一种风力发电机组定制化设计方法与流程

1.本发明属于风电技术领域，具体属于一种风力发电机组定制化设计方法。


背景技术：

2.风力发电机组是风力发电的关键设备，机组设计的好坏直接影响风力发电机组制造成本、运行可靠性，进而影响风力发电场生产效率和经济效益。
3.风力发电机组是一个十分复杂的设备，包含风轮系统、传动系统、发电系统、辅助系统等多个子系统，涉及流体、机械、电气、控制多个专业。风力发电机组受到大气、土层多种环境因素作用，运行工况很多，相互作用复杂。因此，风力发电机组的设计是一个跨学科的复杂系统工程。
4.目前的风力发电机组设计过程包括环境设定、风轮系统选型设计、机械电气部件选型、机组整体初步设计、工况仿真模拟计算、部件及控制策略优化等步骤。机组设计边界条件往往假定参数，保证一定范围下的机组运行稳定。这种包络设计方法使机组具有较大的适应性，但往往造成设计冗余较大，且不能充分考虑机组应用环境的特殊情况，造成风力发电机组成本较高，不利于风力发电的平价化和可持续发展。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风力发电机组定制化设计方法，用以解决上述问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种风力发电机组定制化设计方法，包括以下过程，
8.步骤1，收集风力发电机组机位点的环境资料；
9.步骤2，依据风力发电机组机位点的环境特点，设计风力发电机组的技术路线和基础结构型式；
10.步骤3，进行风力发电机组的关键参数设定和设备选型；
11.步骤4，根据风力发电机组机位点的风资源，进行叶片设计；
12.步骤5，依据风力发电机组机位点的环境特点和设备，设计风力发电机组的控制策略；
13.步骤6，对风力发电机组结构进行安全性校核，当满足条件时，执行步骤9，当不满足条件时，执行步骤4；
14.步骤7，进行风力发电机组的塔架结构设计；
15.步骤8，进行风力发电机组的基础结构设计；
16.步骤9，对风力发电机组的塔架基础结构进行建模，优化塔架基础结构；
17.步骤10，对风力发电机组的塔架基础结构进行校核，当满足条件时，执行步骤11，当不满足条件时，执行步骤7；
18.步骤11，对风力发电机组进行经济性分析；
19.步骤12，对风力发电机组进行机组发电量校核，当满足条件时，执行步骤13，当不满足条件时，执行步骤4；
20.步骤13，对风力发电机组进行机组设备运维成本校核，当满足条件时，执行步骤14，当不满足条件时，执行步骤2；
21.步骤14，对风力发电机组进行机组全生命周期收益率校核；当不满足条件时，执行步骤2；当满足条件时，完成风力发电机组设计。
22.优选的，步骤1中，风力发电机组机位点的环境资料包括机位点的气象、地质、水文数据。
23.优选的，步骤2中，风力发电机组的技术路线包括单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、吸力桶基础和浮式基础；基础结构型式包括双馈型、高速永磁性、半直驱型和直驱型风电机组。
24.优选的，步骤3中，风力发电机组的关键参数包括风电机组的轮毂高度、叶片长度、输出电压等级和机舱尺寸；设备选型包括对齿轮箱、发电机、变桨偏航系统、变流器、变压器的选型。
25.优选的，步骤4中，叶片设计包括风电机组叶片叶型设计、叶片结构设计、叶片材料组成设计和叶片加工制造工艺设计。
26.优选的，步骤5中，风力发电机组的控制策略包括正常运行控制策略、启停机控制策略和极端工况控制策略。
27.优选的，步骤7中，塔架结构设计包括塔架尺寸设计、材料组成设计、连接方式设计和制造工艺设计。
28.优选的，步骤9中，风力发电机组的塔架基础结构优化采用整体化设计方法，以机组、塔架、基础三者的整体最优为目标，将机组塔架基础结构作为一个整体进行各节点的载荷校核计算和优化。
29.优选的，步骤4的叶片设计过程和步骤7的塔架结构设计并行开展或迭代开展。
30.优选的，步骤12中，机组发电量校核中根据机位点位置，增加风场尾流影响分析，然后再进行校核测算。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
32.本发明公开的一种风力发电机组定制化设计方法，并不针对某一风况条件，而是针对风电机组装机机位点环境情况，针对性地开展风电机组设计。设计过程中充分考虑机组技术路线、设备选型、叶片设计等环节，并融入了塔架设计和基础设计工作，开展机组塔架基础整体载荷校核，最终对机组发电量、运维成本、全生命周期收益率进行校核分析。因此，本发明对于单一机位点风电机组开展设计，最大程度地将具体环境、技术因素影响在风电机组设计中体现出来，能够对单台风电机组的经济性进行全面分析，最大程度地保证了风电机组满足风电场的要求。本发明通过多角度设计过程，可降低风电机组成本造价，挖掘机组潜力，特别适合风电场条件复杂、不同机位点差异较大的情况，具有良好的经济效益和应用前景。
附图说明
33.图1为本发明一种风力发电机组定制化设计方法流程示意图。
具体实施方式
34.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
35.本发明公开了一种风力发电机组定制化设计方法，包括机位点环境资料收集、机组技术路线选择、叶片叶型设计、控制策略设计、塔架基础结构设计、机组塔架基础整体优化、机组整体经济性分析等步骤。
36.具体的，本发明的一种风力发电机组定制化设计方法，包括以下过程：
37.步骤1，首先收集机位点气象、地质、水文等环境资料。针对陆上或海上风电机组场址，利用数据站记录、实地踏勘测试、卫星遥感分析、仿真模拟等方式，对机组安装点位的环境数据进行收集，包括但不限于长期、代表性的风况、土层、地下水、浪流等特性数据。
38.步骤2，选择风电机组技术路线、基础结构型式。根据风电场环境特点、对机组设备可靠性要求、经济性允许程度，对采用双馈型、高速永磁性、半直驱型、直驱型风电机组，变流器采用在机舱内、在塔筒底部，采用混凝土塔筒、钢塔筒、混合塔筒，海上风电机组采用单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、吸力桶基础、浮式基础等关键技术路线进行选择。
39.步骤3，机组关键参数设定、设备选型。设定风电机组轮毂高度、叶片长度、输出电压等级、机舱尺寸等关键技术参数；对齿轮箱、发电机、变桨偏航系统、变流器、变压器等关键设备进行选型。
40.步骤4，定制化叶片设计。根据机位点风资源情况，选择合适的风电机组叶片叶型、叶片结构、叶片材料组成、叶片加工制造工艺等。
41.步骤5，机组控制策略设计。根据机位点环境情况、设备选择情况，制定机组控制策略，包括正常运行控制、启停机控制、极端工况控制等策略。
42.步骤6，机组结构安全性校核。计算叶片、机舱等部件结构安全性，如果满足相关标准、规范要求，继续下一步工作；如果未满足，返回步骤4。
43.步骤7，塔架结构设计。设计塔架尺寸、材料组成、连接方式、制造工艺等。
44.步骤8，基础结构设计。设计基础结构尺寸、材料组成、制造工艺等。
45.步骤9，机组塔架基础整体优化。对机组、塔架、基础整体进行建模，结合控制策略，分析机组塔架基础整体载荷情况，对不满足载荷要求的部位进行优化设计。
46.步骤10，整体结构最优校核。计算分析机组塔架基础整体是否达到结构最优，如果达到，继续下一步工作；如果未达到，返回步骤7。
47.步骤11，机组整体经济性分析。对机组塔架基础整体进行分年度经济性分析，测算制造成本、施工成本、运维成本、发电量情况等。
48.步骤12，机组发电量校核。分析机组发电量是否满足风电场发电量要求，如果满足，继续下一步工作；如果未满足，返回步骤4。
49.步骤13，机组设备运维成本校核。分析机组设备、塔架、基础是否满足风电场可靠性和运维成本要求，如果满足，继续下一步工作；如果未满足，返回步骤2。
50.步骤14，机组全生命周期收益率校核。分析机组全生命周期收益率是否满足风电场要求，如果满足，继续下一步；如果未满足，返回步骤2。
51.步骤15，定制化设计结束，完成风力发电机组设计。
52.步骤1中，机位点环境收集步骤可增加环境参数分析工作，形成资源环境分析报
告。
53.步骤2中，风电机组技术路线选择可结合工程经验，考虑经济性、可靠性、供应链情况，综合进行选择。
54.步骤4中，定制化叶片设计和塔架结构设计工作可以并行开展，也可以迭代开展。
55.步骤9中，机组塔架基础整体优化采用整体化设计方法，以机组、塔架、基础三者整体最优为目标，将机组塔架基础作为一个整体进行各节点的载荷校核计算和优化，从而减少设计冗余。
56.步骤12中，机组发电量校核中可根据机位点位置，增加风场尾流影响分析，再进行校核测算。
57.本发明的设计方法在整个设计过程中某一流程判据若未满足，返回前序步骤，重新设计时，不应全部改变方案，应考虑判据未实现的原因，局部改进优化，对于满足前序判据条件的设计内容，应保留和继承。
58.设计流程包括机组安装机位点环境参数收集分析、定制化叶片设计、机组塔架基础整体优化等针对单一具体风电机组的设计过程。
59.本发明的设计流程包括整体经济性分析、机组发电量校核、机组设备运维成本校核、机组全生命周期收益率校核等分析机组全生命周期经济性的步骤，参考工程经验，从风电机组长周期运行角度，将风电机组经济性效益融入机组设计中，作为设备选型、结构设计、控制策略制定等常规设计内容的最终目标。当设计海上风电机组时，应相应增加海上风电机组专有设计过程和设计标准。
60.实施例1
61.如图1，本发明的一种风力发电机组定制化设计方法，包括机位点环境资料收集、机组技术路线选择、叶片叶型设计、控制策略设计、塔架基础结构设计、机组塔架基础整体优化、机组整体经济性分析等步骤。具体为：
62.步骤1，首先收集机位点气象、地质、水文等环境资料。
63.步骤2，选择风电机组技术路线、基础结构型式。
64.步骤3，机组关键参数设定、设备选型。
65.步骤4，定制化叶片设计。
66.步骤5，机组控制策略设计。
67.步骤6，机组结构安全性校核。
68.步骤7，塔架结构设计。
69.步骤8，基础结构设计。
70.步骤9，机组塔架基础整体优化。
71.步骤10，整体结构最优校核。
72.步骤11，机组整体经济性分析。
73.步骤12，机组发电量校核。
74.步骤13，机组设备运维成本校核。
75.步骤14，机组全生命周期收益率校核。
76.步骤15，定制化设计结束，完成风力发电机组设计。
77.以上步骤按顺序进行。步骤6、步骤10、步骤12、步骤13、步骤14为选择节点，当满足
判据时，继续下一步骤，不满足判据时返回前序某一步骤。其中，步骤6不满足判据时返回步骤4；步骤10不满足判据时返回步骤7；步骤12不满足判据时返回步骤4；步骤13不满足判据时返回步骤2；步骤14不满足判据时返回步骤2。
78.采用本发明公开的一种风力发电机组定制化设计方法，可以根据风电机组装机机位点环境情况，针对性地开展风电机组设计。在设计过程中充分考虑机组技术路线、设备选型、叶片设计等环节，并融入了塔架设计和基础设计工作，开展机组塔架基础整体载荷校核，最终对机组发电量、运维成本、全生命周期收益率进行校核分析。本发明的设计方法最大程度地将具体环境、技术因素影响在风电机组设计中体现出来，能够对单台风电机组的经济性进行全面分析，最大程度地保证了风电机组满足风电场的要求。采用本发明设计风力发电机组，可降低风电机组成本造价，挖掘机组潜力，特别适合风电场条件复杂、不同机位点差异较大的情况。
79.需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括
80.在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。