毕业论文：风力发电机振动保护仪的软件设计

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。

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。

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，直接影响着风能转换的效率。

翼型因风力机的种类而异，第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。

其翼型通常从和系列中选取。

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，例如和，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。

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国家都发展各自的翼型系列。

其中以瑞典的系列翼型最具代表性。

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型型型双羽型型梁型梁叶片变桨距叶片。

齿轮箱低速直接驱动采用无增速齿轮箱混合驱动采用级齿轮箱高速驱动有多级齿轮箱。

多级齿轮箱的第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。

发电机早期大型风力发电机用双绕组极异步发电机，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，采用级绝缘，可工作在级绝缘，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，发电机产生的热量多，空气流动散热的速度也越快。

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。

旦出现，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。

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。

偏航操作由三个行星齿轮完成，每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，且每个偏航齿轮制动，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。

塔架风力发电机的塔架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。

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器和有限脉冲响应滤波器，型滤波器是种反馈型滤波器，而型滤波器是种非反馈型的滤波器，它们的特点各有不同。

滤波器如前所述，滤波器是种反馈型滤波器。

从其传递函数看，它既具有零点，又具有极点。

由于需要的是个低通滤波器仅需滤出直流量，故可设滤波器的截止频率为，截止频率处幅值衰减，对于滤波器。

由于阶数越高，延时越大，所以使用二阶滤波器。

图是四种滤波器的阶跃响应及其频域幅值响应。

滤波器特性型滤波器特性型滤波器特性椭圆型滤波器特性图几种滤波器滤波效果的比较从图可以看出，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，但二阶型滤波器对直流有明显的衰减型滤波器的阶跃响应速度较滤波器慢，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滤波器慢，其过渡带也较窄，缺点同样是对直流存在着衰减。

滤波器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。

下面就各种加窗的滤波特性和滤波器的特性作比较。

如图所示为使用绘制的滤波器幅频响应特性。

二阶数字滤波器点矩形窗数字滤波器点汉明窗数字滤波器点窗数字滤波器点矩形窗数字滤波器图各种滤波器的频域幅值响应从图可以看出二阶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滤波器为优。

从图中还可以看出，虽然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，给实现造成定的不便。

从结构上看，滤波器涉及的参数少，实现比较简单，而滤波器参数相对较多，所占存储空间大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。

由于在相同设计指标要求的情况下，滤波器要比滤波器阶数高几倍，而且信号延迟较大，滤波器所要求的阶数不仅比滤波器低，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，就要在个频段内进行保护，所以本设计为数字带通滤波器，以公司风机叶片为例，其固有频率在摆振方向为在挥舞方向为。

但在风机运行过程中会在个范围内变化。

综合考虑，采用型二阶低通数字滤波器。

有源滤波器中数字低通滤波器设计及其实现。

数字滤波器的设计步骤确定所需类型数字滤波器的技术指标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。

确定归化低通技术要求，，与的绝对值可能不相等，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。

设计模拟低通滤波器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。

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。

等效的平面下设计的模拟滤波器转换成平面下数字滤波器，平面与的变换为，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，为了克服平面到平面多值映射的缺点，先将整个平面压缩到中介的平面的条横带里，宽度为，即从到。

其次再通过标准变换将此横带变换到整个平面上去，这就使平面和平面存在着对应的关系。

消除了频率混叠现象。

将平面的整个轴压缩到平面的轴上的到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，如图所示。

图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系列通过语言实现以上差分方程，在输入信号后得到输出信号，如图，图所示。

图输入的合成信号图带通滤波器输出结果以上通过语言实现差分方程，在输入信号后得到输出信号。

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，保证风机的系列系列可靠安全运行。

致谢感谢在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。

参考文献张建民风力发电在国外的发展状况及在我国的发展前景甘肃科技陈余岳国产风力发电机叶片瞥风力发电谢宝昌兆瓦级风力发电机综述机电工程，包耳风力发电技术的发展现状可再生能源田大强，蒋平，唐国庆有源滤波器中数字低通滤波器设计及其实现电工电能新技术，王世数字信号处理，北京北京理工大学出版社，程佩青数字信号处理教程，北京清华大学出版社，乔印虎朱志坚，张春燕数字滤波器在风机