10MW風電葉片靜力試驗垂直加載控制系統設計及應用

張磊安，王忠賓，劉衛生，黃雪梅

（1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116；2.山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049； 3.連云港中復連眾復合材料集團有限公司，云港 222000）

0 引言

風電正成為新能源領域發展的熱點之一，為了俘獲更多的能量，風電葉片的尺寸越來越大。目前對葉片施加測試載荷基于兩個原因：一是為了驗證葉片的時效行為，對其進行全尺寸的破壞試驗。例如，Jorgensen等人[1]對一支25m的風電葉片進行了破壞試驗，強調了大變形的幾何非線性。Jensenet al.[2～5]對34米的葉片及其負載箱形梁在揮舞方向上進行了測試，發現Brazier效應可以誘發在翼梁帽上的大變形以及進一步的分層屈曲是導致結構失效的原因。二是為了獲得葉片出廠認證，國內對其進行靜力加載試驗的報道多是如此，加載方式主要采用起吊機豎向加載[6]或者卷揚機橫向側拉方式[7]。起吊機加載方式存在加載力不能很好協調控制，造成測試數據不準等缺點，橫向側拉方式則主要因為空間受限，目前主要應用于小功率葉片的靜力試驗。隨著葉片逐漸向大功率方向發展，橫向側拉存在加載能力不足及加載空間不足等缺點逐漸暴露。所以本文研發了一套10MW風電葉片垂直加載控制系統，并將智能控制技術、網絡通信技術和液壓伺服技術相融合，實現了大功率葉片靜力試驗的協調、平穩加載。

1 靜力垂直加載方案

垂直加載方案如圖1所示，葉片通過若干個高強度螺栓固定在加載基座上，一套液壓加載系統固定在地面上，通過卷揚機的旋轉拖動鋼絲繩，從而產生加載力在葉片上。沿葉片展向的多個位置布置木鞍夾具，在葉片表面和鞍座之間安裝有約200mm寬、15mm厚的橡膠墊，主要用來降低加載位置的應力集中。鋼絲繩通過動滑輪聯接葉片和地面的定滑輪，一個輪轂式拉力傳感器串聯在鋼絲繩上，實時測量加載力的數值，葉片的撓度通過激光測距儀實現。靜力試驗過程中加載力很大，葉片尖部變形較大，所以基座安裝斜面有個12度的預斜傾角。

圖1 風電葉片靜力垂直加載方案

2 控制系統軟件設計

2.1 控制方案

垂直加載控制系統如圖2所示，整個控制系統采用分布式網絡控制架構，該方式保證了數據傳遞的實時準確性。主控制器與監控界面通過RS485總線進行通信，主控制器與從控制器通過CAN總線進行雙向通信。拉力傳感器將拉力值轉成4mA～20mA模擬量信號，同時傳遞給從控制器，從控制器則通過Modbus-RTU協議調節變頻器的轉速。

圖2 控制系統分析

2.2 控制算法

控制系統采用PID控制算法來保證多個節點的加載力均勻變化，其控制規律[8]為：

式中：u(t)為控制量；e(t)為加載力偏差值；kp,ki,kd分別為比例、積分和微分系數；r(t)為加載力的設定值；y(t)為加載力的反饋值。

在液壓伺服系統中，采用容積調速模式，即通過控制變量泵的排量來調整加載速度，從而改變加載力變化。

3 試驗

3.1 靜力垂直加載試驗

以aeroblade5.0-62風電葉片的最大面向（maxflapwise）為加載對象，沿葉片展向布置5個夾具，夾具與滑輪之間通過鋼絲繩連接，加載試驗現場如圖3所示。

圖3 靜力試驗加載現場

在葉片的每個測試面中，載荷從0%, 40%, 60%, 80%～100%逐級加載，然后再按80%, 60%, 40%，0% 逐級卸載。

靜力試驗過程中的部分參數如表1所示。

表1 試驗參數

3.2 試驗結果及分析

采用上述PID控制算法和容積調速模式進行靜力試驗。控制算法采用C語言在英飛凌XC886單片機上實現，加載試驗的物理參數與表1完全相同，得到5個節點加載力及其誤差的變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 加載力變化

圖5 加載力誤差變化

從圖4和圖5的加載力變化曲線可知，5個節點的加載力能較好地均勻、協調變化。4個特定階段時，5個節點的加載力也能較好地保持。整個試驗過程中，5個節點的加載力誤差均小于±3KN，完全滿足大功率風電葉片靜力試驗的控制要求。

4 結束語

靜力加載試驗是葉片獲得出廠認證的必備條件之一，所以采用何種加載方式至關重要。針對傳統起吊機加載模式的不協調性和橫向側拉方式的空間局限性，本文構建了一套風電葉片靜力垂直加載控制系統。整個控制系統的硬件采用多級網絡互連模式，將PID控制算法和液壓容積調速模式相結合，將其成功應用于大功率風電葉片5節點的靜力加載試驗。試驗結果表明，本文所設計的垂直加載控制系統，不僅在空間上能滿足大功率風電葉片需要，而且能保證風電葉片全尺寸靜力試驗中加載力的協調性和控制精度，保證測試結果的準確性。

[1] Jorgensen,E.R.;Borum, K.K.;McGugan,M.;Thomsen, C.L.; Jensen, F.M.; Debel, C.P.;Sorensen,B.T.Full Scale Testing of Wind Turbine Blade to Failure—Flapwise Loading; Riso-R-1392 (EN);Riso National Laboratory：Roskilde,Denmark,2004.

[2] Jensen, F.M.;Falzon, B.G.;Ankerson, J.;Stang,H.Structural testing and numerical simulation of a 34 m composite wind turbine blade. Compos.Struct.2006,76,52-61.

[3] Jensen, F.M.;Weaver, P.M.;Cecchini, L.S.;Stang,H.;Nielsen, R.F.The Brazier effect in wind turbine blades and its influence on design. Wind Energy 2012,15,319-333.

[4] Jensen, F.M.;Puri,A.S.;Dear,J.P.;Branner,K.;Morris,A. Investigating the impact of non-linear geometrical effects on wind turbine blades—Part 1：Current status of design and test methods and future challenges in design optimization.Wind Energy 2011, 14,239-254.

[5] Overgaard, L.C.T.;Lund, E.;Thomsen,O.T.Structural collapse of a wind turbine blade—Part A：Static test and equivalent single layered models.Compos.A 2010,41,257-270.

[6] Xiao Chen,WeiZhao,Xiao Lu Zhao,etal.Failure Test and Finite Element Simulation of a Large Wind Turbine Composite Blade under Static Loading[J].Energy,2014,7：2274-2297.

[7] 張磊安,烏建中,陳州全,等.兆瓦級風電葉片靜力加載控制系統設計及試驗[J].中國機械工程,2011,22(18)：2182-2186

[8] 安梓銘,朱大昌,李雅瓊,等.基于3-RPS型并聯機器人模糊PID控制研究[J].制造業自動化,2014,36(8)：15-18.