風(fēng)力發(fā)電 HALT 試驗臺實(shí)現嚴格測試

丹麥正在為風(fēng)機組測試技術(shù)建立一項新的標準。丹麥林都海洋可再生能源中心（LORC）能夠測試風(fēng)機機艙在其超過(guò) 25 年的使用壽命期間可能承受的所有風(fēng)荷載和扭轉力矩。他們采用倍福的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現試驗臺控制。

隨著(zhù)風(fēng)機的體積越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越昂貴，對于在整個(gè)使用壽命期間最小化損壞風(fēng)險的需求也逐步增加。這就需要在開(kāi)始批量生產(chǎn)一款新一代風(fēng)機之前在真正的風(fēng)機上進(jìn)行載荷測試。2017 年 12 月在丹麥蒙克博上線(xiàn)的全球最大的風(fēng)機組（最大 10 兆瓦）試驗臺 LORC 的使命就是提供最嚴格的高加速壽命測試（HALT），大型風(fēng)力模擬器使用機械功能、液壓功能和電動(dòng)功能在 6 個(gè)月內生成風(fēng)機在其整個(gè) 25 年使用壽命期間所要承受的壓力和應力。這類(lèi)測試有助于識別設計和結構方面的缺陷，以便在批量生產(chǎn)風(fēng)機之前能夠進(jìn)行必要的修改。

盡管試驗臺重達 4000 噸，但TwinCAT 3 軟件仍然能夠快速實(shí)現控制并輕松集成高級仿真模型

擁有真實(shí)試驗環(huán)境條件的試驗臺

丹麥工程公司 R&D Test Systems 是此設施的交鑰匙供應商，負責實(shí)施整個(gè)項目：從設計和開(kāi)發(fā)機械組件一直到編程和調試。復雜的開(kāi)發(fā)和實(shí)施過(guò)程需要很多年才能完成。為了確保調試過(guò)程平穩進(jìn)行，并保證試驗臺性能穩定可靠，必須對所有功能進(jìn)行徹底的模擬和測試。仿真模型和測試結果用于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)軟件以及給操作人員進(jìn)行培訓。

在測試中心，根據來(lái)自世界各地的風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力和天氣數據對風(fēng)機的機械部件進(jìn)行真實(shí)的疲勞測試。倍福丹麥分公司的總經(jīng)理 Michael Nielsen 解釋說(shuō)：“模擬真實(shí)環(huán)境條件的能力對于風(fēng)電及其它采用重型解決方案的行業(yè)來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。從長(cháng)遠來(lái)看，如果制造商們能夠知道風(fēng)機在實(shí)際應用中會(huì )有怎樣的反應，就可以幫助他們節省許多資源?！北陡Ｍㄟ^(guò)TwinCAT 3 軟件、功能強大的工業(yè) PC 和各種 EtherCAT I/O 端子模塊為所有測試場(chǎng)景的規范和監控提供了基礎。丹麥控制柜供應商Tricon Electric A/S 安裝了這些組件。

每一臺新開(kāi)發(fā)出來(lái)的風(fēng)機都必須作為一個(gè)完整的系統進(jìn)行測試?？紤]到現代風(fēng)機的尺寸龐大，想要進(jìn)行測試非常困難，因此制造商們自己測試機艙，在試驗臺上盡可能逼真地模擬轉子、電路及其它環(huán)境條件的影響。為了映射影響主渦輪軸和機艙的所有力因數和扭矩因數，新的 HALT 試驗臺需要采用獨特的設計。建造這樣一個(gè)長(cháng) 31 米，寬 8 米，高 13 米的設施，需要使用 310 噸鋼和 107 根混凝土柱（必須埋在地下 16 米深處）。試驗臺重達 4000 噸，采用液壓彎曲系統，可以對被測風(fēng)機施加高達 25 MNm的彎矩。它通過(guò)液壓缸產(chǎn)生這些力，一套扭矩為 14.5 Mnm的驅動(dòng)系統產(chǎn)生施加在轉子上的風(fēng)力。

當風(fēng)切、強風(fēng)或者風(fēng)擾對轉子產(chǎn)生沖擊時(shí)，會(huì )產(chǎn)生額外的彎矩和推力。試驗臺通過(guò)一個(gè)六自由度結構中的液壓缸重新產(chǎn)生這些力。然而，由于沒(méi)有風(fēng)電塔筒和轉子，系統必須盡可能精確地模擬這些真實(shí)條件，因此仿真模型必須實(shí)時(shí)計算機艙和轉子之間的交互，并將相應的信號發(fā)送給液壓缸。系統能夠模擬各種運行條件，如機艙在起暴風(fēng)時(shí)或在電網(wǎng)故障和急停后的行為。

毫秒級范圍內的模擬

在測試運行期間，傳感器必須能夠在最短時(shí)間內采集、處理和傳輸大數據量，因此在調試前，必須在 MATLAB/Simulink中建模所有試驗臺組件和測試對象。R&D Test Systems 公司軟件經(jīng)理 Allan Mogensen說(shuō)道：“因為軟件必須能夠盡快響應各種測試場(chǎng)景，所以我們希望盡可能縮短循環(huán)時(shí)間。通過(guò)比較，我們發(fā)現倍福的TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件讓我們能夠實(shí)現 1 毫秒的循環(huán)時(shí)間，于是我們選擇了倍福系統?！?

TwinCAT 3 中的 MATLAB/Simulink軟件界面是另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，Allan Mogensen補充道：“為了確保具有出色的性能和很強的可操作性，我們通過(guò)創(chuàng )建試驗平臺所有物理組件的 MATLAB/Simulink模型以及 LORC 客戶(hù)實(shí)際想要的測試對象的方式模擬計算機上的所有功能。MATLAB模型模擬可用作真實(shí)物理機械系統后期真實(shí)測試的基準，不會(huì )對機械系統造成威脅。這讓我們能夠比原計劃更快地完成目標?！?

Allan Mogensen總結說(shuō)道：“這座試驗臺是丹麥及丹麥風(fēng)電行業(yè)的“燈塔工程”，我們交付了一個(gè)能夠更快、更高效地測試風(fēng)機的 HALT 設施。是否具有足夠的計算能力對我們實(shí)施此項目有著(zhù)重要影響。倍福的硬件和軟件可以理想地滿(mǎn)足這些要求?！盩ricon Electric 公司的銷(xiāo)售工程師 Morten Hauge同意 Allan 的觀(guān)點(diǎn)：“為這么大一個(gè)項目提供如此先進(jìn)的解決方案是一件有趣而又富有挑戰的工作。倍福的硬件具有執行此類(lèi)艱巨任務(wù)所需的智能水平?！?/p>

倍福的硬件組件安裝在由Tricon Electric 提供的六個(gè)控制柜中，通過(guò)功能強大的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò )相互通信