Wind turbine speed control of a contactless piezoelectric wind energy harvester

ABSTRACT

Wind turbine control is an important task to make the electricity generation secure in terms of energy demand and machine safety. It also yields to control the desired power level and optimized energy because of the assignment of turbine speed. The contact-less piezoelectric wind energy harvester (CPWEH) used in this study has three piezoelectric layers located around the shaft with 120 degrees apart and they are buckled by the magnetic force without any physical contact. The superiority of this device is to generate energy for low wind speeds such as 1.5 m/s. However, for high speeds, high total harmonic distortions (THDs) govern the waveforms, thus controlling the turbine speed becomes necessary for optimizing the output power. Encouraged by this, a small low inertia dc generator is coupled with the wind turbine, and the generator terminals are connected to a resistor through a power switch to generate a braking torque that opposes to wind speed direction. By controlling the switch properly, turbine speed is ensured to remain within a certain band, which accordingly prevents the turbine from rotating very fast at damaging wind speeds. Several experiments are performed on the developed CPWEH with/without the presented control scheme which prove the existence of promising performance of our proposal.

1. Introduction

There are many applications on the harvester systems, which focus on the conversion of the physical strengths into the electrical power. Among them, mechanical vibrations, light beam, temperature, electrical and magnetic excitations can be counted (Bizon, Tabatabaei, Blaabjerg, amp; Kurt, 2017; Manzoor, Rafique, Iftikhar, Hassan, amp; Ali, 2017). These harvesters may be in different power scales from micro;W to mW and in various dimensions depending on the performed application. In that respect, applications with long-life battery requirements, unmanned aerial applications, and sensor nodes can be men- tioned (Erturk, Renno, Inman, 2009; Hosseinabadi, Tabesh, Dehghani, amp; Aghili, 2015, Karami amp; Inman, 2012).

The recent improvement in nanotechnology has launched to design and implement high magnetic field density permanent magnets and high energy density piezoelectric materials. In the present situation, one can develop special geometries for both permanent magnets and piezoelectric materials (Harne amp; Wang, 2013; Radousky amp; Liang, 2012). Piezoelectric materials have the ability to generate electricity when they are exposed to external deformation, thereby provide promising power densities based on the embedded systems (AL-Oqla, Omar, amp; Osama, 2018; Avirovik, Kishore, Bressers, Inman, amp; Priya, 2015). The said attractive features can be exploited for wind-excited systems that can be on the basis of linear or rotational movement. The literature has witnessed many harvester applications, i.e. the leaf-type piezoelectric generators (Li amp; Lipson, 2009), contacted windmills (Myers, Vickers, Kim, amp; Priya, 2007; Priya, Chen, Fye, amp; Piezoelectric Windmill:, 2005), 2D freedom beam type wind generators (Bryant amp; Garcia, 2011) and flow-induced self-excited wind power generators (Yun, Ham, amp; Park, 2009). Many of them operate with at least one mechanical contact point to the layers (Lake, Luan, Tanaka, Liang, amp; Chen, 2011). The present topology that we consider in this paper differs from the others due to the nonexistence of any mechanical contact point, which contributes to the life-expectancy of the system owing to the decreased deformation on the piezoelectric plates (Ccedil;elik, Uzun, Kurt, Ouml;ztuuml;rk, amp; Topaloğlu, 2018). The second important point is that the piezoelectric systems are basic for their installation and maintenance (Qureshi, Muhtaroglu, amp; Tuncay, 2017). On the other hand, since they have compact structures, their manufacturing process is also cheaper relative to the past years (Kurt et al., 2017). For the above reasons, piezoelectric components start to take a good place among other energy conversion systems such as solar panels and thermo- electric generators.

The main research activities on the piezoelectric systems aim to improve harvesting performance by seeking the production of new piezoelectric compounds, the design of mechanical systems and the implementation of efficient conversion circuit, i.e. storage and MPPT circuits. In view of this, the harvested energy density is higher than any conventional solar and wind energy applications, and piezo-systems have some superiorities to solve for better ener

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附录A 外文译文

非接触式压电风能采集器的风力机转速控制

A 杜兹大学电气与电子工程系，土耳其，杜兹：B加齐大学电气和电子工程系，土耳其，安卡拉

摘要

风电机组控制是在能源需求和机器安全方面确保发电安全并实现发电的重要任务，它还可以控制所需的功率水平并进行优化由于涡轮速度的分配而产生的能量。采用非接触式压电风能采集器（CPWEH） 研究位于轴周围的三个相隔120°的压电层，它们被磁力扣住，没有任何身体接触。该装置的优越性在于低风速产生能量，然而对于高速，总体较高的谐波失真控制着波形，因此，控制涡轮速度必须优化输出功率。由此而言，小低惯性直流发电机和风力涡轮机耦合，和发电机终端通过电源连接到电阻器开关以产生与风速相反的制动扭矩方向。通过正确控制开关使涡轮转速保持在一定范围内，从而防止涡轮机在遭遇破坏性风速时转速过大，在已开发的基础上进行的多次实验和控制方案，证明了我们的提议存在希望。

介绍

收割机系统有很多应用，主要集中在将物理力转化为电力。其中，机械振动、 光束、温度、电和磁激发可以计算(Bizon, Tabatabaei, Blaabjerg, amp; Kurt, 2017; Manzoor, Rafique, Iftikhar, Hassan, amp; Ali, 2017)。这些采集器可能具有从 micro;W 到 mW 的不同功率等级和各种尺寸，这取决于执行的应用程序。在这方面，具有较长寿命、电池要求、无人机应用和传感器节点的应用可以实现。(Erturk, Renno, Inman, 2009; Hosseinabadi, Tabesh, Dehghani, amp; Aghili, 2015, Karami amp; Inman, 2012).

最近纳米技术的改进已经开始设计和实施高磁场密度永磁体和高能量密度压电材料。在目前的情况下，可以为永磁体和压电材料开发特殊的几何形状(Harne amp; Wang, 2013; Radousky amp; Liang, 2012)。压电材料在受到外部变形时具有发电能力，从而基于嵌入式系统提供所需的功率密度(AL-Oqla, Omar, amp; Osama, 2018; Avirovik, Kishore, Bressers, Inman, amp; Priya, 2015)。上述特征可用于基于线性或旋转运动的风励系统。文献指出了许多收割机的应用，即叶型压电发电机，(Li amp; Lipson, 2009)，接触风车(Myers, Vickers, Kim, amp; Priya, 2007; Priya, Chen, Fye, amp; Piezoelectric Windmill:, 2005)，二维自由梁式风力发电机(Bryant amp; Garcia, 2011) 和流动诱导自励风力发电机(Yun, Ham, amp; Park, 2009)。它们中的许多都通过至少一个与夹层的机械接触点进行操作(Lake, Luan, Tanaka, Liang, amp; Chen, 2011) 由于不存在任何机械接触点，我们在本文中考虑的当前方法与其他方法不同，由于压电板的变形减少，系统的预期寿命提高(Ccedil;elik, Uzun, Kurt, Ouml;ztuuml;rk, amp; Topaloğlu, 2018) 第二个重点是压电系统是安装和维护的基础(Qureshi, Muhtaroglu, amp; Tuncay, 2017)。另一方面，由于它们具有紧凑的结构，因此它们的制造工艺相对于过去几年也更便宜(Kurt et al., 2017)。由于上述原因，压电元件开始在太阳能电池板和热电发电机等其他能量转换系统中占据一席之地。

压电系统的主要研究活动旨在通过寻求生产新的压电化合物来提高采集性能，机械系统的设计和高效转换电路的实现，即存储和MPPT电路。鉴于此，收获的能量密度高于任何传统的太阳能和风能应用，，并且压电系统在解决更好的能源问题方面具有一些优势。例如，我们感兴趣的风速在 1.6 m/s-3.2 m/s 的范围内，因为小叶片（大约 1.3 times; 10³–3.2 times; 10³ m2）产生的力太小了，在这些速度下为 0.1 N。这使得任何类型的电磁采集器或传统涡轮机的使用都成为不可能，因此基于压电的设备相对于供应小型设备具有一定的优势。

然而，为了维持标称输出功率并保护压电风能收集器在高风速下免受可能的伤害，应控制涡轮速度。通过这种方式生成的电压波形的 THD 值会随着所考虑的采集系统中速度的增加而急剧下降，也可以保持在允许的范围内。根据文献调查，已经有许多关于设计风力涡轮机的桨距控制机构以进行速度/功率调节的研究。n (Civelek, Luuml;y, Ccedil;am, amp; Barışccedil;ı, 2016; Idowu, 1996; Nguyen amp; Fujita, 2017)。尽管如此，这些研究并不适合标准的风力涡轮机结构，在这些结构中无法进行叶片角度调整和/或偏航调整。受公开文献中这种空白的启发，本文介绍了一种用于最近开发的非接触式压电风能收集器 (CPWEH) 的简单风力涡轮机调速技术。所提出的方法也可以在基于标准风力涡轮机的任何其他风激励收获系统中受益。

在所提出的技术中，永磁直流 (PMDC) 电机连接到收割机的旋转轴以在发电机/断路模式下运行。由于非接触式能量收集器以其低机械摩擦而闻名，因此需要特别注意直流发电机的选择，以免由于整个旋转系统的总摩擦力增加而破坏该特性。在这种情况下，优选具有低摩擦和惯性的良好特性的小型永磁直流发电机。通过适当地控制该发电机的电流，所需量的制动扭矩被施加在风力旋转的相反方向上，这往往会降低涡轮机的速度。可以说，迟滞带控制器是一种简单且常见的闭环控制技术，用于提供脉宽调制 (PWM) 信号，以强制实际控制变量始终在指定的带内跟随其参考值(Ogbuka, Nwosu, amp; Agu, 2017)。由于其易于实现、对不确定性的出色坚固性以及仅受开关速度和负载时间常数限制的高度良好的动态响应，迟滞带控制器的使用得到了广泛的应用(Kazmierkowski amp; Malesani, 1998; Peng, Ye, amp; Emadi, 2016)。也就是说，本论文的作者采用了滞后带控制器，通过简单地将测量速度与速度参考值进行比较来生成所需的开关信号。展示了使用/不使用所提出的技术的几个实验结果，这些结果肯定了我们提议的有希望的性能表现。

本文的其余部分包括以下内容： 第 2 节描述了设计和实施的收割机系统。该系统的实验装置也在同一部分中给出。第 3 节提供了控制器单元的详细信息。第 4 节介绍了主要结果和对实验结果的相关讨论。 最后，本文以结论结束，并给出了重要的结束语。

1. 设计和实现的CPWEH

用于确定我们控制方法优点的 CPWEH 设计最近在 (Kurt et al., 2017) 开发，该收割机包括四个主要部分，如图 1 所示。在前面，螺旋桨可以根据风流和轴自由旋转将旋转传递到系统后部的磁铁部分。在后部，存在一个压电单元，包括三个相隔120度的层和一个负责调节和存储来自压电层的端子的电能的部分。采集器的三层结构是由于三个独立的压电层产生的，它们在圆形几何形状上相对于彼此具有 120 机械度的相移，如图 2 所示。层尖端具有小型永磁体，它们的磁极以这样的方式定向，即它们与位于轴上的磁体相互作用，相互排斥，从而在收割机轴旋转时振动层的尖端。在配置中，每个压电尖端的磁体数量不同，它有助于以不同的频率激发层以实现最佳能量转换，正如我们最近的一项研究所证明的那样(Kurt et al., 2017)。实际上，由于磁体质量的增加，各层的固有频率会发生变化。 为避免任何机械断裂，圆柱形聚乙烯位于轴上。

图 1. 采用的非接触式压电风能采集器。

图 2. (a) 能量转换单元的压电层和磁体，以及 (b) 滑轮井下方的永磁体。

它可以防止在高风速下损坏层，因为 非线性效应可能会更强地吸引层进入轴，并可能导致层损坏。此外，永磁体位于井下 圆柱形聚乙烯以排斥压电磁铁（见图 2（b））。当风像风洞试验中那样流过叶片时（见图 3），轴旋转，连接在聚乙烯材料内部的轴中间的永磁体也旋转。

图 3. 风洞试验中的 CPWEH。

图 4 显示了整流器存储电路的示意图。 来自压电端子的纯波形被传送到三相全桥整流器的输入端。在整流器中，使用了具有低肖特基势垒的 BAS70 型二极管，以最大限度地减少能量损失。 从整流器输出，整流后的波形被传送到电容器。

图 5 显示了一系列采样波形。 虽然系统谐波失真较大，但输出可以通过MPPT电路进行整流使用，但这超出了本文的范围。

1. 提出的控制策略

图 6 描绘了用于调节涡轮轴速度或收割机功率输出的所提出的控制策略的配置。该系统由配备光学转速传感器的永磁直流发电机、IGBT 电源开关、由低功率直流电源供电的栅极驱动电路以及用于管理系统的 Arduino Mega 2560 微控制器组成.

图 4. 三相全桥整流和存储电路。

图 5. RL = 800 kOmega;、风速为 3.2 m/s 时压电层端子的示波器视图。

图 6. 所提出的控制策略的配置。

根据图 6，当开关关闭时，电路中没有电流流动，采集系统仅受直流发电机摩擦的影响。打开开关将导致电流流过发电机电枢绕组，从而产生一个扭矩，称为开断扭矩，以抵抗驱动发电机的外力。由于这种抵消扭矩往往会降低旋转系统的速度，因此通过正确控制开关将涡轮机速度保持在所需水平可能是有益的，这个想法使我们做出了重大贡献。如图 6 所示，在通过测量来自位置传感器的两个连续脉冲边缘之间的经过时间来准确估计旋转速度后，从参考涡轮速度中减去旋转速度以计算速度误差。然后，一旦误差超过指定的容差范围，该误差就会被馈送到滞后控制器以直接生成开关信号。在本研究中，滞后控制是首选，因为它具有某些优点，例如易于实施、快速的控制响应和对系统参数不确定性的良好鲁棒性 (Okumuş amp; Aktaş, 2010)。 该控制器的数学模型可以用公式（1）表示，其中 h 和 hband分别表示开关信号的电平和指定的容差带。

以这种方式控制电源开关，旨在通过产生足够量的制动扭矩来调节所需的涡轮速度。在控制过程中，来自风的过多动能消散在制动电阻和发电机电枢电阻中。由于微控制器和栅极驱动电路的能耗非常低，并且 PMDC 发电机不需要在图 6 中提供额外的电力，我们可以说，如果风速高于允许限制，则可以使用节能的方式。

1. 拟议策略的实验确认

为了评估所提出的方法的性能，我们在实验室条件下使用铭牌为 4.5W、12V、0.65A、3700rpm 并配备增量位置传感器的 PMDC 发生器进行了实验，产生 24 每转脉冲数。选择IXGH48N60C3D1的IGBT作为开关，采用门极驱动电路板驱动，采用M57145L-01、M57959AL等混合集成电路将来自微控制器的数字信号转换成隔离的模拟信号 IGBT工作所需。但是，根据发电机额定值，可以使用其他类型的开关，例如 MOSFET 甚至双极晶体管，在这种情况下，就不需要栅极驱动电路。涡轮通过变速鼓风机以所需的速度旋转。 所以，这台鼓风机的速度是根据我们的工作方便来控制的。 发电机电枢电流和开关信号均由横河示波器采集和观察。 本研究的实验装置如图 7 所示。

风速估计是通过检测位置传感器的上升沿并测量Arduino单元中两个检测到的位置信号之间的经过时间来完成的。速度的平均值取决于最后五次估计，然后每 25 毫秒传输到计算机。迟滞带控制器的控制程序由“timer1”中断实现，周期为 200 mu;s，迟滞带宽选择为速度参考值的 6%。所提出的涡轮速度控制机制已经在六种不同的操作场景下进行了测试。 在第一种情况下，当引入的控制方法停止运行时，涡轮机通过通过在 t = 10.3 s 时采用所提出的技术，参考速度指令为 500 rpm，先前以 630 rpm 旋转的涡轮开始减速并平稳地稳定到 500 rpm 的速度参考值，如图 8(a) 所示。鼓风机以 630 rpm 的速度旋转。图 8(b) 还描述了与这种

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