CN112855464A - 一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法 - Google Patents

一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，包括以下步骤：S1.采集特定场址湍流数据；S2.结合IEC‑4标准计算若干分位数dlc1.2工况每个风速段对应的湍流；S3.计算包括dlc1.2在内的所有疲劳工况；S4.按比例分配各个分位数湍流下的时长权重；S5.进行后处理评估。上述技术方案根据特定场址湍流数据，结合IEC 61400‑1(Edition 4.0)标准，按照多种分位数计算出dlc1.2工况每个风速段对应的湍流，实现包括dlc1.2在内的所有疲劳工况的测量，从而针对性地分配各个分位数湍流下的时长权重，实现降低疲劳载荷的效果，对风电机组的使用条件和使用寿命的意义非常重大，可以大大拓展风电机组的适用情况和发电能力。

Description

一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法。
背景技术
有资料显示，据统计机械零件破坏的80％以上为疲劳破坏，特别是大型复杂机械结构的疲劳问题更为突出。风电机组是具有高动态载荷的动力***，所承受的载荷主要是随时间变化的动态载荷的动态随机载荷，结构件都会因此产生动应力，引起疲劳损伤。根据行业标准要求，风电机组的设计寿命至少要20年，因此在设计时需要重点考虑其疲劳强度，以确保整机结构的安全可靠性。
在风电机组设计领域，通常用等效疲劳载荷(Equivalent Fatigue Loads)来衡量疲劳载荷大小和进行结构件疲劳强度评估。目前在风电机组设计行业被应用最为广泛的等效疲劳载荷计算，是基于IEC 61400-1(Edition 4.0)标准，借助商业仿真软件GH Bladed中对计算后的疲劳载荷时序进行后处理计算。
IEC 61400-1(Edition 4.0)标准中计算的dlc1.2工况使用的是NTM正常湍流风模型，使用的是90％分位数的湍流。在实际评估中显得较为保守，不能充分发挥风力发电机组的使用功效。
中国专利文献CN101839806B公开了一种“风力发电机组及其疲劳载荷监测***”。采用了第一检测装置(211)，用于检测塔筒根部的疲劳状态，得到第一检测信号，第二检测装置(212)，用于检测除塔筒根部以外至少一个部位的疲劳状态，得到第二检测信号；控制装置(22)，用于接收第一检测信号和第二检测信号，并根据预定策略处理第一检测信号和第二检测信号，得到实际损伤值，比较实际损伤值与预定损伤值，判断风力发电机组的被测部位的损伤状态；输出装置(23)，用于输出被测部位的实际损伤值。上述技术方案难以准确有效的评估风电机组在特定厂址下的疲劳载荷，并且无法针对性地进行优化。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案无法准确有效的评估风电机组在特定厂址下的疲劳载荷的技术问题，提供一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，根据特定场址湍流数据，结合IEC 61400-1(Edition 4.0)标准，按照多种分位数计算出dlc1.2工况每个风速段对应的湍流，实现包括dlc1.2在内的所有疲劳工况的测量，从而针对性地分配各个分位数湍流下的时长权重，实现降低疲劳载荷的效果，对风电机组的使用条件和使用寿命的意义非常重大，可以大大拓展风电机组的适用情况和发电能力。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1.采集特定场址湍流数据；
S2.结合IEC-4标准计算若干分位数dlc1.2工况每个风速段对应的湍流；
S3.计算包括dlc1.2在内的所有疲劳工况；
S4.按比例分配各个分位数湍流下的时长权重；
S5.进行后处理评估。
现行的IEC 61400-1(Edition 4.0)标准中，疲劳载荷主要包括dlc1.2工况，dlc2.4工况，dlc4.1工况，dlc6.4工况，其中又以dlc1.2工况所占时长比重最长，对风电机组疲劳影响最大，而dlc1.2工况的设置直接取决于特定厂址的湍流大小，因此风电机组的疲劳载荷与湍流大小呈高度正相关。IEC61400-1(Edition 4.0)标准中计算的dlc1.2工况使用的是NTM正常湍流风模型，使用的是90％分位数的湍流。IEC 61400-1(Edition 4.0)标准中对NTM正常湍流风模型给出了以下公式：
σ1＝Iref*(0.75*Vhub+b)；b＝5.6m/s
但是在实际评估疲劳时，90％分位数的湍流要远远大于实际的湍流风情况。IEC-4标准认为同一风速下湍流的分布服从威布尔分布，而以90％分位数的湍流对全年的疲劳载荷进行评估就过于保守了。本技术方案使用类似割圆法的方式，对同一风速下不同的湍流分布分别进行疲劳载荷的计算，然后根据各个不同湍流的分布比重加权获得更为准确的风电机组疲劳载荷结果。
作为优选，所述的步骤S2中的若干分位数包括5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85，90％，95％，99％分位数。
作为优选，所述的步骤S2根据Edition 4.0标准，对湍流在不同风速下的概率分布的定义有如下公式：
Figure BDA0002905580550000031
k＝0.27*Vhub+1.4 (2)
C＝Iref*(0.75*Vhub+3.3) (3)
将(2)，(3)式代入(1)式，推导出以下公式：
Figure BDA0002905580550000032
同时PR依次代入5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85，90％，95％，99％分位数各个分位数，计算出dlc1.2工况在各个分位数、风速下的湍流值。
作为优选，所述的步骤S3中疲劳工况包括dlc1.2工况，dlc2.4工况，dlc4.1工况，dlc6.4工况。采用动力学计算软件Bladed计算出所有疲劳工况时序，除了dlc1.2工况以外，还有dlc2.4，dlc4.1，dlc6.4工况。
作为优选，所述的dlc1.2工况所占时长比重最长，对风电机组疲劳影响最大，设置好包括dlc1.2工况在内的所有工况，以此推导出不同分位数和风速下的湍流。由于该方法对dlc1.2工况的影响最大，本技术方案只改变dlc1.2工况的湍流设置。
以某公司的WD156-3300机组为例进行风电机组疲劳载荷优化对比。dlc1.2工况的风速依次是3,4,6,8,10,12,14,16,18,20m/s，本次计算的湍流分位数依次是5％，10％，15％，20％，25％，30％～95％，99％(由于100％分位数无穷大无法计算，所有以99％分位数替代)。以5％湍流计算0～5％湍流范围的疲劳载荷；以10％湍流计算5～10％湍流范围的疲劳载荷……以95％湍流计算90～95％湍流范围的疲劳载荷，以99％湍流计算95～100％湍流范围的疲劳载荷。
作为优选，所述的步骤S4通过雨流算法得到风电机组的整机疲劳载荷，然后乘以风速威布尔分布的时间权重，得出各个风速段的时长。
作为优选，所述的dlc1.2工况的每个风速段下的湍流分成20组，将对应风速段的时长分布均分成20份。
作为优选，所述的步骤S5后处理评估包括风电机组等效疲劳计算，风电机组等效疲劳计算通过动力学计算软件Bladed进行后处理计算后，得到20年载荷的马可夫矩阵，将累加次数等效值为1e7得到的载荷范围作为等效载荷。风电机组主要部件的疲劳载荷在原方法的基础上有10％左右的优化效果。
本发明的有益效果是：根据特定场址湍流数据，结合IEC 61400-1(Edition4.0)标准，按照多种分位数计算出dlc1.2工况每个风速段对应的湍流，实现包括dlc1.2在内的所有疲劳工况的测量，从而针对性地分配各个分位数湍流下的时长权重，实现降低疲劳载荷的效果，对风电机组的使用条件和使用寿命的意义非常重大，可以大大拓展风电机组的适用情况和发电能力。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是现有IEC-4标准对正常湍流风模型的定义图。
图3是本发明的一种对dlc1.2工况的正常湍流风的重新定义后的主轴疲劳效果示意图。
图4是本发明的一种风电机组疲劳载荷优化对比图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1.采集特定场址湍流数据；
S2.结合IEC-4标准计算若干分位数dlc1.2工况每个风速段对应的湍流；
S3.计算包括dlc1.2在内的所有疲劳工况；
S4.按比例分配各个分位数湍流下的时长权重；
S5.进行包括风电机组等效疲劳计算在内的后处理评估。
步骤S2中的若干分位数包括5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85，90％，95％，99％分位数，计算dlc1.2工况每个风速段对应的湍流过程如下：
现行的IEC 61400-1(Edition 4.0)标准中，疲劳载荷主要包括dlc1.2工况，dlc2.4工况，dlc4.1工况，dlc6.4工况，其中又以dlc1.2工况所占时长比重最长，对风电机组疲劳影响最大，而dlc1.2工况的设置直接取决于特定厂址的湍流大小，因此风电机组的疲劳载荷与湍流大小呈高度正相关。IEC61400-1(Edition 4.0)标准中计算的dlc1.2工况使用的是NTM正常湍流风模型，使用的是90％分位数的湍流。IEC 61400-1(Edition 4.0)标准中对NTM正常湍流风模型给出了以下公式：
σ1＝Iref*(0.75*Vhub+b)；b＝5.6m/s
但是在实际评估疲劳时，90％分位数的湍流要远远大于实际的湍流风情况。IEC-4标准认为同一风速下湍流的分布服从威布尔分布，而以90％分位数的湍流对全年的疲劳载荷进行评估就未免显得过于保守了。见图2中标记处：
那么就可以使用类似割圆法的方式，对同一风速下不同的湍流分布分别进行疲劳载荷的计算，然后根据各个不同湍流的分布比重加权获得更为准确的风电机组疲劳载荷结果。
根据IEC 61400-1(Edition 4.0)标准，对湍流在不同风速下的概率分布的定义有如下公式：
Figure BDA0002905580550000061
k＝0.27*Vhub+1.4 (2)
C＝Iref*(0.75*Vhub+3.3) (3)
将(2)，(3)式带入(1)式，通过上述公式可以推导出以下公式：
Figure BDA0002905580550000062
同时PR依次代入5％，10％，15％，20％，25％，30％～95％，99％各个分位数，计算出dlc1.2工况在各个分位数、风速下的湍流值，设置好包括dlc1.2工况在内的所有工况。以此就可以推导出不同分位数和风速下的湍流，能更精确的计算风电机组疲劳载荷。
步骤S3所述的计算包括dlc1.2在内的所有疲劳工况过程如下：
采用动力学计算软件Bladed计算出所有疲劳工况时序，除了dlc1.2工况以外，还有dlc2.4，dlc4.1，dlc6.4工况。
以某公司的WD156-3300机组为例进行风电机组疲劳载荷优化对比。dlc1.2工况的风速依次是3,4,6,8,10,12,14,16,18,20m/s，本次计算的湍流分位数依次是5％，10％，15％，20％，25％，30％～95％，99％(由于100％分位数无穷大无法计算，所有以99％分位数替代)。以5％湍流计算0～5％湍流范围的疲劳载荷；以10％湍流计算5～10％湍流范围的疲劳载荷……以95％湍流计算90～95％湍流范围的疲劳载荷，以99％湍流计算95～100％湍流范围的疲劳载荷。所有dlc1.2工况对主轴My的等效疲劳作用如图3所示。
步骤S4中按比例分配各个分位数湍流下的时长权重过程如下：
通过雨流算法得到风电机组的整机疲劳载荷，然后乘以风速威布尔分布的时间权重，因为dlc1.2工况的每个风速段下的湍流分成了20组，因此对应风速段的时长分布也需要均分成20份。
步骤S5中进行包括风电机组等效疲劳计算在内的后处理评估过程如下：通过动力学计算软件Bladed进行后处理计算后，得到20年载荷的马可夫矩阵，将累加次数等效值为1e7得到的载荷范围作为等效载荷。
从图3中可以明显看到，不同分位数下的湍流对风电机组的疲劳差异是相当大的，而按90％分位数的湍流计算的风电机组疲劳处在图中线框位置，相比之下，基于特定场址湍流分布计算风电机组疲劳载荷的方法明显更为准确，且具有降低疲劳载荷的效果，详见图4。
从图4可见，基于特定场址湍流分布计算风电机组疲劳载荷的方法，风电机组主要部件的疲劳载荷在原方法的基础上有10％左右的优化效果。这一降载效果对风电机组的使用条件和使用寿命的意义非常重大，可以大大拓展风电机组的适用情况和发电能力。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了湍流数据、工况等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集特定场址湍流数据；
S2.结合IEC-4标准计算若干分位数dlc1.2工况每个风速段对应的湍流；
S3.计算包括dlc1.2在内的所有疲劳工况；
S4.按比例分配各个分位数湍流下的时长权重；
S5.进行后处理评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述步骤S2中的若干分位数包括5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85，90％，95％，99％分位数。
3.根据权利要求2所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述步骤S2根据Edition 4.0标准，对湍流在不同风速下的概率分布的定义有如下公式：
Figure FDA0002905580540000011
k＝0.27*Vhub+1.4 (2)
C＝Iref*(0.75*Vhub+3.3) (3)
将(2)，(3)式代入(1)式，推导出以下公式：
Figure FDA0002905580540000012
同时PR依次代入5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85，90％，95％，99％分位数各个分位数，计算出dlc1.2工况在各个分位数、风速下的湍流值。
4.根据权利要求1所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述步骤S3中疲劳工况包括dlc1.2工况，dlc2.4工况，dlc4.1工况，dlc6.4工况。
5.根据权利要求4所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述dlc1.2工况所占时长比重最长，对风电机组疲劳影响最大，设置好包括dlc1.2工况在内的所有工况，以此推导出不同分位数和风速下的湍流。
6.根据权利要求1所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述步骤S4通过雨流算法得到风电机组的整机疲劳载荷，然后乘以风速威布尔分布的时间权重，得出各个风速段的时长。
7.根据权利要求6所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述dlc1.2工况的每个风速段下的湍流分成20组，将对应风速段的时长分布均分成20份。
8.根据权利要求1所述的一种基于特定场址湍流分布优化风电机组疲劳载荷的方法，其特征在于，所述步骤S5后处理评估包括风电机组等效疲劳计算，风电机组等效疲劳计算通过动力学计算软件Bladed进行后处理计算后，得到20年载荷的马可夫矩阵，将累加次数等效值为1e7得到的载荷范围作为等效载荷。
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