风电叶片双向惯性式疲劳加载系统及控制研究

在风力发电机组中，叶片是接收风能的主要 部件，其寿命直接影响风力发电成本 。疲劳破坏 是叶片的主要的失效方式之一，对风电叶片进行 疲劳性能测试是一种可靠且有效的检测方法 。目 前许多国家都有叶片试验室，叶片疲劳试验普遍采 用摆锤或液压疲劳加载方式。摆锤方式加载系统采 用偏心块的旋转速度来控制弯矩的大小，每个周期 激励频率不恒定，可调参数少、适应范围窄，加载会 产生局部弯矩及沿叶片测试方向的轴向力，这将影 响测试结果的准确性；而液压加载器的成本高 ，且 受制于电机—泵—阀—管道—液压缸的疲劳寿命。 针对单台激振器功率有限及液压强制加载的问题， 本文提出采用双向电驱动惯性激振加载方法对风电 叶片进行疲劳性能测试。双向电驱动惯性激振加载 系统振动过程中存在着运动和能量传递，构成了一 个复杂的非线性机电耦合系统，惯性激振加载的关 键技术之一是相位控制，而实现同步是有条件的。 众多学者对自同步振动系统的机电耦合特性进行大 量的研究，得到许多关键性的研究成果 。这些研 究表明，振动系统存在的机电耦合影响控制效果，通 过控制方式可使得系统在工作过程中达到同步效果，为疲劳加载系统的控制研究奠定了基础。 基于以上原因，在提出风电叶片电驱动双向 惯性使激振疲劳加载新方法基础上，基于能量法 对系统能耗进行计算及动力参数匹配优化，模块 化设计疲劳加载激振器，并研究耦合作用下的疲 劳加载同步控制策略。双向惯性式加载系统可分 别对叶片翼向和弦向进行单向加载试验，也可根 据试验需要，采用双向加载模式对叶片翼向和弦向 同时进行加载试验，使得叶片剖面周围的剪应力更 符合实际工况，真实地等效风负载，缩短加载试验 周期，为风电叶片检测与分析提供一种实用 手段。

1 叶片双向惯性式疲劳加载系统 

惯性式疲劳加载装置由叶片夹具和激振器模块 组成，通过改变激振器模块的安装方式，可实现叶片 挥舞方向或摆振方向的加载。疲劳加载装置、PC 人 机界面、就地控制柜、激光测距仪及应变仪构成叶片 疲劳加载系统，其中，疲劳加载装置如图 1 所示。激 振器的质量块作往复简谐运动，产生惯性力驱动叶 片振动；通过控制系统调节激振模块的质量块往复 运动速度，使其同步运动，并使运动频率接近叶片固 有频率，使叶片加载系统达到共振状态。

2 系统关键动力参数分析及优化 

对于激振器模块，需确定质量块的质量及振 幅，以进行叶片加载匹配。此外还需确定电动缸关 键参数包括负载、速度及功率，以进行电动缸选型。

3 疲劳加载伺服耦合同步控制策略 

叶片疲劳加载系统存在较强的机电耦合作用， 需采用控制同步方式。根据运动控制器自身函数 库，在虚拟主令控制基础上引入交叉耦合同步结 构，设计了虚拟主令耦合同步控制器。控制算法中 模拟电子虚拟轴，系统中每个电机都接受同一指令 的信号，将相邻偏差耦合引入控制器，用同步及跟 随误差描述系统同步性能，控制算法使跟随误差趋 于零，位置控制策略如图 5 所示。 同步控制器包含 3 个子控制器，即 1 个跟踪误 差控制器和 2 个相邻同步误差控制器，激振器同步 控制器进行同步控制时考虑自身位置与相邻激 振器位置。各激振器在同一基准速度下进行位置 调节，这有利于系统的一致性和平稳性，提高控制 系统响应速度。对于具有 n 台激振器的振动系统。

4 试验及分析 

将某型叶片根部固定在筒型加载支座上，在距 离叶片根部的 26 m 处夹具上固定加载装置，应变 片位置确定为监控关键截面。考虑到降低频率与 减少能耗，截取叶尖与加装气动减阻装置。测试过 程中对频率、应变、位移等进行监控，疲劳试验现场

结 论

1）提出风电叶片双向电驱动惯性式疲劳加载 方法，基于能量法对系统能耗计算及动力参数匹配 优化，模块化设计疲劳加载激振器。 2）在考虑机电耦合影响基础上，提出基于虚拟 主令相邻偏差耦合同步疲劳加载控制策略。对算 法的稳定收敛性进行分析，仿真验证算法的有效 性，加载系统综合仿真表明所制定控制效果较好， 可减小耦合作用的固有相位差，并能较好的维持同 步状态。 3）控制系统对振动变化数据采集、存储与分 析，实时监测叶片状态，实现叶片共振疲劳加载，试 验结果表明，控制同步方式改变速度消除相位差叶 片振幅稳定，叶片挥舞和摆振方向的振幅及误差都 较小，获取叶片振动参数方法正确可靠，试验精度 得到提高。