(xiàn)有風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)前提下實(shí)現(xiàn)功能。上述伺服電機(jī)安裝在葉片背面根部葉弦線上，此位置由于在背風(fēng)面不對葉片吸收風(fēng)能有任何影響同時又可把外界環(huán)境帶來的沖擊和腐蝕降低到最小。

三個變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則具有三個伺服電機(jī)，每個伺服電機(jī)均與一個功率驅(qū)動模塊相連接。

如圖1所示，三個伺服電機(jī)分別為伺服電機(jī)一、伺服電機(jī)二和伺服電機(jī)三，伺服電機(jī)一安裝在葉片一上，與功率驅(qū)動模塊一相連接；伺服電機(jī)二安裝在葉片二上，與功率驅(qū)動模塊二相連接；伺服電機(jī)三安裝在葉片三上，與功率驅(qū)動模塊三相連接。

一種教學(xué)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速率變槳控制方法，包括如下步驟。

步驟1，風(fēng)力機(jī)信息采集：變槳控制器通過風(fēng)速測量模塊實(shí)時采集風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速信息，通過槳距角位置測量模塊實(shí)時采集風(fēng)力機(jī)的槳距角信息，通過轉(zhuǎn)速測量模塊實(shí)時采集風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。

步驟2，計(jì)算變槳角度：變槳控制器根據(jù)步驟1采集的轉(zhuǎn)速信息，計(jì)算得出風(fēng)力機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，也即為轉(zhuǎn)速偏差；然后，通過PID控制得到葉片的變槳角度；該變槳角度指的是經(jīng)由PID控制設(shè)定的槳距角與步驟1采集的當(dāng)前槳距角相比較后的差值。

步驟3，計(jì)算變槳速率：變槳控制器根據(jù)步驟1采集的風(fēng)速信息，采用模糊算法，根據(jù)風(fēng)速變化情況，預(yù)測風(fēng)速的變化趨勢，計(jì)算出變槳速率。所述步驟3中，采用模糊算法計(jì)算變槳速率的方法如下。

步驟31，輸入量模糊化：通過量化因子的選擇，將輸入量風(fēng)速偏差△v和風(fēng)速偏差變化率模糊化，轉(zhuǎn)化為模糊集合。

其中，輸入量和輸出量的模糊子集均為：{負(fù)大(NB),負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)},并選用高斯隸屬函數(shù)。

步驟32，模糊推理：根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則對步驟31得到的模糊集合進(jìn)行模糊推理，得到輸出量即變槳速率v₂的模糊集合。

進(jìn)行模糊推理時，采用“IF A AND B，THEN C，”的語句，可得到49條模糊控制規(guī)則如表1所示：

表1模糊控制規(guī)則

步驟33，解模糊：優(yōu)選采用重心法對步驟32輸出變槳速率v₂的的模糊集合進(jìn)行解模糊，并選擇合適的比例因子，得到最終所需要的變槳速率v₂，這里所得到的變槳速率v₂為一個函數(shù)值，具體取值方法需考慮步驟4中變槳時的具體類型。

步驟4，變槳：變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動葉片按照步驟2計(jì)算的變槳角度以及步驟3計(jì)算的變槳速率進(jìn)行變槳。

如圖4所示，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動葉片變槳時，先假設(shè)v₀為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速，v₁為測量得到的實(shí)際風(fēng)速，風(fēng)速偏差△v＝v₁-v₀，△v_lmit+為設(shè)置的最大風(fēng)速偏差閾值，△v_lmit-為設(shè)置的最小風(fēng)速偏差閾值；v₂為變槳速率，v_max為預(yù)先設(shè)定的最大變槳速率，當(dāng)前槳距角為β，則葉片具體變槳過程如下：

當(dāng)△v>△v_lmit+時，則槳距角β增大，v₂＝v_max。

當(dāng)0<△v<△v_lmit+，且時，則槳距角β增大，v₂增大。

當(dāng)0<△v<△v_lmit+，且時，則槳距角β增大，v₂不變。

當(dāng)0<△v<△v_lmit+，且時，則槳距角β增大，v₂減小。

當(dāng)△v＝0，且時，則槳距角β不變，v₂增大。此時，風(fēng)速不變，但風(fēng)速變化率趨于增大，將給定速度信號增大以應(yīng)對未來的變化趨勢，好作下一步的比較。

當(dāng)△v＝0，且時，則槳距角β不變，v₂不變。

當(dāng)△v＝0，且時，則槳距角β不變，v₂減小。

當(dāng)△v_lmit-<△v<0，且時，則槳距角β減小，v₂增大。

當(dāng)△v_lmit-<△v<0，且時，則槳距角β減小，v₂不變。

當(dāng)△v_lmit-<△v<0，且時，則槳距角β減小，v₂減小。

當(dāng)△v<△v_lmit-時，則槳距角β減小，v₂＝v_max。

另外，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每片葉片上均可以設(shè)置上述風(fēng)速計(jì)、槳距角位置傳感器和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)時，則上述步驟1中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)信息采集裝置能對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每片葉片均進(jìn)行風(fēng)速信息、槳距角信息和轉(zhuǎn)速信息的采集，所述步驟2中，變槳控制器能計(jì)算每片葉片的變槳角度；所述步驟3中，變槳控制器能計(jì)算每片葉片的變槳速率，所述步驟4中，每片葉片上均設(shè)置有一個變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)能驅(qū)動對應(yīng)葉片按照該葉片的變槳角度和變槳速率進(jìn)行變槳。

以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。