大型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)測(cè)試用全工況載荷施加技術(shù)及裝備研究

　　 0 引言
　　風(fēng)能是目前最具規(guī)模化開發(fā)的可再生能源。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電裝機(jī)量大幅攀升，與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也突飛猛進(jìn)，各種技術(shù)流派的新型風(fēng)電機(jī)組大量出現(xiàn)[1-2]。對(duì)于新型樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)，全面模擬其實(shí)際工作時(shí)所受載荷，并進(jìn)行嚴(yán)格的性能考核測(cè)試，不僅能發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，還可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)[3-4]。因此，該階段的測(cè)試工作是新型風(fēng)電機(jī)組尤其是海上風(fēng)電機(jī)組開發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。
　　風(fēng)電機(jī)組的工作載荷來(lái)自風(fēng)輪，由于大型風(fēng)電機(jī)組載荷情況復(fù)雜，且風(fēng)輪尺寸巨大，如何在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)有效模擬風(fēng)輪帶給機(jī)艙的各種載荷是樣機(jī)測(cè)試領(lǐng)域的主要難題。目前，多數(shù)新型風(fēng)電機(jī)組的廠內(nèi)測(cè)試僅施加用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的扭矩載荷，忽略了實(shí)際工作過(guò)程中風(fēng)輪帶給機(jī)組的推力、彎矩等非扭矩載荷。而上述非扭矩載荷對(duì)機(jī)組的性能與壽命影響重大。因此，本文針對(duì)全工況載荷施加技術(shù)展開研究，并提出一種含非扭矩載荷成分的新型載荷施加裝備。
　　1 總體技術(shù)方案
　　風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中通過(guò)風(fēng)輪吸收來(lái)自風(fēng)中的能量，并將風(fēng)載荷傳遞至機(jī)艙，如圖1 所示。

圖1 機(jī)艙載荷示意圖

　　按圖1 坐標(biāo)系，可將機(jī)艙輸入軸A 點(diǎn)所受載荷分解為6 個(gè)分量：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。其中Mx 是用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電的扭矩載荷，其余5 個(gè)分量統(tǒng)稱為非扭矩載荷。
　　根據(jù)以上分析，本文采用扭矩載荷與非扭矩載荷先分別施加再最終耦合的總體技術(shù)方案。首先采用變頻電機(jī)與變速齒輪箱組合提供扭矩載荷Mx，再利用沿不同方向布置的多組液壓缸協(xié)同加載提供其余5 個(gè)載荷分量，最后通過(guò)載荷耦合裝置將上述兩類載荷最終耦合并傳遞至被測(cè)機(jī)組。
　　實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 總體方案簡(jiǎn)圖

　　其中：A 為被測(cè)風(fēng)電機(jī)組；B 為扭矩施加裝置（提供扭矩Mx）；C 為非扭矩載荷施加裝置；D 為載荷耦合裝置。
　　2 扭矩載荷施加
　　扭矩載荷Mx 的模擬采用變頻電機(jī)與減速齒輪箱組合予以實(shí)現(xiàn)。為降低能耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置采用電閉環(huán)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)被測(cè)機(jī)組發(fā)電，產(chǎn)生的電能再回饋至驅(qū)動(dòng)端。
　　扭矩載荷施加裝置除提供恒定扭矩載荷外，還需具備動(dòng)態(tài)載荷模擬能力。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)側(cè)變頻器及被測(cè)機(jī)組的聯(lián)合控制，有效模擬各種湍流、陣風(fēng)帶給機(jī)組的瞬變載荷。
　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器以及變壓器是構(gòu)成扭矩載荷施加裝置的核心電氣元件，這三者間的電氣參數(shù)匹配性直接決定整套裝置的性能水平。為此，需要進(jìn)行多輪聯(lián)合仿真，綜合考慮各方技術(shù)難度與成本因素，選取最優(yōu)參數(shù)組合。電氣拓?fù)鋱D如圖3 所示。

圖3 電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　此外，由于大型風(fēng)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)功率大，且受葉尖線速度限制，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩Mx 數(shù)值巨大。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)級(jí)數(shù)與齒輪箱的傳動(dòng)比亦需綜合考慮，選取最優(yōu)組合，以降低加工難度與制造成本。