基于兩軸共振模式的風電葉片疲勞加載監控系統設計

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，江蘇徐州　221116；2.山東理工大學機械工程學院，山東淄博　255049；3.連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇連云港　222000)

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基于兩軸共振模式的風電葉片疲勞加載監控系統設計

張磊安1,2,3，王忠賓1，劉衛生3，黃雪梅2

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

摘要：為了縮短風電葉片疲勞測試周期，提出了一種基于電驅動的兩軸共振疲勞加載方法。給出了兩加載源速度和相位的檢測方法，并以此制定了同步控制策略。整個控制系統采用主從式兩級網絡構架模式，采用高速脈沖計數傳感器測量2個加載源的速度和相位，采用激光測距儀測量葉片振幅，并采用Labview軟件開發了上位機監控界面。試驗結果表明，該監控系統能很好地測量加載源的轉速、相位和葉片振幅等特征參數。

關鍵詞：安全檢測與監控技術；風電葉片；兩軸加載；控制系統；監控界面；疲勞試驗

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張磊安，王忠賓，劉衛生，等.基于兩軸共振模式的風電葉片疲勞加載監控系統設計[J].河北科技大學學報,2016,37(1):7-12.

風電資源是潛力大、技術較為成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球被大規模開發利用[1-2]。葉片是風電機組中最基礎和關鍵的部件之一，其可靠的質量是保證機組正常穩定運行的決定性因素。一個較完整的葉片質量測試流程通常包括3個試驗：靜力加載試驗、模態試驗和疲勞加載試驗。大量研究結果和事故現場表明，大約40%的葉片損壞屬于疲勞破壞，而交變疲勞載荷是導致風電葉片疲勞破壞最主要的因素[3-6]。為了在葉片服役之前確定其抗疲勞性能，對風電葉片進行疲勞加載試驗是最為可靠、也最有效的方式，因此，葉片疲勞試驗加載系統及相關領域的研究變得至關重要。

實際風況下葉片面向和弦向載荷相位近似呈高斯分布，72°出現的概率最大[7]，因此對葉片面向和弦向分別施加激勵的單軸疲勞試驗加載方法與實際風況相差較大，會造成疲勞壽命測試結果嚴重失真。根據某葉片制造公司提供的試驗數據：理論壽命為15~20 a的風電葉片雖然通過了單軸疲勞加載試驗，但實際生命周期遠低于該值，說明單軸疲勞加載方法并不是很有效的加載方式。因此，本文提出兩軸共振疲勞加載新方法(電驅動共振)提高試驗彎矩分布精度，進而達到可靠地測試葉片疲勞壽命的目的。在葉片面向(xoy平面)，加載源A旋轉產生扭矩，給葉片施加激振力做面向共振；在葉片弦向(xoz平面)，加載源B旋轉做循環往復的圓錐擺運動，產生激振力迫使葉片做弦向共振。本文提出的兩軸共振加載方法采用面向和弦向載荷的合成力進行疲勞加載試驗，該方法不僅能縮短試驗周期，降低試驗成本，而且葉片所受的激振力更接近于實際風況，因此更能提高風電葉片疲勞試驗結果的準確性。

基于上述原因，本文開發了一套風電葉片兩軸共振(電驅動)疲勞加載試驗監控系統，同時制定了檢測方法和控制策略。

1兩軸加載監控系統設計

1.1　兩軸加載監控方案設計

風電葉片兩軸疲勞加載系統由加載基座、風電葉片、加載源(A，B)等構成，加載源為空間非對稱交叉布局。加載基座固定在地面上，葉片根部采用多個螺栓緊固在基座上，加載系統由異步電動機、偏心塊、夾具和檢測系統等組成，2個激光測距儀固定在地面上，用于獲得葉片2個方向的振幅變化，2個加載源旋轉產生的離心力帶動葉片在2個方向產生振動，總體方案如圖1所示。

圖1　風電葉片兩軸共振疲勞加載方案Fig.1　Dual-axis resonance fatigue loading scheme of wind turbine blade

整個控制系統采用分布式兩級網絡模式，如圖2所示。2個從控制器通過變頻器來控制電機的運轉狀態，激光測距儀通過RS485總線將當前葉片振幅實時傳遞給從控制器。控制算法則在主控制器里實現，主控制器與從控制器之間通過CAN總線實現數據的實時交換。主控制器與監控界面通過RS485總線進行數據雙向交互，所有信息均顯示在監控界面上。

圖2　分布式網絡控制構架圖Fig.2　Distributed network control architecture

1.2　轉速差、相位差、振幅檢測原理

高速計數傳感器采用先進的檢測技術，可以分辨轉過檢測面的每一個齒頂和齒谷，并將其轉換成方波輸出，所以每個加載源的電機上安裝1個測速齒輪和2個傳感器，如圖3所示。測速齒輪有180個齒，每個齒為2°。

圖3　轉速差、相位差檢測方案Fig.3　Speed difference and phase difference detection scheme

定義每個偏心塊產生的離心力合力為重心線(記作M1和M2)，如果兩條重心線一直維持在一個恒定的角度，說明2個加載源振動同步。以2個加載源為例，速度差Δv(t)(rad/s)和相位差Δφ(t)(rad)可分別表示為

(1)

ΔM(t)=ΔM(0)+∫Δv(t)tdt,

(2)

(3)

圖4　脈沖捕捉中斷程序Fig.4　Pulse capture interrupt program

式中：v1(t)，v2(t)為t時刻偏心塊的速度；M1(t)，M2(t)為t時刻偏心塊的位置；Δφ(t)為0~t時間段相位差之和；ΔM(0)為初始位置。

根據式(1)—式(3)可知，要實現風電葉片兩軸共振疲勞試驗，可通過相應的控制策略控制每個偏心塊的速度，從而保證2個加載源的相位差恒定。

在測速齒輪上還有一個零位標志，當零位傳感器檢測到零位標志時，將齒數清零，實現檢測2個加載源相位的目的。當測速齒輪轉過1個齒時，控制器便捕獲到1個脈沖信號，觸發中斷，在中斷服務函數中把齒數加1。捕獲齒數的中斷流程如圖4所示。

激光測距儀采用單向傳輸模式，串行通信協議如表1所示，每個數據采用3 byte表示，通信格式：19200.EVEN.8.1，發送周期設定為T=30 ms。

表1　激光測距通信協議

1.3　同步控制理論及方法

在風電葉片兩軸共振疲勞加載試驗過程中，2個加載源相位差的恒定控制可通過速度調整來實現，即2個加載源的速度必須協調同步。在同步控制理論研究方面，國內外學者取得了大量的、可借鑒的研究成果[8-20]。本文擬采用基于速度補償器的控制策略，其控制思想是：每個加載源均采用速度反饋，第1個設為主加載源，第2個設為從加載源，電機電壓均為Ur，比較2個加載源的速度，其差值經過速度補償器(PI控制器)反饋到控制器的輸入端，因此加載源的速度控制量ui(k)(i=0,1)可表示為

(4)

式中：kc1為從加載源的速度補償系數；kv1為從加載源的速度反饋系數；C1(k)為從加載源的速度補償函數，其表達方程為

(5)

式中：kP為比例系數；kI為積分系數。

加載源的速度調節通過變頻器實現。為了便于分析，將變頻器簡化為比例環節，即變頻器-電機的傳遞函數可表示為[21]

(6)

式中：Kf為變頻器系數；p為電機極對數；J為電機轉動慣量；Km為電機轉矩系數。

圖5　現場試驗Fig.5　Test device

2試驗驗證

2.1　試驗平臺的搭建

本文給出了一套小型風電葉片兩軸疲勞加載試驗系統，主要由三相異步電機、變頻器、測速傳感器和控制器組成，每個電機輸出軸上安裝1個測速齒輪，偏心塊和測速齒輪固結在一起。試驗現場如圖5所示，試驗裝置參數如表2所示。為了能方便地修改、控制參數，并實時采集、存儲試驗數據，基于Labview軟件開發了上位機監控界面，如圖6所示。

圖6　上位機監控界面Fig.6　Monitor interface

表2　試驗裝置參數Tab.2　Test device parameters

2.2　試驗結果及分析

試驗時，設定加載源的初始轉速分別為n1=420 r/min，n2=580 r/min，該等效加載頻率與葉片2個加載面的一階固有頻率相同。以葉片面向振動為例，試驗結果如圖7—圖9所示。

圖7　葉片振幅試驗曲線Fig.7　Blade amplitude test curve

圖8　加載源A轉速差試驗曲線Fig.8　Speed difference test curve of loading source A

圖9　加載源A相位差試驗曲線Fig.9　Phase difference test curve of loading source A

從試驗曲線得出，葉片振幅在經過一段時間波動后，逐漸趨于平穩，維持在20 cm左右，加載源的相位差也逐漸趨于零，此時發生了共振現象。2個加載源的轉速在速度補償器的控制策略下，速度差基本維持在±5 r/min區間內，基本消除了加載系統固存著的機電耦合現象，說明該系統具有較強的抗干擾能力。同時，該監控系統能很好地對試驗過程中的關鍵參數進行顯示、采集和存儲，完全能滿足風電葉片兩軸共振疲勞試驗的技術要求。

3結語

為了縮短風電葉片疲勞測試周期，本文提出了基于空間非對稱交叉布局的風電葉片兩軸共振疲勞加載方案。詳細介紹了兩軸共振疲勞加載系統的基本結構和工作原理，對加載源的轉速差、相位差及葉片振幅測量方案進行了詳細的設計，并制定了相應的控制策略，同時開發了上位機人機監控界面。本文開發的監控系統具有界面友好、操作簡單的特點，現場試驗驗證了控制策略的穩定性。該兩軸共振疲勞加載系統為風電葉片兩軸共振試驗及其解耦控制算法的開發提供了一個良好的試驗平臺，對提高疲勞加載試驗結果的準確性，避免產品批量化可能對未來產生的更大市場風險，加速風電向真正意義上的“綠色風電”轉化具有良好的理論指導意義和推動作用。

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ZHANG Leian, WANG Zhongbin, LIU Weisheng, et al.Design of fatigue loading monitoring system for wind turbine blades under dual-axes resonance mode[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(1):7-12.

Design of fatigue loading monitoring system for wind turbine

blades under dual-axes resonance mode

ZHANG Leian1,2,3, WANG Zhongbin1, LIU Weisheng3, HUANG Xuemei2

(1.School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China;3.Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composite Group Company Limited, Lianyungang, Jiangsu 222000, China)

Abstract:In order to shorten fatigue test period of wind turbine blades, a fatigue loading method based on the dual-axes resonance driven by electricity is proposed. The method for detecting the speed and phase of the two loading sources is given, and the synchronization control strategy is figureted. The master-slave network framework mode is applied in the control system. The speed and phase of the two loading sources are measured by using high-speed pulse counting sensor, the blade amplitude is obtained by laser range finder, and the PC monitoring interface is developed by using Labview. Test results show that the speed, phase, blade amplitude of the loading sources and other characteristic parameters can be measured well by using the monitoring system, which provides a new test platform for dual-axis resonance fatigue test of wind turbine blades.

Keywords:security detection and monitoring technology; wind turbine blades; dual-axes loading; control system; monitoring interface; fatigue loading test

作者簡介：張磊安(1982—)，男，山東即墨人，講師，博士，主要從事機電一體化系統方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金(51405275，51305243)；山東省自然科學基金(ZR2014EL027)；中國博士后科學基金(2015M571840)

收稿日期：2015-07-10；修回日期：2015-09-28；責任編輯：馮民

中圖分類號：TH113

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01002

文章編號：1008-1542(2016)01-0007-06