专利名称：海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法
技术领域：
本发明涉及一种以同精度获取海上风力发电支撑结构模态振型为目标的传感器位置布设新方法，特别是针对深水导管架式海上风力发电支撑结构的振动点选取问题。
背景技术：
风力发电是风能利用的主要方式，是世界上发展最快的绿色能源技术。海上风况优于陆地，离岸IOkm的海上风速通常比沿岸陆上高约25% ;海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长；风切变小，因而塔架可以较低；在海上开发利用风能，受噪声、景观、鸟类、电磁波干扰等问题的限制较少。海上风能的开发利用不会造成大气污染和产生任何有害物质，可减少温室效应气体的排放，环保价值可观。正是由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。我国海岸线长，有近500万平方公里的海域，海上风能资源十分丰富，东部沿海地区经济发达，海上可开发风能资源约为7. 5亿KW，具有开发利用风电的良好市场条件和巨大资源潜力。然而，海上风机结构长期服役在恶劣的海洋环境中，受到各种环境荷载的交互作用，如风荷载、海流、波浪荷载、冰荷载等，有时还要受到地震、台风、海嘯、船碰击等意外打击，结构本身还要遭到环境腐蚀、海生物附着、海底冲刷、复杂海床变化等影响。在这些恶劣的环境荷载的长期作用下，结构容易产生各种各样的损伤，使其动力特性发生改变，承载能力下降，同时诱发过激振动，影响使用。严重的还会导致结构失效，造成巨大的经济损失以及不良的社会影响。为合理有效维护海上风电基础结构，减少因基础结构问题而导致的风机停机时间，降低维护成本，采用合理方案对风电基础结构在服役期内进行实时监测、检测，及时发现基础结构的偶然损伤，并在保障安全的条件下及时修复是非常必要的。从而，借助监测系统对风电基础结构进行预防性维护，尽量减少补偿性维护，降低风电基础结构的维护费用。但是，常规海上风电振动监测时，传感器通常安装在风力发电机附近，并且就目前的安装情况来看，数量非常少，少则一个，多则2-3个。虽然监测信号在一定程度上能够反映风机的运行情况，但对于海上风电支撑结构而言，因传感器距离支撑结构较远，并且支撑结构基本位于水面以下，利用现有的传感器数据无法得知支撑结构的振动情况，包括支撑结构的模态信息，尤其是模态振型。常规传感器位置优化技术，其优化过程往往需要所建立有限元模型的模态振型，但当实际结构与有限元模型误差较大时，必然造成有限元模态振型与实际结构对应模态振型的较大差异，也就是说基于有限元模态振型获得的传感器位置并非实际结构所需的传感器位置；尤其对于海上结构而言，水下安装传感器的难度与成本可想而知。再者，考虑到实际海上风电支撑结构只有少数低阶模态能够被激励，不同的模态反映不同的结构振动形式，故而对传感器的数据及相对位置要求也不一致
发明内容
本发明提出一种适用于导管架式海上风力发电支撑结构的传感器布设方法，该方法具有不同于常规传感器位置优化中优化方案唯一的特点，能够根据模态识别阶次的不同变换传感器布设方案，最大程度的以最少的传感器数量、最易于安装的传感器位置获取海上风力发电支撑结构的模态振型。本发明采用如下技术方案予以实现1、一种海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于包括如下步骤A、有限元模型模态信息提取；B、传感器位置优化；C、传感器位置工程化选取； Cl、删除贡献度最小的传感器位置、保留贡献度较大的传感器位置，获取传感器初步布设方案；C2、舍弃初步布设方案中水深较深的节点，根据实际情况增设少数水深较浅的非连接点位置并安装传感器；D、工程化传感器位置可行性分析；Dl、获取结构动力响应信号；D2、完备振型计算；D21、结构模态参数提取；D22、建立实际结构自由振动方程；D23、建立初始完备阵型并假定未安装传感器位置对应的阵型值为I ;D24、构造真实完备振型与初始完备振型关系。进一步地,所述A步骤包括如下Al、建立结构有限元数值模型，获取该有限元模型的质量矩阵与刚度矩阵，分别标记为M、K并存储入专用存储器中；A2、对所建立的有限元模型进行模态分析，确定感兴趣的目标模态，并获得对应的模态矩阵Φ3。进一步地，所述B步骤包括如下将获得的模态矩阵构建Fi sher信息阵，求有效独立分配矩阵。进一步地，所述D22步骤中，建立实际结构自由振动方程Ml + K\ = O，其中
M'K*分别为实际结构的质量、刚度矩阵，与步骤Al结构中M、K的关系为M* = M
NeΚ*=Κ + ΔΚ=Κ + ν c/；, K
η=]其中，Kn为有限元模型中第η个单元刚度矩阵在整体坐标系下的形式；α η为单元总数为Ne时第η个单元的修正系数。进一步地，所述D23步骤中，假定第j阶完备振型的形式如下
权利要求
1.一种海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于包括如下步骤 A、有限元模型模态信息提取； B、传感器位置优化； C、传感器位置工程化选取； Cl、删除贡献度最小的传感器位置、保留贡献度较大的传感器位置，获取传感器初步布设方案； C2、舍弃初步布设方案中水深较深的节点，根据实际情况增设少数水深较浅的非连接点位置并安装传感器； D、工程化传感器位置可行性分析； Dl、获取结构动力响应信号； D2、完备振型计算； D21、结构模态参数提取； D22、建立实际结构自由振动方程； D23、建立初始完备阵型并假定未安装传感器位置对应的阵型值为I ; D24、构造真实完备振型与初始完备振型关系。
2.根据权利要求1所述海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于所述A步骤包括如下 Al、建立结构有限元数值模型，获取该有限元模型的质量矩阵与刚度矩阵，分别标记为M、K并存储入专用存储器中； A2、对所建立的有限元模型进行模态分析，确定感兴趣的目标模态，并获得对应的模态矩阵Φ,。
3.根据权利要求2所述海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于所述B步骤包括如下将获得的模态矩阵构建Fisher信息阵，求有效独立分配矩阵。
4.根据权利要求3所述海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于所述D22步骤中，建立实际结构自由振动方程Μ* + Kfk = O，其中M"、Kf分别为实际结构的质量、刚度矩阵，与步骤Al结构中M、K的关系为
5.根据权利要求4所述海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，其特征在于所述D23步骤中，假定第j阶完备振型的形式如下
全文摘要
本发明提出一种海上风力发电支撑结构振动监测点布设方法，一方面可以借助传统传感器位置优化技术提供初始布设方案，同时可以更充分考虑传感器位置的安装难易程度，即舍弃初始布设方案中水深较深的位置，适当补充水深较浅的非连接点位置。从而，本发明既可以考虑有限元模型与实际结构的建模误差，又能相对准确的获得海上风力发电结构的完备振型，同时，该方法具有不同于常规传感器位置优化中优化方案唯一的特点，能够根据模态识别阶次的不同变换传感器布设方案，最大程度的以最少的传感器数量、最易于安装的传感器位置获取海上风力发电支撑结构的模态振型。
文档编号G01H17/00GK103017895SQ20121057103
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者刘福顺, 李华军, 李炜, 赵生校, 周永, 陈文文, 彭春涪, 秦俊飞 申请人:中国海洋大学, 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院