大型风电机组机舱测试台非扭矩动态载荷解耦新方法

《Wind Energy》：A Novel Non-Torque Dynamic Load Decoupling Method for Large Wind Turbine Nacelle Test Bench

　　

非扭矩动态载荷的精确复现是全尺寸风电机组机舱测试台的关键挑战，此类测试台在受控多自由度机械载荷下对机舱级传动系统进行验证。本研究聚焦于中国国家海上风电研究测试基地25-MW级全尺寸风电机组机舱测试台所采用的轴共轭载荷施加单元（load application unit, LAU）。在动态条件下，LAU的惯性力和阻尼力会显著影响载荷施加精度。为解决该问题，本研究提出了一种显式考虑这些力的非扭矩动态载荷解耦方法。研究人员建立了LAU的刚柔耦合动力学模型，并开发了迭代求解算法，以获取精确复现动态载荷所需的作动器载荷曲线。采用两类动态载荷的数值算例验证了所提方法。结果表明，该方法收敛迅速，复现目标动态载荷的最大相对误差低于10^?6，并获得了全部六个作动器的精确载荷曲线。相比之下，忽略惯性力和阻尼力会导致作动器载荷曲线出现明显偏差，最大相对偏差为9.03%。该方法可为类似复杂机械测试系统中的动态载荷复现提供有益指导。

论文解读

研究背景：全球气候危机加剧，风力发电成为减缓气候变化的关键方案。风电机组运行中承受风、土壤约束、波浪/海流等复杂环境载荷，这些载荷通过叶片和塔架传递至机舱，使机舱内的传动系统成为最易发生故障的子系统之一，直接影响机组寿命与发电效率。由于现场环境苛刻复杂，原位安全评估十分困难，因此新机组商业化部署前必须进行全面的地面测试。全尺寸风电机组机舱测试台能够在受控多自由度机械载荷下对机舱级传动链进行验证，其中非扭矩动态载荷的精确复现是关键挑战。目前多数测试台的载荷施加单元（load application unit, LAU）采用沉没盘式或六自由度平台式，而中国国家海上风电研究测试基地2024年投运的25-MW级全尺寸机舱测试台采用了一种新型轴共轭LAU配置，仅用六个作动器即可施加非扭矩动态载荷。然而，现有研究主要关注载荷分解与作动器控制策略，极少考虑动态条件下LAU自身运动产生的惯性力和阻尼力对载荷映射关系的影响，这将给非扭矩动态载荷的精确复现带来不可忽略的误差。为此，研究人员以该25-MW级测试台为对象，提出了显式考虑这些力的非扭矩动态载荷解耦方法。

研究内容与意义：研究人员建立了轴共轭LAU的刚柔耦合动力学模型，开发了迭代求解算法，以获得精确复现动态载荷所需的作动器载荷曲线。通过两类动态载荷数值算例验证了方法有效性，结果表明该方法收敛迅速，复现目标动态载荷的最大相对误差低于10^?6，且所有六个作动器的载荷曲线均准确；相反，忽略惯性力和阻尼力会导致作动器载荷曲线明显偏差，最大相对偏差达9.03%。该方法可为类似复杂机械测试系统中的动态载荷复现提供有益指导。论文发表在《Wind Energy》。

主要技术方法：该研究采用的关键技术方法包括：通过简化受力分析建立作动器/水平连杆激励载荷与加载盘中心等效载荷的传递矩阵；基于Euler–Bernoulli梁理论对加载轴和法兰进行有限元离散，将加载盘视为空间刚体，并采用Rayleigh阻尼建立等效刚柔耦合动力学模型；使用子结构方法划分自由度，并开发迭代求解算法结合Newmark-β法求解动力学方程，获取未知等效主动力；最后基于力系等效原理将等效载荷分解为六个作动器的激励载荷。算例数据来自自主定义的简谐载荷和Bladed软件模拟的22 MW海上风电机组载荷时间历程。

研究结果：

算例1：简谐形式动态载荷（Example 1: Dynamic Loads in Simple Harmonic Form）——研究人员将简谐动态载荷输入解耦程序，得到的边界约束力复现值与目标值在所有5个自由度上几乎完全重合，相对误差始终低于10^?6收敛阈值，且在15、30、45、60 s监测时刻仅需5次迭代即收敛，表明方法在周期激励下具有优异复现精度和快速收敛性。六个作动器载荷曲线中，轴向作动器A₁和A₂的载荷曲线完全相同，与理论约束一致，其余作动器载荷均呈周期性变化。

算例2：一般形式动态载荷（Example 2: Dynamic Loads in General Form）——研究人员将Bladed软件模拟的22 MW海上风电机组真实环境激励下的动态载荷输入解耦程序，所得边界约束力复现值与目标值在所有自由度上高度一致，相对误差均在10^?6阈值内，监测时刻在9–12次迭代内收敛，验证了方法对复杂时变载荷的适用性。六个作动器载荷幅值相近、分配均衡，表明轴共轭LAU能有效分配非扭矩载荷，实现采用单一类型作动器完成加载。

考虑/忽略惯性-阻尼项的解耦结果比较（Comparison of Decoupling Results With/Without Inertia-Damping Term）——研究人员将动力学方程中质量矩阵和阻尼矩阵置零得到准静态解耦结果，并与动态解耦结果对比。基于算例2的载荷，两种方法得到的六个作动器载荷相对偏差约3%至10%，其中第5个作动器最大相对偏差达9.03%，表明若忽略LAU的惯性力和阻尼力，由目标载荷解耦得到的作动器载荷曲线会产生明显偏差，从而影响非扭矩动态载荷复现精度。

讨论与结论：讨论部分重点分析了惯性-阻尼项的影响。准静态与动态解耦结果的显著差异证明，在风电机组传动系统地面测试中，LAU运动引起的惯性力和阻尼力不能忽略；此外，算例2在单线程MATLAB环境下约9.46