基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法及系统

技术领域

本发明主要涉及风电技术领域，具体涉及一种基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法及系统。

背景技术

风力发电机组塔筒承受20年寿命的交变疲劳载荷，疲劳载荷主要来自湍流，由于地表的粗糙度和尾流的影响，湍流强度随风向变化而变化。传统的塔筒疲劳载荷计算未考虑风向对塔筒疲劳载荷的影响，假设风向始终沿一个方向进行载荷计算仿真，而在特定风电场址，风机的运行根据主风向进行偏航，始终使风机处于最优的对风方向，因此采用一个方向的载荷进行塔筒的疲劳累积较为保守。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有效的降低塔筒焊缝的等效疲劳载荷的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法，包括步骤：

S1、获取特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff；

S2、通过载荷计算，得到机舱方位角θ，塔筒圆周焊缝热点P

S3、将各个扇区的风频分布P(θ)按排序；塔筒圆周焊缝热点P

S4、根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到塔筒圆周最大应力范围和循环次数，计算得到塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax。

优选地，步骤S2的具体过程为：根据风玫瑰图划分等分的n个扇区，假设机组的对风方位角在每个扇区的中心，则分别求解风向在P

优选地，步骤S3中，根据风玫瑰图每个扇区的风向占比权重进行塔筒圆周上P

优选地，所述n位于10-20之间。

优选地，在步骤S1中，根据流体力学仿真得到风电场各机位点的微观选址结果，获取特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff。

本发明还公开了一种基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积系统，包括：

第一模块，用于获取特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff；

第二模块，用于通过载荷计算，得到机舱方位角θ，塔筒圆周焊缝热点P

第三模块，用于将各个扇区的风频分布P(θ)按排序；塔筒圆周焊缝热点P

第四模块，用于根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到塔筒圆周最大应力范围和循环次数，计算得到塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法的步骤。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明根据风玫瑰图进行塔筒圆周焊缝疲劳热点划分，可划分为为任意等份(样例为划分16等份)，得到一种不同机舱方位角度对应的塔筒圆周焊缝热点的等效疲劳载荷；本发明根据塔筒圆周焊缝疲劳热点等效载荷以及各扇区发生时间概率按大小排序，得到优化后的各扇区等效疲劳载荷和发生时间概率的对应序列，进而得到塔筒圆周等价最大等效疲劳载荷。

本发明采用基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积，可以有效的降低塔筒焊缝的等效疲劳载荷，从而降低风力发电机组塔筒的重量，节约钢材用量，降低风力发电机组的塔筒重量，从而降低风力发电机组的投资成本。其中塔筒疲劳焊缝的寿命预测可以尽早、或者实时掌握塔筒的疲劳寿命状态，针对风电场全场，机位点风电机组的出力状态(发电小时数)和剩余寿命是不相等的，因此可以基于机位点预测寿命，可以对全场机组进行出力管控，例如在限电状态下，优先对预测寿命低的机组进行停机，达到全场风电机组寿命和发电量最优；尽早预测塔筒寿命，如发现预测寿命超过设计寿命，则可以进行塔筒寿命的扇区管理，降低圆周危险点Pj的疲劳损伤。

附图说明

图1为本发明中塔筒载荷坐标系M

图2为本发明的方法在具体实施例中的流程图。

图3为本发明中的风向分布示意图。

图4为本发明塔筒圆周P

图5为本发明的方法在具体应用时的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本实施例的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法，包括步骤：

S1、获取特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff；

S2、通过载荷计算，得到机舱方位角θ，塔筒圆周焊缝热点P

S3、将各个扇区的风频分布P(θ)按排序；塔筒圆周焊缝热点P

S4、根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到塔筒圆周最大应力范围和循环次数，计算得到塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax。

具体地，在步骤S1中，根据流体力学仿真得到风电场各机位点的微观选址结果，得到特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff；

在步骤S2中，塔筒圆周焊缝热点P

其中塔筒圆周P

β＝π+θ-α (1)

β：坐标系载荷M

对于圆周任意一点P

M

在步骤S3中，将16个扇区的风频分布P(θ)按从大到小排序；塔筒圆周焊缝热点P

最终在步骤S4中，根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到塔筒圆周最大应力范围和循环次数(Si，ni)，计算得到塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax。

本发明根据风玫瑰图进行塔筒圆周焊缝疲劳热点划分，可划分为为任意等份(样例为划分16等份)，得到一种不同机舱方位角度对应的塔筒圆周焊缝热点的等效疲劳载荷；本发明根据塔筒圆周焊缝疲劳热点等效载荷以及各扇区发生时间概率按大小排序，得到优化后的各扇区等效疲劳载荷和发生时间概率的对应序列，进而得到塔筒圆周等价最大等效疲劳载荷。

本发明采用基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积，可以有效的降低塔筒焊缝的等效疲劳载荷，从而降低风力发电机组塔筒的重量，节约钢材用量，降低风力发电机组的塔筒重量，从而降低风力发电机组的投资成本。其中塔筒疲劳焊缝的寿命预测可以尽早、或者实时掌握塔筒的疲劳寿命状态，针对风电场全场，机位点风电机组的出力状态(发电小时数)和剩余寿命是不相等的，因此可以基于机位点预测寿命，可以对全场机组进行出力管控，例如在限电状态下，优先对预测寿命低的机组进行停机，达到全场风电机组寿命和发电量最优；尽早预测塔筒寿命，如发现预测寿命超过设计寿命，则可以进行塔筒寿命的扇区管理，降低圆周危险点Pj的疲劳损伤。

在具体应用时，上述的累积方法应用于对风电机组的运行优化，具体步骤为：

1)获取机舱运行方位角，并根据标定的相对位置关系，将机舱运行方位角转化为绝对偏航位置；将风力发电机组塔筒圆周划分相应的扇区，并计算预设时间内的平均机舱运行方位角；

获取风速，计算预设时间的平均风速Vave和有效湍流强度Ieff；

2)将平均机舱运行方位角、平均风速Vave和有效湍流强度Ieff，相应扩展到风电机组全生命周期，预测塔筒圆周焊缝热点P

3)根据材料的等效疲劳指数m，计算得到塔筒圆周点P

4)将最大疲劳损伤D

通过特定场址微观选址的风向频率分布设计计算值和机组运行的偏航方位角进行校正，判断机组的塔筒疲劳寿命是否运行在设计范围之内，或者根据疲劳剩余寿命的管理以及发电量损失最小的原则，在线进行疲劳损伤累积计算，获得最优的偏航方位角的运行扇区，如不在运行设计范围之内，则对风力发电机组的运行扇区进行优化，调整最优的机组运行偏航方位角，降低塔筒特定方位的疲劳损伤，获得系统最优。

下面结合一具体的完整实施例对本发明做进一步说明：

1、通过机舱偏航方位传感器采集机舱运行的方位角，并根据标定的相对位置关系，将机舱偏航位置传感器采集的机舱方位角转化为绝对偏航位置；在风力发电机组塔筒圆周划分相应的扇区，并计算10分钟内的平均机舱运行方位角；

通过机舱风速传感器采集风速，并对风速进行校正，对风速进行10分钟平均统计，计算每10分钟的平均风速Vave和有效湍流强度Ieff；其中时间周期与机舱偏航方位角时钟同步；

2、将上述机组已运行的数据，相应扩展到全生命周期，预测塔筒圆周焊缝热点P

具体地，根据平均机舱运行方位角、平均风速Vave和有效湍流强度Ieff得到已运行时间t内风电机组的风速威布尔分布和参考湍流强度Iref；

再基于已运行时间t内的风速威布尔分布和参考湍流强度Iref，与标定的载荷计算仿真模型构建风电机组已运行时间t的等效疲劳载荷；

根据损伤线性累加原理，将风电机组已运行时间t的等效疲劳载荷扩展至设计寿命T(如20年)的累积等效疲劳载荷。

表1 P

已运行时间t的风向玫瑰图如图3所示，扩展至设计寿命T(20年)的圆周Pj点的等效疲劳载荷见表1所示。

3、根据材料的等效疲劳指数m，计算得到塔筒圆周P

4、将预测的最大疲劳损伤与塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax进行比较；如果预测的最大疲劳损伤D

其中函数关系式F(DEL_opt,θ)的结果在表1中，由于在不同的风向θ对应塔筒圆周Pj点的等效疲劳载荷(表1第四列)大小是不一样的，因此构建了Pj等效疲劳损伤与扇区管理偏航方位角度的函数关系式F(DEL_opt,θ)，也就是说如果对应Pj点的损伤超过了设定值，则根据表1的计算使得风力发电机组调整一个扇区运行(即调整了在风向θ的运行时间，从而降低了Pj点在大载荷下的运行时间，从而降低了设计寿命的疲劳损伤)。

通过引入机舱风速仪的风速和偏航的方位角传感器数据，并进行数据时钟同步，得到10分钟的平均偏航方位角、平均风速和湍流强度，构建的塔筒圆周焊缝热点疲劳损伤与偏航方位角的函数关系表达式，实现机组的运行扇区管理，降低塔筒焊缝最大损伤位置的等效疲劳载荷。

采用特定场址的塔筒疲劳载荷预测，判断机组的塔筒疲劳寿命是否运行在设计范围之内，并根据构建的塔筒圆周焊缝的等效疲劳载荷与偏航方位角的函数关系，在线进行疲劳损伤累积计算，当运行的预测得到的等效疲劳载荷大于设计值时，执行扇区管理控制，对风力发电机组的运行扇区进行优化，调整最优的机组运行偏航方位角，降低塔筒特定方位的疲劳损伤，获得系统最优，提升风力发电机组的可靠性。

本发明还公开了一种基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积系统，包括：

第一模块，用于获取特定场址机位点每个扇区的风频分布P(θ)、各扇区威布尔分布参数(A、k)和各扇区有效湍流强度Ieff；

第二模块，用于通过载荷计算，得到机舱方位角θ，塔筒圆周焊缝热点P

第三模块，用于将各个扇区的风频分布P(θ)按排序；塔筒圆周焊缝热点P

第四模块，用于根据等效疲劳载荷-应力关系，计算得到塔筒圆周最大应力范围和循环次数，计算得到塔筒圆周生命周期的等价最大疲劳损伤Dmax。

本发明的系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如上方法所述的优点。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于风向频率分布的塔筒疲劳载荷累积方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。