本发明涉及非标准型风电场评估
技术领域：
，尤其涉及一种面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法。
背景技术：
：风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风电场地址最理想的位置是在宽阔平坦、海拔接近海平面的区域，在这些区域风速可以被充分地利用，而目前标准型的风电场越来越少，可开发风场的地形、风况越来越复杂、环境条件也越来越恶劣，因而开发者们开始关注在一些非标准型风电场的建设，例如在高海拔地区、丘林地区等区域。风电机组整机系统是一个复杂的、多学科的系统，涉及空气动力学、机械设计、工程力学、材料力学、电气工程以及控制论等专业
技术领域：
，这些学科相互配合、相互制约，使风电机组整机设计成为一项复杂的系统工程。风电机组的特点是生命周期长、运行环境复杂多变、涉及的环节非常多，因而需要可靠的保障体系。随着风电行业的迅猛发展，机组功率等级和尺寸的加大，对风电机组整机系统性能和机组安全性的要求也越来越高，其中风力发电机组的疲劳寿命就是用户非常关心的指标，也是机组重要的安全性指标，而该指标通常是与实际风资源情况强相关。一般每个风电场都有不同风资源情况，甚至是单个风电场不同机位点的风电机组都具有不同的风资源，因此需要提供针对机组在非标准型风电场的特定风资源下的疲劳寿命进行适应性评估方法，从而为风场机位点优化选型提供依据。目前风力发电机组的疲劳寿命通常是通过专业的计算软件(例如Balded软件)计算获得，通过输入整机机械结构参数、电气控制参数以及风场实际风资源数据计算得到风电机组的各个坐标系下的疲劳载荷(叶片坐标系、轮毂坐标系、塔筒坐标系)，再依据疲劳载荷数据方能计算获得疲劳寿命，整个计算过程如图1所示，具体为：1)根据风机基本数据进行风电机组整机电气、控制和Bladed整机建型；2)按照IEC61400-1标准要求，对风资源数据进行载荷计算工况的定义；3)按照IEC61400-1标准要求，结合整机模型和载荷计算工况进行机组疲劳载荷计算，得到疲劳载荷；4)根据风机基本数据构建结构模型，采用Matlabe和fe_safe软件进行疲劳寿命计算；5)判别疲劳寿命是否满足设计要求；6)每个机位都进行以上分析，全部完成后，输出评判结果。由上述可知，目前风力发电机组疲劳寿命计算方法需要严格依赖于昂贵的计算软件以及完整的机组参数，每个机位点的疲劳寿命分析均需要依赖计算软件以及完整的机组参数来完成，而在非标准型风场中，由于风资源条件复杂且受到多个条件制约，不同输入条件组合的风资源计算得到的风电机组疲劳寿命均具有差异性，因而对各个机位疲劳寿命的分析操作将非常复杂，所需的计算时间长、计算效率低且成本高，实际应用中又通常要求能够快速响应并输出响应结果，因而上述疲劳寿命的计算方法显然不适用于实际应用中非标准型风场中风电机组疲劳寿命的评估，另一方面，完全按照标准要求进行特定场址的评估需投入的时间和成本也非常之高。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现方法简单、所需成本低、能够有效评估风电机组在非标准型风场中疲劳寿命且快速高效的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种面向非标准风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，步骤包括：1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，根据所述疲劳载荷评估数据库获取所述实际风资源值对应的等效疲劳载荷；3)将得到的等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，若等效疲劳载荷未超过风电机组的标准设计载荷，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内并退出；否则跳转执行步骤4)；4)将所述等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，若计算得到的疲劳损伤值在预设范围内，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内。优选地，所述步骤1)的具体实施步骤包括：1.1)分别以风场的空气密度、湍流强度以及年平均风速表示风资源，初始化设置空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围，分别针对空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围进行取样本点值，得到多组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值；1.2)分别将各组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值输入带有待评估风电机组结构模型数据的疲劳载荷计算软件计算对应的等效疲劳载荷，得到不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库。优选地，所述步骤1.1)中，空气密度的取值范围为0.80～1.30kg/m3，所述湍流强度的取值范围为0.12～0.16，所述年平均风速的取值范围为5.5～10m/s。优选地，所述疲劳载荷计算软件具体是指Balded软件。优选地，所述步骤2)的具体实施步骤包括：2.1)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值；2.2)通过查表定位所述实际风资源值在所述疲劳载荷评估数据库中的样本点值位置；2.3)以所述实际风资源值为插值点，结合所述疲劳载荷评估数据库中对应的样本点值位置采用插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。优选地，所述步骤2.3)结合由所述疲劳载荷评估数据库进行样条曲线拟合得到的样条曲线，采用样条曲线插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。优选地，所述步骤4)的具体实施步骤为：4.1)从预先建立的关键结构件评估数据中获取目标机位对应的将等效疲劳载荷转换为等效应力值的载荷转换系数、由等效应力值得到各应力分量值的反推转换系数；4.2)根据所述载荷转换系数将步骤2)得到的等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值，并根据所述反推转换系数得到等效应力值对应的应力分量值；4.3)由所述应力分量值分别按式(1)、(2)计算得到正应力σwf和切应力τwf，根据所述正应力σwf、切应力τwf按式(3)计算得到目标机位的疲劳损伤值；σwf=σy2+τyz2---(1)]]>τwf＝τxy(2)damage=(γMΔσwfΔσxS,d)3+(γMΔτwfΔτxS,d)5---(3)]]>式(1)、(2)中，σy、τyz、τxy为3个应力分量且分别为y方向平面应力分量、yz方向剪应力分量、xy方向剪应力分量；式(3)中，damage为疲劳损伤值，γM为安全系数，ΔσxS,d、ΔτxyS,d分别为设计正许用应力、设计切许用应力；4.4)判定计算得到的疲劳损伤值是否小于1，如果是，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内，需要去除目标机位。优选地，所述步骤4.1)中关键结构件评估数据库建立的具体实施方法为：4.11)针对从风电机组的结构件中选出的关键结构件，将等效疲劳载荷6个方向上的载荷分量对应的应力值进行雨流统计得到雨流统计结果；4.12)各关键结构件选取所述雨流统计结果中多个等效疲劳载荷值；每个所述等效疲劳载荷值分别除以各个方向对应的等效应力值得到一列载荷转换系数，再分别计算各个方向对应的等效应力值对y方向平面应力分量σy、yz方向剪应力分量τyz、xy方向剪应力分量τxy的贡献比例，得到一列反推转换系数；所有等效疲劳载荷值完成计算后分别得到一组由一列载荷转换系数、一列反推转换系数构成的转换系数；4.13)重复执行步骤4.11)得到各关键结构件在不同年平均风速下对应的多组转换系数，各关键结构件分别由所述多组转换系数综合得到最终的一组转换系数；4.14)由各个关键结构件得到的最终的一组转换系数建立关键结构件评估数据库。与现有技术相比，本发明的优点在于：1)本发明通过预先建立疲劳载荷评估数据库，评估时只需要检测各机位实际风资源值就可根据建立的疲劳载荷评估数据库方便的获取对应的等效疲劳载荷，由等效疲劳载荷评估风电机组的疲劳寿命，实际评估的过程中不需要依赖于专业的风机疲劳寿命计算软件以及机组参数信息，大大简化了实际评估时的计算过程，同时缩短评估时的计算时间，从而实现快速、高效的疲劳寿命评估，特别适用于风场环境复杂的非标准型风电场；2)本发明针对非标准型风场的特殊性采用空气密度、湍流强度以及年平均风速三个影响因素来表示风资源，在疲劳载荷评估数据库中再通过三重约束条件定位获取实际风资源值对应的等效疲劳载荷，实现方法简单、具有数据可移植性且所获得的等效疲劳载荷精度高。附图说明图1是传统的风电机组疲劳寿命计算方法的流程示意图。图2是本实施例面向特定风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法的实现流程示意图。图3是威布尔分布描述的不同年平均风速下的概率密度曲线示意图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。如图2所示，本实施例面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法具体实施步骤为：1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，根据疲劳载荷评估数据库获取所述实际风资源值对应的等效疲劳载荷；3)将得到的等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，若等效疲劳载荷未超过风电机组的标准设计载荷，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内并退出；否则跳转执行步骤4)；4)将等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，若计算得到的疲劳损伤值在预设范围内，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内。湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度，定义为脉动风速均方根值与平均风速之比，即其中I表示湍流强度，σ是风在平均风速下的标准偏差。湍流强度反映了脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。风力发电机组所转化的能量来源于风的动能，且由动量-叶素理可知，风电机组的疲劳载荷与空气密度是强相关的。风场中的风速是随时间连续变化的，年平均风速变化特性可采用威布尔分布描述，威布尔分布的概率分布函数表达式如下(4)所示：F(V)=1-e-(V/CV‾)k---(4)]]>其中，V表示风速，k为形状参数，C为尺度参数，当k＝2时是威布尔分布的一种特殊形式瑞利分布，采用威布尔分布描述的不同年平均风速下的概率密度曲线如图3所示。因此非标准型的特定风电场的特殊性就主要体现在风资源中的空气密度、湍流强度、年平均风速三个影响因素，即三个影响因素中其中一项或多项可能超出风电机组的标准等级。本实施例采用空气密度、湍流强度、年平均风速来表示风资源，不同空气密度、湍流强度或年平均风速对应风电机组疲劳寿命不同。本实施例中，步骤1)的具体实施步骤包括：1.1)分别以风场的空气密度、湍流强度以及年平均风速表示风资源，初始化设置空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围，分别针对空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围进行取样本点值，得到多组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值；1.2)分别将各组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值输入带有待评估风电机组结构模型数据的疲劳载荷计算软件计算对应的等效疲劳载荷，得到不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库。通过疲劳载荷评估数据库中空气密度、湍流强度以及年平均风速的三重约束条件来定位实际风资源值以及对应的疲劳载荷，精度高且具有数据可移植性。疲劳载荷评估数据库也可以根据实际需求选取其他影响因素的组合表示风资源。本实施例中，考虑空气密度、湍流强度以及年平均风速的实际取值设置取值范围，步骤1.1)中，空气密度的取值范围为0.80～1.30kg/m3，湍流强度的取值范围为0.12～0.16，年平均风速的取值范围为5.5～10m/s。将空气密度按0.1kg/m3为间隔、湍流强度Iref按0.02为间隔、年平均风速按0.5m/s为间隔进行取值建立疲劳载荷评估数据库，建立的疲劳载荷评估数据库如表1所示：表1：疲劳载荷评估数据库列表。空气密度、湍流强度以及年平均风速的范围、建立数据库时的间隔也可根据实际需求进行设置，建立疲劳载荷评估数据库的数据点越多，等效疲劳载荷的精度也越高，则对应的疲劳寿命评估精度也就越高。本实施例中，疲劳载荷计算软件具体是指Bladed软件。在实时评估前，将待评估风电机组的风机整机参数以及表1中各数据点风资源值输入Bladed软件中计算对应的等效疲劳载荷，在疲劳载荷评估数据库建立后即可获得任意风资源下的疲劳载荷。本实施例在实时评估前预先建立疲劳载荷评估数据库，进行实时评估时，通过建立的疲劳载荷评估数据即可方便的获取实际风资源下的等效疲劳载荷，从而实现疲劳寿命的评估，完全不再需要专业的风机计算软件以及风电机组参数，成本低且大大减少了实际评估过程中的计算过程以及计算时间，从而实现快速、高效的疲劳寿命评估，更为符合实际应用中需要快速响应的需求，同时还具有高精度、数据可移植性，打破了传统的对专业计算软件和风电机组参数的强依赖性。本实施例中，步骤2)的具体实施步骤包括：2.1)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值；2.2)通过查表定位所述实际风资源值在所述疲劳载荷评估数据库中的样本点值位置；2.3)以实际风资源值为插值点，结合疲劳载荷评估数据库中对应的样本点值位置采用插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。每次进行评估时，在疲劳载荷评估数据库中采用插值算法计算实际风资源值对应的疲劳载荷，只需matlab等辅助计算就能够快速实现。本实施例中，步骤2.3)具体结合由疲劳载荷评估数据库进行样条曲线拟合得到的样条曲线，采用样条曲线插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷，通过样条曲线拟合的方法可以获取得到合理的等效疲劳载荷数据。将各坐标系(包括叶根坐标系、旋转轮毂坐标系、静止轮毂坐标系以及塔顶坐标系等)的等效疲劳载荷的载荷分量进行样条曲线拟合，得到如表2～4中所示的等效疲劳载荷变化比值表，其中表2～4分别对应于湍流强度、空气密度以及年平均风速的单一影响因素，Mx、My、Mz分别为正向x、y、z方向载荷分量，Fx、Fy、Fz分别为法向x、y、z方向载荷分量，m表示S-N曲线的斜率。通过样条曲线插值定位实际风资源在疲劳载荷评估数据库中的位置，以该实际风资源值为插值点，获得疲劳载荷评估数据库中等效疲劳载荷，将前述记录的实际风资源点采用插值算法代入该数据中做插值获取该实际风资源(湍流强度、空气密度和年平均风速)三重约束下的等效疲劳载荷值并记录储存。表2：不同湍流强度下的等效疲劳载荷变化比值。表3：不同空气密度下的等效疲劳载荷变化比值。表4：不同年平均风速下的等效疲劳载荷变化比值。结构应力(或几何应力)指根据外载荷用简单(线弹性)力学公式以及类似的近似公式或有限元(划分有限元网格时只模拟结构整体尺寸，不反映局部细微尺寸变化，即不划分局部缺口或裂纹的有限元网格)计算求得的结构中的工作应力，不包括焊缝形状、裂纹、缺口等引起的强烈局部应力集中，只依赖于构件接头处的宏观尺寸和载荷参量。热点应力指最大结构应力或“结构中危险截面上危险点的应力”，作为应力评定的参考值。当确定结构的热点后，可通过输入等效率的疲劳载荷得到结构件的疲劳寿命。对一款特定的风机来讲，在其机械结构固定不变的情况下，疲劳损伤值最大点的位置也是固定的，于是可以针对此最危险热点进行专门分析，只要此热点的损伤满足要求，则整个结构部件的疲劳强度就满足要求。本实施例在疲劳载荷超过标准设计载荷时，采用热点应力法对疲劳载荷进行再评估，预先由各关键结构件得到的载荷转换系数、反推转换系数建立关键结构件评估数据库，通过关键结构件评估数据库对步骤2)得到的等效疲劳载荷进行疲劳损伤判定。根据热点法，焊缝处3个应力分量[σy,τyz,τxy]是由6个方向的单位载荷通过关系矩阵转换得到的，于是可以分别得到6个载荷分量对焊缝处3个应力分量的贡献情况。通过焊缝S-N曲线以及GL(GermanisherLloyd，劳埃德船级社)标准的规定，则可以得到焊缝的设计正许用应力ΔσxS,d、设计切许用应力ΔτxyS,d。本实施例中，步骤4)的具体实施步骤为：4.1)从预先建立的关键结构件评估数据库中获取目标机位对应的将等效疲劳载荷转换为等效应力值的载荷转换系数、由等效应力值得到各应力分量值的反推转换系数；4.2)根据载荷转换系数将步骤2)得到的等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值，并根据反推转换系数得到等效应力值对应的应力分量值；4.3)由应力分量值分别按式(1)、(2)计算得到正应力σwf和切应力τwf，根据正应力σwf和切应力τwf按式(2)计算得到目标机位的疲劳损伤值；σwf=σy2+τyz2---(1)]]>τwf＝τxy(2)damage=(γMΔσwfΔσxS,d)3+(γMΔτwfΔτxS,d)5---(3)]]>式(1)、(2)中，σy、τyz、τxy为3个应力分量且分别为y方向平面应力分量、yz方向剪应力分量、xy方向剪应力分量；式(3)中，damage为疲劳损伤值，γM为安全系数，ΔσxS,d、ΔτxyS,d分别为设计正许用应力、设计切许用应力，其中下标S,d表示设计应力(designvalueofstress)；4.2)判定计算得到的疲劳损伤值是否小于1，如果是，则判定目标机位的疲劳寿命在设计范围内，完成评估；否则判定目标机位的疲劳寿命不在设计范围内，需要去除该目标机位。疲劳损伤值的限定值可按照GL标准的规定或实际需求进行设置，在小于该设置的限定值范围内，说明目标机位的载荷满足疲劳设计要求，否则说明不满足疲劳设计要求，建议去除该目标机位。本实施例中，步骤4.1)中关键结构件评估数据库建立的具体实施方法为：4.11)针对从风电机组的结构件中选出的关键结构件，将等效疲劳载荷6个方向上的载荷分量对应的应力值进行雨流统计得到雨流统计结果；4.12)各关键结构件选取雨流统计结果中多个等效疲劳载荷值；每个等效疲劳载荷值分别除以各个方向对应的等效应力值得到一列载荷转换系数，再分别计算各个方向对应的等效应力值对y方向平面应力分量σy、yz方向剪应力分量τyz、xy方向剪应力分量τxy的贡献比例，得到一列反推转换系数；所有等效疲劳载荷值完成计算后分别得到一组由一列载荷转换系数、一列反推转换系数构成的转换系数；4.13)重复执行步骤4.11)得到各关键结构件在不同年平均风速下对应的多组转换系数，各关键结构件分别由所述多组转换系数综合得到最终的一组转换系数；4.14)由各个关键结构件得到的最终的一组转换系数建立关键结构件评估数据库。本实施例选定风电机组中多个结构部件作为关键结构件后，分别输出各关键结构件的6个载荷分量对应的应力值的雨流统计结果，接下来通过2步工作得到一组数据，即：①各关键结构件将对应的等效疲劳载荷分别除以各个载荷分量对应的等效应力值得到一列载荷转换系数；②分别计算各个载荷分量对应的等效应力值对3个应力分量的贡献比例，得到一列反推转换系数；然后通过多次载荷计算并进行多次不同年平均风速的统计，得到多组载荷转换系数、反推转换系数构成的转换系数。通过对上述得到的多组转换系数进行分析可知，各组载荷转换系数非常相近，也从另外一个角度说明，在机械结构不变的情况下，可以通过一组合适的转换系数把6个方向的等效疲劳载荷转换为6个方向的等效应力。因此本实施例在得到多组转换系数后，由得到的多组转换系数综合得到最终的一组转换系数并建立关键结构件数据库，以准确的将等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值，从而提高疲劳寿命的评估精度。依据上述方法建立关键结构件评估数据库后，根据步骤2)查询到的实时等效疲劳载荷采用关键结构件评估数据库中的载荷转换系数、反推转换系数即可得到关键结构件的疲劳损伤值，对疲劳损伤值进行再判定得到目标机位疲劳寿命的最终评估结果。为验证本实施例风电机组疲劳寿命高效评估方法的有效性，采用上述方法对某特定风场的风电机组疲劳寿命进行评估，并与专业bladed软件的计算结果做了大量的对比，对比结果中两种方法的疲劳载荷单点最大偏差不超过2％，即本实施例上述方法与专业Bladed软件计算结果基本吻合，说明本实施例面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法具有良好的性能。上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。当前第1页1 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