大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法

本发明涉及一种大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，尤其涉及一种考虑了平均风速与湍流强度联合分布的大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法。

背景技术：

1、叶片作为大型风电机组的关键部件，其50年一遇的极限性能响应准确估计对于考虑极限状态的机组长生命周期设计结果有至关重要的影响。目前的大型风电机组极限性能响应计算方法流程为，选择多个风速离散样本点，在每个风速样本点下多次运行10分钟随机结构仿真模型，拟合其性能响应极值分布，再根据风速的长期概率进行加权求和，得到10分钟极限性能响应长期分布模型，通过计算50年重现期概率实现极限性能响应的统计外推。然而，现有的大型风电机组长柔叶片极限性能响应估计方法存在以下缺陷：

2、(1)随着风电机组大型化的趋势，叶片的细长弹性体结构与复合材料的应用，使得叶片受到不同方向变形耦合的作用，其变形非线性特性显著，导致现有的基于欧拉-伯努利梁叶片结构模型计算有所偏差，从而影响极限性能响应预测的精度；

3、(2)现有的极限性能响应计算方法流程仅考虑了风速的长期分布，而忽略了湍流强度等其余环境因素的联合分布影响，从而导致预测结果可能有一定的偏差。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于，针对大型风力发电机长柔叶片极限性能响应计算过程中，叶片结构仿真模型不准确与环境因素不确定性考虑不全面的问题，提出一种大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，通过集成叶片非线性结构分析模型、并综合考虑风速、湍流强度等环境不确定性联合分布，提高叶片极限性能响应的预测精度。

2、实现本发明的技术方案如下：

3、一种大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，包括以下步骤：

4、s1：根据风机的设计参数、实际风场的实测环境数据，确定机组运行工况x＝[v10,i10]的离散样本点x1,x2,…,xm，其中v10代表机组10分钟内的平均风速，i10代表机组10分钟内的湍流强度，m是离散样本点总数；

5、s2：在每个v10,i10离散样本点处，进行n次10分钟的机组叶片结构仿真；提取叶片的性能响应时序数据，得到n个性能响应极值l的样本点，通过最大似然估计方法进行统计分布拟合，得到该工况下的性能响应极值的累积分布函数fl(l|xi)；

6、s3：根据每个v10,i10离散样本点的概率px(xi)，对性能响应极值的累积分布函数fl(l|xi)进行加权求和，如下式所示：

7、

8、s4：对所有的性能响应极值样本点lj，依据下式计算其超越概率

9、pf(l＞lj)＝1-fl(lj)                        (2)

10、对所有样本点取对数后进行数值拟合与外推，得到超越概率pf＝3.8×10-7对应的极限性能响应l50作为50年一遇风机叶片极限性能响应的计算结果。

11、进一步的，s2中的10分钟的机组叶片结构仿真采用非线性几何变形模型，模型的构建及求解步骤如下：

12、s2.1：将叶片离散为若干个一维梁单元，通过查阅机组设计文档或复合层压理论，得到各个梁单元截面处的6×6质量矩阵m与刚度矩阵s；

13、s2.2：基于叶素理论计算叶片每个梁单元处的分布气动性能响应，此外计算叶片每个梁单元处的重力与离心力，依据叶片的变桨角、上一时间步处的气动与结构扭转角以及上一时间步的变形等数据，进行梁单元处各个性能响应坐标系的转化，得到外部施加的分布力fext及分布力矩mext；

14、s2.3：基于哈密顿原理，构建叶片一维梁模型本构方程：

15、

16、其中，h和g分别为该梁单元的线动量与角动量，u为该梁单元的线位移，f和t分别表示梁单元截面产生的响应力和响应力矩，r表示梁单元的初始位置。表示对时间求导运算符，(·)′表示对一维梁中心轴线坐标求导，表示将一个向量转化为其对应的反对称张量。

17、进一步的，设u＝[u1,u2,u3]t，则

18、

19、h,g,f,t通过连续性方程得到：

20、

21、其中，ω为截面的角速度，γ与κ分别为梁的应变与弯曲向量，采用newton-raphson法求解式(3)，得到叶片的动态响应。

22、进一步的，s2中，对叶片的性能响应极值条件累积分布函数fl(l|xi)统计拟合，选取对数分布、weibull分布或广义极值分布等分布类型。

23、进一步的，s3中每个v10,i10离散样本点概率px(xi)的计算包括以下步骤：

24、s3.1：依据风场实测数据或历史数据库，采用最大似然估计方法拟合10分钟风速均值v10与标准差∑10的边缘概率密度函数的参数c,k和a,b：

25、

26、

27、s3.2：根据s3.1中的拟合结果，计算v10与∑10的边缘累积分布函数u和v，并计算v10与∑10的gumbel copula密度函数cv∑(v10,σ10；τ)，如下式所示：

28、

29、其中τ为kendall参数，w＝(-lnu)1/(1-τ)+(-lnv)1/(1-τ)；

30、s3.3：根据下列公式计算机组10分钟平均风速v10与湍流强度i10联合概率密度函数：

31、

32、s3.4：根据确定的离散工况测点分辨率δv10,δi10每个工况测点所对应的概率px(xi)为：

33、px(xi)＝f10(v10,i10；c,k,a,b,τ)δv10δi10               (3)。

34、本发明的有益效果是：(1)本发明集成了叶片的非线性结构仿真模型，对叶片的10分钟结构仿真更符合风机实际运行情况；(2)综合了考虑风速、湍流强度等环境不确定性联合分布，实现极限性能响应的精准评估。

技术特征：

1.一种大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，其特征在于：

3.如权利要求2所述的大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，其特征在于：

4.如权利要求2所述的大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，其特征在于：

5.如权利要求1所述的大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种大型风力发电机长柔叶片极限性能响应确定方法，首先基于几何非线性梁理论建立了长柔叶片的动态结构响应模型，并通过一维等效梁单元进行离散化求解，精确计算叶尖变形、应力应变等性能响应。接下来，该方法综合考虑了10分钟平均风速与湍流强度的联合不确定性，在离散的平均风速与湍流强度样本点处进行大量10分钟长柔叶片结构变形仿真，提取性能响应极值样本，并基于最大似然估计方法拟合其条件累积分布函数。依据平均风速与湍流强度离散样本点的联合概率，对各样本点处的性能响应极值条件累积分布函数进行加权求和，计算性能响应极值样本的超越概率，并利用统计外推方法计算50年一遇的极限性能响应值。

技术研发人员：胡伟飞,张桐舟,董娜,张中伟,彭凡,王晓丁,王其君,尹景勋,谭建荣
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17