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1、 目 录摘要2关键词20.前言21.风力发电31.1风力发电发展状况31.2.风力发电机组31.2.1叶轮31.2.2齿轮箱41.2.3发电机41.2.4电控系统41.2.5偏航系统41.2.6塔架42.风力发电机振动保护仪52.1振动保护仪的硬件结构52.2振动保护仪的软件结构53.振动保护仪的软件设计63.1 数字滤波器的类型选择63.1.1 IIR滤波器:63.1.2 FIR滤波器:73.2数字滤波器的设计步骤84.结束语105致谢：116.参考文献：11风力发电机振动保护仪的软件设计机电一体化专业学生 金鹏 指导老师 乔印虎 摘要风力发电机振动保护仪是集振动和转速保护于一体的模块,采用
2、加速度传感器、转速传感器等硬件,提取有用频段内的信号,通过程序判断,当信号值大于设定的正常值时,发出一个开关量信号执行停机操作,完成对风力发电机的振动保护。当叶轮转速过高时,通过转速传感器采集的信号进行过速保护。 本文是用Butterworth法，采用C语言实现数字带通滤波器的设计，介绍了IIR滤波器设计过程及结果验证，在此基础上，设计一种集振动和转速保护于一体的叶片振动保护仪,保证叶片的可靠运行。关键词：风力发电； 振动保护仪； IIR滤波Abstract Designed one kind of vibration guard module of wind turbine .It is a
3、 combined vibration and RMP guard module.It measures vibration by analyzing the signal from an accele rometer and RMP by measuring pulse time from a tacho. With draws the signal of the useful frequency band and through procedure judgement，when the signal value is bigger than the normal value，sends o
4、ut one switch signal to stop. When the rotational speed is excessively high，through the signal of tacho carries on the rotational speed protection. This paper uses the C language realization numeral band pass filter with the Butterworth law, and introduces the IIR filter design process as well as th
5、e result confirmation .On the basis, designed one kind of vibration guard module of wind turbine. It is a combined vibration and RMP guard module. Make sure the blade works well.Key words: Wind power generation , Vibration protection meter, IIR filter 0.前言风能是一种清洁的可再生能源。据世界气象组织分（WMO）分析，全球总风能为kw，其中可利用
6、的风能为kw。因此，开发和利用风能资源，不仅可以为 21 世纪寻找新的替代能源，而且有利于环境保护。风力发电已进入商业化发展的前期阶段，与之相配套的叶轮技术的发展也十分迅速。风力发电机的风轮是接受风能的最主要部件，也是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。随着人类社会的发展，能源、环境成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，从某种意义上来说，风力发电将成为2l世纪最具大规模开发前景的新能源之一。目前我国的风能利用无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。但监测保护系
7、统的发展明显滞后于风机的发展，造成多数风机故障率较高，严重影响了风电场的产能。风力发电机的叶轮是吸收风能的最主要部件，也是风力发电机中最基础和最关键的部件，占整个风机成本的15%-20%。同时也是极易受损的部分，通过研究发现其受损的主要原因是振动和过速。本文就是针对风力发电机的叶轮受损特点进行振动和过速保护。风力发电机组（以下简称风机）是将风能转换成电能的发电设备，风能先后通过叶轮、主轴、齿轮箱、发电机后转换成电能。在风力发电机组各个部件中，风机叶片是弹性体,在风载荷的作用下,作用在风机叶片结构上的空气动力、弹性力、惯性力等具有交变性和随机性的力的耦合将会引起与某些振型共振的自激共振，即颤振，
8、这种振动是发散的，严重时会导致风机结构的破坏，称为风机运转过程中的气动弹性现象；叶片出现故障的直接原因常常是叶片振动太大或叶轮转速过高，因此叶片成为我们的振动保护仪的主要保护对象。1.风力发电 1.1风力发电发展状况 20世纪初,有些国家和地区开始研究风力发电,为风能的利用开辟了更为广阔的前景。1941年,美国在巴蒙特州研制并建立了一台当时世界上最大的风力发电机,风轮的直径为53 m,塔高34 m,发电能力为1 500 kW。到50-60年代,西欧各国开始制造大型风力涡轮发电机,从70年代初,世界上许多地区研究和安装了超大型风力发电机。风力发电的发展在世界工业史上历程很短暂,但它迅猛发展的速度
9、,技术上的巨大进步不能不让人惊叹。有人算过,只需地面风力的1%,就能满足全球发电能量需要。由此可见,风是一个相当巨大的电力能源宝库。尽管达到地球的太阳能仅有2%转化为风能,但其总量十分可观。全球可实际利用风能为2MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。截至2002年底,全球风力发电机容量达3 200kW,比2001年增加了28%,新增装机686.8kW,是1999年的4倍,年均以32%的速度递增。新增风电装机中90%在欧洲和美国,主要是在欧洲,约占75%。经过科学测算,今后风力发电年增长均在30%以上,预测到2020年,全世界风电装机总容量将达1 260 MW,年发电量将达到世界电能总
10、需求量的12%。放眼全球,风力发电正成为各国争相发展的新兴能源。欧洲的风电装机容量已相当于25座核电站的发电量1。1.2.风力发电机组风力发电机组主要零部件包括叶片、主齿轮箱、发电机、电控系统、偏航装置和塔架。风力发电的过程就是风能经过机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。当气流流过风力机风轮时，风轮便旋转作功，风力机的功率输出是风通过风轮后，使风速降低实现的。1.2.1叶轮叶轮是风力发电机最重要、最昂贵的部件，单个部件约占整个风力机成本的20%。因此，设计性能优良的叶轮是至关重要的。风力发电领域中叶片翼型的研制情况构成风力机叶轮翼型的性能如何，直接影响着风
11、能转换的效率。翼型因风力机的种类而异，第一批风车的叶片是由覆盖亚麻布的木架构成的，叶片由支撑杆两边的木梁支承。后来木梁移至叶片的后缘以改善空气动力效率。低速风轮采用薄而略凹的翼型；现代高速风轮都采用流线型叶片。其翼型通常从NACA 和 Gottigen系列中选取。这些翼型的特点是阻力小.空气动力效率高，而且雷诺数也足够大。早期的水平轴风力机风轮叶片普遍采用航空翼型，例如NACA44xx和 NACA230xx，因为它们最大升力系数高，桨距动量低和最小阻力系数低。实践表明，标准航空类翼型并不适用于风力机应用。1983年后风力机设计者开始采用为风轮所特殊设计的新型翼型.美国、瑞典和丹麦等风能技术发达
12、国家都发展各自的翼型系列。其中以瑞典的 FFA-W系列翼型最具代表性。FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。随着风力机的发展，叶轮叶片在满足空气动力学的基础上已设计出KLARK-Y型、NACA 型、FX型、双羽型、C 型梁、D 型梁叶片、变桨距叶片2。1.2.2齿轮箱 低速直接驱动采用无增速齿轮箱;混合驱动采用一级齿轮箱;高速驱动有多级齿轮箱。多级齿轮箱的第一级是结构紧凑且坚固的高转矩行星齿轮，第二和第三级为旋转级。齿轮箱用强力橡皮垫固定，起到降噪和阻尼峰值负荷冲击的作用，在极端负荷情况下可使齿轮箱和轴承免遭损坏。齿轮箱内的冷却
13、油与发电机冷却系统的热交换器相连。系统监控油温以确保冷却油保持恒定或最佳温度值。1.2.3发电机 早期大型风力发电机用双绕组4/6极异步发电机，根据风速变极、定桨距和失速功率控制。后来采用双馈异步发电机，可变速和变桨距功率控制。目前，兆瓦级风力发电机仍然以双馈异步发电机为主，电励磁同步发电机和永磁同步发电机也在不断发展占领风电市场。发电机设计性能应满足高效率最佳运行，适合宽范围转速调节，采用F级绝缘，可工作在B级绝缘，这样可延长发电机寿命。发电机安装在机舱内比安装在塔底地面有利于空气流通散热。而且发电机负荷与空气流速成比例增大，风速较低时，绕组散热慢，但发电机产生的热量也少。相反，风速较高时，
14、发电机产生的热量多，空气流动散热的速度也越快。1.2.4电控系统风轮功率控制采用大功率整流逆变控制器，以及有源滤波和无功补偿。信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主机在地面控制室的开关柜内，从机设在机舱内。所有来自传感器和变送器的输入信号都由从机汇集和处理，再传送给主机。主机监控风轮所有的运行状态。主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。风力发电机完全实现远程监控，从远程计算机可读取所有风轮数据。一旦出现错误，风轮控制器会自动报告事件，控制器中的数据也进行备份保存，以便查看发生了什么样的错误。1.2.5偏航系统 偏航系统采用四点球轴承回转环，确保风轮处于正确的风向位置。偏
15、航操作由三个行星齿轮完成，每一个由电力电子控制的电机驱动，这样偏航齿轮的负荷大小均匀。偏航制动由六个液压制动器控制的大盘制动，且每一个偏航齿轮独立制动，整个系统保证偏航控制平滑。当偏航结束，机舱就固定不动，而且偏航齿轮也不承受负荷。偏航系统有两个独立的风向标检测风速并送主计算机，保证风能最佳利用且驱动链应力最小。1.2.6塔架风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯形栅格钢结构两种。圆锥形钢结构内部安装楼梯、安全线路、工作平台和照明系统。塔架基础采用地下钢筋混凝土结构。随着塔身高度增加，风轮叶片遭受雷击的概率也增加，必须设计防雷系统。如果风轮或机舱遭受雷击，雷电保护系统会将雷电电流引入接地系统3
16、。2.风力发电机振动保护仪在风力发电机组各个部件中,风力机叶片是弹性体,在风载荷的作用下,作用在风力机叶片结构上的空气动力、弹性力、惯性力等具有交变性和随机性力的耦合将会引起与某些振型共振的自激共振,即颤振。该振动是发散的,严重时会导致风力机结构破坏,是风力机在运转过程中的气动弹性现象所致,叶片出现故障的直接原因也是叶片振动太大或叶轮转速过高,因此叶片成为振动保护仪的主要保护对象。风力发电机振动保护仪，它是集振动和转速保护于一体的模块,采用加速度传感器、转速传感器等硬件,提取有用频段内的信号,通过程序判断,当信号值大于设定的正常值时,发出一个开关量信号执行停机操作,完成对风力发电机的振动保护。
17、当叶轮转速过高时,通过转速传感器采集的信号进行过速保护4。2.1振动保护仪的硬件结构风机的保护需要监测2个信号:振动位置的加速度信号,用来表征振动的剧烈程度;叶片的转速信号,用以控制叶轮转速。因此信号采集部分包括一个加速度传感器和一个转速传感器。研究表明:直径45m左右的叶轮,其自激振动频率在1-3Hz内。因此,信号处理的任务就是在检测信号中将该目标频段的信号提取出来供后续分析。考虑到传感器的灵敏度及与后续部分的接口问题,用一个放大器和一组滤波器构成信号处理单元。考虑到不同规格叶轮的自激振动频率不同,采用可编程滤波器作为信号处理单元的核心滤波器,以提供尽可能多的保护频段。整个设备的核心控制单元
18、采用单片机结构,经过处理的检测信号通过2个A/D转换器输入单片机,故障判断等算法均在其中用软件实现;单片机扩展电路分别驱动继电器和显示器构成报警电路和显示模块。同时还设计用于参数输入的键盘部分。2.2振动保护仪的软件结构软件部分主要包括:故障判断算法、整机自检程序、报警、外围电路的控制代码等,可分为以下几个模块:1.传感器状态自检模块,包括上电自检和实时监测传感器状态两部分。2.参数输入模块,输入参数以改变保护仪的工作参数。3.故障诊断模块,判断当前工作状态是否在安全范围内。4.报警处理模块,根据故障诊断的结果,按照报警算法选择合适的报警操作。报警继电器通常在模块与电源相连后,且系统无故障时带
19、电。继电器断开,说明振动等级已超出参数限定范围,或转速超出参数限定范围。故障后,继电器再次带电前,应有10s无故障时间。如10s延时内,再次出现故障,则需再等候10s。5.显示控制模块,实时显示当前保护仪的工作状态及风力机的状态。基于C51编程开发环境编写了所有的软件代码,并在单片机仿真实验环境下进行仿真实验。软件结构框图2.2如所示。 图2.2控制程序框图3.振动保护仪的软件设计本文是用Butterworth法，采用C语言实现数字带通滤波器的设计的，因此，风力发电机振动保护仪的软件设计主要是数字滤波器的设计过程。3.1 数字滤波器的类型选择数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量
20、轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等特点。数字滤波器根据结构分为无限脉冲响应滤波器(IIR)和有限脉冲响应滤波器(FIR)，IIR型滤波器是一种反馈型滤波器，而FIR型滤波器是一种非反馈型的滤波器，它们的特点各有不同。3.1.1 IIR滤波器: 如前所述，IIR滤波器是一种反馈型滤波器。从其传递函数看，它既具有零点，又具有极点。由于需要的是一个低通滤波器(仅需滤出直流量)，故可设滤波器的截止频率f2为1Hz，截止频率处幅值衰减3dB，对于IIR滤波器。由于阶数越高，延时越大，所以使用二阶滤波器。图3.1是四种IIR滤波器的阶跃响应及其频域幅值响应。1.Butter
21、worth滤波器特性 2.Chebyshev I型滤波器特性3.Chebyshev II型滤波器特性 4.椭圆型滤波器特性图3.1.几种IIR滤波器滤波效果的比较从图3.1可以看出，Butterworth滤波器的阶跃响应速度最快且超调小，频域幅值响应具有最平特性，但频域幅值响应的过渡带较宽;而Chebyhev I型滤波器的阶跃响应速度最慢，其频域响应的过渡带很窄，但二阶Chebyhev I型滤波器对直流有明显的衰减;Chebyhev II型滤波器的阶跃响应速度较Butterworth滤波器慢，但其频域幅值响应的过渡带窄，缺点是阻带内的衰减不够;而二阶椭圆滤波器的阶跃响应速度较Butterrwo
22、rth滤波器慢，其过渡带也较窄，缺点同样是对直流存在着衰减。3.1.2 FIR滤波器:FIR滤波器从传递函数上看，是仅具有零点而没有极点的滤波器。最为常用的便是窗函数设计法。下面就各种加窗FIR的滤波特性和Butterworth滤波器的特性作一比较。如图3.2所示为使用MAT-LAB绘制的滤波器幅频响应特性。l二阶Butterworth数字滤波器 2.200点 FIR(矩形窗)数字滤波器3.200点FIR(汉明窗)数字滤波器 4.200点FIR(black man窗)数字滤波器 5.200点FIR(矩形窗)数字滤波器图3.2 各种滤波器的频域幅值响应从图3.2可以看出二阶Butterworth
23、型数字滤波器的幅值响应最好，在通带内衰减最快，而且阻带内呈最平特性。而FIR数字滤波器的通带带宽大，阻带内又存在旁瓣波动，因此就滤波效果来看以IIR滤波器为优。从图中还可以看出，虽然FIR滤波器可以通过加大阶数来减小通带带宽，但阶数过大，就会引起数据存储空间的不足，给实现造成一定的不便。 从结构上看，IIR滤波器涉及的参数少，实现比较简单，而FIR滤波器参数相对较多，所占存储空间大;IIR滤波器的缺点是由于其结构是反馈型的，即其传递函数存在极点，所以它要求滤波器参数精度较高，否则很有可能引起振荡、发散情况，而FIR滤波器传递函数由于没有极点，不存在振荡和发散的情况，故在稳定性方面具有很好的特性
24、。由于在相同设计指标要求的情况下，FIR滤波器要比IIR滤波器阶数高几倍，而且信号延迟较大，IIR滤波器所要求的阶数不仅比FIR滤波器低，而且可以利用模拟滤波器的设计成果。另外，本次设计对信号相位要求不高。采用单片机实现IIR滤波器具有多种优越性。叶片作为振动保护仪的主要保护对象，由于轮毂材料并非完全刚性，叶片之间振动会相互耦合影响，在转动过程中会产生刚化效应，刚化效应使得叶片的固有频率发生变化，即叶片的振动固有频率随叶片转速增加而增大。这样要保护叶片，就要在一个频段内进行保护，所以本设计为数字带通滤波器，以LM公司600KW风机叶片为例，其固有频率在摆振方向为1.75Hz； 在挥舞方向为3.
25、05Hz。但在风机运行过程中会在一个范围内变化。综合考虑，采用IIR型二阶BUTTERWORTH低通数字滤波器。有源滤波器中数字低通滤波器设计及其实现5。 3.2数字滤波器的设计步骤 1.确定所需类型数字滤波器的技术指标2.将所需类型的数字滤波器的技术指标转换成所需类型模拟滤波器的技术指标，转换公式为： 3.将所需类型模拟滤波器技术指标转换成模拟地同滤波器技术指标1)确定模拟带通滤波器的技术指标，即：带通上限频率，带通下限频率；下阻带上限频率，上阻带下限频率；通带中心频率，通带宽度；与以上边界频率对应的归一化边界频率如下： ，还需确定的技术指标有：通带最大衰减，阻带最小衰减。2)确定归一化低通
26、技术要求： ， ， 与的绝对值可能不相等，一般取绝对值小的，这样保证在较大的处更能满足要求。通带最大衰减仍为，阻带最小衰减亦为。4.设计模拟低通滤波器5.将模拟低通滤波器通过频率变换，转换成所需类型的模拟滤波器。6.采用双线性变换法，将所需类型的模拟滤波器转换成所需类型的数字滤波器。等效的S平面下设计的模拟滤波器转换成Z平面下数字滤波器，S平面与Z的变换为： ，又代入可得数字频率与模拟频率之间的转换。双线性变换法的原理6，为了克服S平面到Z平面多值映射的缺点，先将整个S平面压缩到一中介的平面的一条横带里，宽度为，即从到。其次再通过标准变换将此横带变换到整个Z平面上去，这就使Z平面和S平面存在着
27、一一对应的关系。消除了频率混叠现象。将S平面的整个轴压缩到平面的轴上的到一段，可以采用以下变换关系：。这样变到，变到，有；又代入得：，（双线性变换）。从平面映射到平面，再从平面映射到平面。具有不产生频率混叠现象的优点。本设计的带通滤波器幅频特性曲线，如图3.3所示。 图3.3带通滤波器幅频特性曲线.下面是设计的滤波器传递函数差分方程表达式7： w-1=0;w-2=0;w-3=0;w-4=0;inx-1=0;inx-2=0;inx-3=0;inx-4=0;v-1=0;v-2=0;v-3=0;v-4=0;wi=-a1*wi-1-a2*wi-2-a3*wi-3-a4*wi-4+b0*inx0+b1*
28、inxi-1+b2*inxi-2+b3*inxi-3+b4*inxi-4;inxi-4=inxi-3;inxi-3=inxi-2;inxi-2=inxi-1;inxi-1=inxi;vi=-a6*vi-1-a7*vi-2-a8*vi-3-a9*vi-4+b5*w0+b6*wi-1+b7*wi-2+b8*wi-3+b9*wi-4;wi-4=wi-3;wi-3=wi-2;wi-2=wi-1;wi-1=wi;通过C语言实现以上差分方程，在输入信号后得到输出信号，如图3.4，图3.5所示。图3.4.输入的合成信号 图3.5.带通滤波器输出结果以上通过C语言实现差分方程，在输入信号后得到输出信号8。4.
29、结束语本文通过对风机叶片振动机理的研究，弄清了叶片失效的原因，通过试验来得出叶片破坏门限制，并设计控制系统，采用软件数字滤波的方式滤出有用信号，达到保护叶片的目的，保证风机的可靠、安全运行。5致谢：感谢在CAD新机房值班的郑凤菊和陈洪军两位老师的帮助；感谢论文指导老师乔印虎老师的耐心辅导和热情帮助。6.参考文献：1 张建民. 风力发电在国外的发展状况及在我国的发展前景J.甘肃科技,2000,(2):10-22.2 陈余岳 国产风力发电机FRP叶片一瞥J.风力发电.2001(4)：15-163 谢宝昌 兆瓦级风力发电机综述J机电工程2007,1(1):13-154 包耳. 风力发电技术的发展现状J.可再生能源, 2004, 114(2): 53-55.5 田大强，蒋平，唐国庆 有源滤波器中数字低通滤波器设计及其实现J电工电能新技术2003,7(3):77-806 王世一. 数字信号处理M，北京：北京理工大学出版社，1997.117 程佩青 数字信号处理教程M，北京：清华大学出版社，2001.88 乔印虎. 朱志坚，张春燕 IIR数字滤波器在风机振动保护仪上的应用J机电工程 2007,2(2):8-10
