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1、安徽科技学院 工学院 毕业设计 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
2、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。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 t
3、urbine .It is a 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 norma
4、l value，sends out 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 proces
5、s as well as the 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
6、，全球总风能为kw，其中可利用的风能为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
7、上，都有很大提高。但监测保护系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
8、些振型共振的自激共振，即颤振，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
9、历程很短暂,但它迅猛发展的速度,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
10、MW,年发电量将达到世界电能总需求量的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
11、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.
12、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 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
13、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。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
14、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。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，
15、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。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
