风电机组控制系统是整个发电机组的核心，直接影响着整个发电系统的性能。由于风电机组叶片受到阵风推力产生的轴向方向上的载荷巨大，风速的微小变化就会引起轴向力较大的变化，引起叶片在轴向方向上振动，所以设计合理的控制系统对叶片进行降载减振将降低叶片，轮毂以及其他相关部件载荷，对风电机组的运行寿命起着至关重要的作用。现有风电机组控制系统通过设置变桨机构，在风速过大的时候，变换桨叶角度来改变叶片处的空气入流角，减小叶片受到的轴向载荷，但是变桨动作所需要的扭矩巨大，同时叶片本身具有较大的转动惯量，作为变桨执行机构的低速大扭矩电机的响应时间延迟较大，不能及时的进行变桨动作，导致叶片轴向方向上振动过大，载荷过高，无法达到叶片所能承受的范围，影响叶片以及整个机组的性能和寿命，导致风电机组维护成本巨大。
本文提出的风电机组叶片振动液压控制系统，包括叶片振动信号处理系统、振动控制计算系统和振动液压控制执行系统。其中，叶片振动信号处理系统由振动加速度传感器和滤波器构成，振动控制计算系统由PID 控制器构成，振动液压控制执行系统由液压减震器构成。
风电机组叶片振动信号处理系统
叶片是风电机组的主要部件，其结构强度直接影响到风电机组的工作效率和运行可靠性。风电机组叶片的工作环境除了承受变化的空气动力外，还受到本身惯性力以及机舱带来的负荷，很容易发生振动。
风电机组的叶片上安装振动加速度传感器。由于风速变化而引起叶片在轴向方向上产生振动，该振动加速度传感器能够对叶片振动的加速度数值进行采集测量，反应叶片振动的运动性质。由于风电机组的机舱工作受到风速流动的推力和压力，以及温度变化等方面的影响，应采取工作频率范围较宽、坚固耐用以及受到外界干扰较小的传感器。本风电机组振动液压控制系统采用压电式加速度传感器，它具有压电材料受力产生电荷信号无需外界电源、抗干扰能力强、对工作环境不敏感的特点，利用弹簧质量系统原理，在传感器芯体质量受到振动加速度作用后产生一个与该加速度成正比的力，传感器的压电材料受此力作用后在其表面上形成与这一力成正比的电荷信号，完成对塔筒前后加速度的测量。由于振动加速度传感器测量出的加速度信号会受到测量过程中产生的噪声的影响，所以需要在振动加速度传感器之后连接滤波器对采集到的信号进行滤波，其中采用低通滤波器为:
其中s 为拉普拉斯变换变量，z 为低通滤波器的阻尼系数，w 为低通滤波器的频率。叶片振动加速度信号在经过滤波器进行滤波处理之后，去除噪声对信号的影响，消除产生的毛刺噪声，保证整个信号的稳定性和有效性以及控制系统的性能。
风电机组振动控制计算系统
风电机组振动控制计算系统首先将接收到的振动加速度信号的测量值和一个预先设定的参考信号进行比较，然后把比较后得出的差值传给PID 控制器计算出控制器的输出值，即液压减震器节流孔的流通面积，以得到预期的减少叶片振动的控制效果。其中PID 控制器为：
这里u 为PID 控制器的输出，KP，KI，KD 分别为比例，积分和微分系数，e 为接收到的振动加速度信号的测量值和预先设定的参考值差值。
该控制器中放大比例环节会使系统动作迅速，反应速度快，稳态误差变小，但比例系数过大会使系统的振荡次数增加，调节时间变长。积分环节可消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。微分环节可以提高系统动态特性，反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。风电机组叶片振动的能量受到叶片阻尼的影响进行衰减，根据阻尼使振动停止的效果不同，可以分为欠阻尼，过阻尼和临界阻尼。这三种阻尼振动的方式不同，当阻尼取一个特定的数值的时候，塔筒前后振动会很快地靠近平衡位置，以临界阻尼回到平衡位置所需时间最短，其阻尼数值小于过阻尼，而大于欠阻尼。所以根据风速变化造成的叶片振动的大小，通过该控制系统进行叶片控制实际调节了叶片的阻尼特性，使其达到临界阻尼状态，能够有效的消除振动的影响。通过综合考虑风电机组的动态性能和静态性能，对PID 三个控制系数进行合理的设定逐步的调节，能够兼顾系统稳定快速以及对目标参考曲线的快速跟踪，满足控制性能的要求。PID 控制器计算出控制输出即液压减震器节流孔的流通面积以后，将该控制输出信号传给振动液压控制执行系统。
风电机组振动液压控制执行系统
风电机组液压控制执行系统接收PID 控制器输出的控制信号，通过改变液压减震器节流孔的流通面积调节振动阻尼系数的大小，输出信号到被控对象风电机组叶片上，可以改善叶片因风速变化引起的振动现象。液压减震器工作力矩较大，控制精度较高，能够满足减小叶片振动的要求。液压减震器中K 为弹性刚度，A 为液压减震器活塞上的节流孔， δ 为减震器的阻尼系数，m 为叶轮质量。液压减震器的活塞液压缸里充满黏性液压油，活塞上有节流孔A，使得上下腔中的油液互相流动。油液通过节流孔A 时将产生阻尼，节流孔越小，油的黏度越大，阻尼力越大。在叶片上下振动时，减振器活塞上下移动，弹性系统的振动被减振器阻尼吸收。减震器的阻尼系数δ 为：
其中，ρ 为液压油的密度，B 为液压缸工作面积，C 为阀口流量系数。由上面的公式可知，通过调整节流口孔A的流通面积，可以调整减震器的阻尼系数δ。对于叶片在轴向方向上的振动系统来说，其振动阻尼比ξ 为：
其中K 为弹性刚度， δ 为减震器的阻尼系数，m 为叶轮质量。
因为叶片轴向方向上的振动是周期衰减振动，阻尼比ξ 的大小决定了叶片振动的运动性能。对于叶片低频的振动，阻尼比ξ 对系统的影响不大，可以将阻尼比调整为较小的数值。对于叶片振动比较明显的共振段，需要加大阻尼比ξ，降低系统振动的峰值。对于叶片振动的高频段，系统自身对于输入的振动位移具有减弱的作用，阻尼比在高频振动的情况下对系统的影响变小，需要降低阻尼比ξ，降低系统的能量损失。所以液压减振器接收PID 控制器输出的控制信号，将液压减震器节流孔的流通面积A 调整到PID 控制器给出的数值，就改变了减震器的阻尼系数δ，进而改变了叶片振动阻尼系数的ξ 大小，改善了叶片在因风速变化激励产生的振动。这使得叶片振动被该液压控制执行系统通过对叶片前后振动的能量进行吸收，降低了风电机组叶片前后振动的峰值，达到了调节风电机组叶片振动的效果。
系统实例仿真
针对一个额定功率为6MW 的风电机组，其额定电机转速1200rpm, 额定电磁转矩5016Nm，采用GH bladed工具对该风电机组系统进行仿真，PID 控制参数KP=3.151，KI=0.2305，KD=0.1456， 叶轮质量m=145.2t。在稳态风13m/s 的作用下，比较使用风电机组振动液压控制前后的振动曲线。
图1 为运用风电机组叶片振动液压控制前后叶片振动位移对比曲线，其中蓝色曲线为运用风电机组振动液压控制叶片振动位移, 红色曲线为未运用风电机组振动液压控制叶片振动位移。由仿真结果可以看出，运用风电机组振动液压控制后，风电机组叶片在前后方向上位移振幅减小，振动程度也减弱。
图2 为运用风电机组叶片振动液压控制前后叶跟受力对比曲线，其中蓝色曲线为运用风电机组振动液压控制的叶根受力数值, 红色曲线为未运用风电机组振动液压控制的叶根受力数值。由仿真结果可以看出，运用风电机组振动液压控制后，风电机组叶跟前后方向受到的力矩幅值变小，达到了减小风电机组叶片振动以及降低风电机组叶片受到的极限载荷的目的，提高了叶片以及整个机组的性能和可靠性。
结论
目前风电机组中应用的变桨执行机构由于变桨力矩和响应时间的限制，难以通过变换桨叶角度来减小叶片受到的轴向载荷，导致叶片轴向方向上振动过大。而本文所设计的风电机组叶片振动液压控制系统，可以根据测量的振动加速度信号，通过PID 控制器输出给液压减震器调节节流孔的流通面积来调整叶片振动的阻尼系数，改善叶片因风速变化产生的振动过大的现象，能满足控制系统的动态性能和静态性能的需求，降低了风电机组维护成本，提高了叶片以及整个机组的性能和寿命。
