風電葉片伺服靜力加載系統設計與評價

毛雨瀟，廖高華，許 旺

（南昌工程學院機械與電氣工程系，江西 南昌330099）

0 引言

風電葉片認證中靜力試驗是其重要的一環[1-2]。靜力加載試驗需要解決系統內各節點之間的耦合問題。目前，對于類似葉片靜力加載這種伴隨有耦合干擾的變力跟蹤控制的研究[3]。葉片靜力加載設備的研制多采用液壓技術[4]。由于葉片靜力加載時葉尖與葉根撓度差距較大，采用液壓伺服技術一直存在調速范圍較窄的問題。同時，由于流量泄漏和換向閥正封閉存在頻率死區和控制死區、液壓閥的線性特性較差，這加大了液壓系統控制難度。基于以上原因，設計了一套基于伺服驅動技術的葉片多點靜力加載系統，利用神經網絡智能控制解耦算法，實現多節點靜力載荷協調加載。

1 伺服驅動卷揚加載結構設計

伺服驅動卷揚加載設備主要由加載基座、加載支架、葉片夾具組成。加載支架集成伺服電機、減速機、絞車、導向輪、鋼絲繩等設備，構成一個獨立的加載模塊。伺服電機控制絞車的正反轉動實現鋼絲繩的收拉，而導向輪改變鋼絲繩的方向實現側向加載。為了達到側向加載的目的，在支架頂端裝有導向模塊，該導向模塊可以根據葉片加載點高度自由調節；鋼絲繩繞過導向模塊，再繞過連接在夾具上的動滑輪，最后固定于導向模塊卸扣處，如圖1所示。在動滑輪底座與鉸接頭之間安裝有拉力傳感器，實時測量施加在葉片夾具上的載荷。

圖1 單個加載單元三維裝配圖

根據葉片靜力試驗標準以及試驗方的要求，伺服卷揚加載結構滿足以下要求：（1）加載支架最大加載載荷300 kN，側向加載支架導向滑輪能夠在標高1.5～6 m之間上下調節；（2）導向滑輪應隨葉片加載后的撓曲變形作相應的角度變化，使鋼絲繩最終加載方向與葉片軸線保持垂直，導向滑輪角度變化范圍為±20°。

2 靜力加載伺服動力匹配

卷揚加載施力機構的動力源是伺服電機，伺服電機的選型要考慮額定功率、額定扭矩、額定轉速及堵轉轉矩等。設葉片靜力加載的單點最大加載力為Fmax，鋼絲繩最大加載速度為Vmax，預選伺服電機的額定轉速為V0，卷筒直徑為D，傳動比為i，鋼絲繩直徑為d。

卷筒負載力矩T和所需功率P：

卷筒輸出扭矩T1和輸入扭矩T2：

卷筒輸出繩速v1：

式中，η為絞車傳動總效率。

當絞車所需功率P、輸入扭矩T2及輸出轉速v1同時滿足式（4）條件時，所選伺服電機滿足使用要求。

式中，P0為電機額定功率；T0為電機額定扭矩。

3 BP神經網絡PID控制器設計

控制器由BP神經網絡和變積分PID兩部分組成，使用BP神經網絡對變速積分的比例環節進行在線自整定。根據靜力加載試驗的多輸入多輸出關系，建立BP神經網絡變速積分解耦控制器如圖2所示。各節點力偏差為 e（k）、累計偏差∑e（k）以及偏差增量△e（k）作為BP神經網絡的三個輸入端；同時，通過變速積分算法得到ki，作為PID控制器的積分環節輸入?？刂破鬏敵鲣摻z繩的速度，加載葉片得到反饋力。

圖2 多節點加載BP神經網絡控制結構

4 靜力加載試驗

對某型56 m風電葉片進行靜力加載試驗，現場采用多級連續加載模式。葉片每個加載點的加載過程按照最大目標載荷的40%-60%-80%-100%逐級加載及相反順序卸載，最大滿載荷保持階段連續保持時間不少于10 s。靜力加載現場如圖3所示，揮舞方向三點（25 m，34 m，45 m）靜力加載曲線結果如圖4所示，各加載點100%負載保持階段拉力誤差如圖5所示。葉片靜力加載整個過程中，加載（卸載）階段最大誤差8.7%，滿負載保持階段最大誤差0.86%，風電葉片靜力試驗具有很好的動態跟蹤性能，超調量小、魯棒性強。

圖3 靜力加載現場試驗

圖4 葉片揮舞靜力試驗曲線

圖5 滿負載保持階段拉力誤差曲線

5 結束語

根據風電葉片靜力加載試驗認證要求，設計多點風電葉片靜力加載系統，調速范圍更廣，響應速度更快。不依賴系統數學模型，解決實際葉片靜力加載過程的耦合干擾，采用單因子變量原則進行試驗分析，改變風電葉片的不同尺寸規格、加載方向分析其適應性及加載點數分析其適應性。