面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法技术

本发明专利技术公开一种面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，步骤包括：1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，获取实际风资源值对应的等效疲劳载荷；3)将等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，判定目标机位下的疲劳寿命是否在设计范围内；4)将等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，判定计算得到的疲劳损伤值是否在预设范围内。本发明专利技术能够有效评估风电机组在非标准型特定风场中的疲劳寿命，具有实现方法简单、所需成本低且快速高效的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非标准型风电场评估
，尤其涉及一种面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法。
技术介绍
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风电场地址最理想的位置是在宽阔平坦、海拔接近海平面的区域，在这些区域风速可以被充分地利用，而目前标准型的风电场越来越少，可开发风场的地形、风况越来越复杂、环境条件也越来越恶劣，因而开发者们开始关注在一些非标准型风电场的建设，例如在高海拔地区、丘林地区等区域。风电机组整机系统是一个复杂的、多学科的系统，涉及空气动力学、机械设计、工程力学、材料力学、电气工程以及控制论等专业
，这些学科相互配合、相互制约，使风电机组整机设计成为一项复杂的系统工程。风电机组的特点是生命周期长、运行环境复杂多变、涉及的环节非常多，因而需要可靠的保障体系。随着风电行业的迅猛发展，机组功率等级和尺寸的加大，对风电机组整机系统性能和机组安全性的要求也越来越高，其中风力发电机组的疲劳寿命就是用户非常关心的指标，也是机组重要的安全性指标，而该指标通常是与实际风资源情况强相关。一般每个风电场都有不同风资源情况，甚至是单个风电场不同机位点的风电机组都具有不同的风资源，因此需要提供针对机组在非标准型风电场的特定风资源下的疲劳寿命进行适应性评估方法，从而为风场机位点优化选型提供依据。目前风力发电机组的疲劳寿命通常是通过专业的计算软件(例如Balded软件)计算获得，通过输入整机机械结构参数、电气控制参数以及风场实际风资源数据计算得到风电机组的各个坐标系下的疲劳载荷(叶片坐标系、轮毂坐标系、塔筒坐标系)，再依据疲劳载荷数据方能计算获得疲劳寿命，整个计算过程如图1所示，具体为：1)根据风机基本数据进行风电机组整机电气、控制和Bladed整机建型；2)按照IEC61400-1标准要求，对风资源数据进行载荷计算工况的定义；3)按照IEC61400-1标准要求，结合整机模型和载荷计算工况进行机组疲劳载荷计算，得到疲劳载荷；4)根据风机基本数据构建结构模型，采用Matlabe和fe_safe软件进行疲劳寿命计算；5)判别疲劳寿命是否满足设计要求；6)每个机位都进行以上分析，全部完成后，输出评判结果。由上述可知，目前风力发电机组疲劳寿命计算方法需要严格依赖于昂贵的计算软件以及完整的机组参数，每个机位点的疲劳寿命分析均需要依赖计算软件以及完整的机组参数来完成，而在非标准型风场中，由于风资源条件复杂且受到多个条件制约，不同输入条件组合的风资源计算得到的风电机组疲劳寿命均具有差异性，因而对各个机位疲劳寿命的分析操作将非常复杂，所需的计算时间长、计算效率低且成本高，实际应用中又通常要求能够快速响应并输出响应结果，因而上述疲劳寿命的计算方法显然不适用于实际应用中非标准型风场中风电机组疲劳寿命的评估，另一方面，完全按照标准要求进行特定场址的评估需投入的时间和成本也非常之高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实现方法简单、所需成本低、能够有效评估风电机组在非标准型风场中疲劳寿命且快速高效的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种面向非标准风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，步骤包括：1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，根据所述疲劳载荷评估数据库获取所述实际风资源值对应的等效疲劳载荷；3)将得到的等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，若等效疲劳载荷未超过风电机组的标准设计载荷，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内并退出；否则跳转执行步骤4)；4)将所述等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，若计算得到的疲劳损伤值在预设范围内，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内。优选地，所述步骤1)的具体实施步骤包括：1.1)分别以风场的空气密度、湍流强度以及年平均风速表示风资源，初始化设置空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围，分别针对空气密度、湍流强度以及年平均风速的取值范围进行取样本点值，得到多组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值；1.2)分别将各组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值输入带有待评估风电机组结构模型数据的疲劳载荷计算软件计算对应的等效疲劳载荷，得到不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库。优选地，所述步骤1.1)中，空气密度的取值范围为0.80～1.30kg/m3，所述湍流强度的取值范围为0.12～0.16，所述年平均风速的取值范围为5.5～10m/s。优选地，所述疲劳载荷计算软件具体是指Balded软件。优选地，所述步骤2)的具体实施步骤包括：2.1)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值；2.2)通过查表定位所述实际风资源值在所述疲劳载荷评估数据库中的样本点值位置；2.3)以所述实际风资源值为插值点，结合所述疲劳载荷评估数据库中对应的样本点值位置采用插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。优选地，所述步骤2.3)结合由所述疲劳载荷评估数据库进行样条曲线拟合得到的样条曲线，采用样条曲线插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。优选地，所述步骤4)的具体实施步骤为：4.1)从预先建立的关键结构件评估数据中获取目标机位对应的将等效疲劳载荷转换为等效应力值的载荷转换系数、由等效应力值得到各应力分量值的反推转换系数；4.2)根据所述载荷转换系数将步骤2)得到的等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值，并根据所述反推转换系数得到等效应力值对应的应力分量值；4.3)由所述应力分量值分别按式(1)、(2)计算得到正应力σwf和切应力τwf，根据所述正应力σwf、切应力τwf按式(3)计算得到目标机位的疲劳损伤值； σ wf = σ y 2 + τ yz 2 - - - ( 1 ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征在于步骤包括：1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，根据所述疲劳载荷评估数据库获取所述实际风资源值对应的等效疲劳载荷；3)将得到的等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，若等效疲劳载荷未超过风电机组的标准设计载荷，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内并退出；否则跳转执行步骤4)；4)将所述等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，若计算得到的疲劳损伤值在预设范围内，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内。

【技术特征摘要】
1.一种面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征在于步骤包括：
1)预先根据待评估风电机组在不同风资源下的等效疲劳载荷建立疲劳载荷评估数据库；
2)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值，根据所述疲劳载荷评
估数据库获取所述实际风资源值对应的等效疲劳载荷；
3)将得到的等效疲劳载荷和风电机组的标准设计载荷进行比较，若等效疲劳载荷未超过
风电机组的标准设计载荷，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范围内并
退出；否则跳转执行步骤4)；
4)将所述等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值并计算目标机位的疲劳损伤值，若计算
得到的疲劳损伤值在预设范围内，则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命在设计范
围内；否则判定待评估风电机组在目标机位下的疲劳寿命不在设计范围内。
2.根据权利要求1所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征
在于，所述步骤1)的具体实施步骤包括：
1.1)分别以风场的空气密度、湍流强度以及年平均风速表示风资源，初始化设置空气密
度、湍流强度以及年平均风速的取值范围，分别针对空气密度、湍流强度以及年平均风速的
取值范围进行取样本点值，得到多组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值；
1.2)分别将各组空气密度、湍流强度以及年平均风速的样本点值输入带有待评估风电机
组结构模型数据的疲劳载荷计算软件计算对应的等效疲劳载荷，得到不同风资源下的等效疲
劳载荷建立疲劳载荷评估数据库。
3.根据权利要求2所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征
在于：所述步骤1.1)中，空气密度的取值范围为0.80～1.30kg/m3，所述湍流强度的取值范围
为0.12～0.16，所述年平均风速的取值范围为5.5～10m/s。
4.根据权利要求3所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征
在于：所述疲劳载荷计算软件具体是指Bladed软件。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估
方法，其特征在于，所述步骤2)的具体实施步骤包括：
2.1)检测待评估风电机组在非标准风场中目标机位的实际风资源值；
2.2)通过查表定位所述实际风资源值在所述疲劳载荷评估数据库中的样本点值位置；
2.3)以所述实际风资源值为插值点，结合所述疲劳载荷评估数据库中对应的样本点值位
置采用插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。
6.根据权利要求5所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征
在于，所述步骤2.3)结合由所述疲劳载荷评估数据库进行样条曲线拟合得到的样条曲线，采

\t用样条曲线插值算法计算实际风资源值对应的等效疲劳载荷。
7.根据权利要求6所述的面向非标准型风场的风电机组疲劳寿命高效评估方法，其特征
在于：所述步骤4)的具体实施步骤为：
4.1)从预先建立的关键结构件评估数据中获取目标机位对应的将等效疲劳载荷转换为等
效应力值的载荷转换系数、由等效应力值得到各应力分量值的反推转换系数；
4.2)根据所述载荷转换系数将步骤2)得到的等效疲劳载荷转换为对应的等效应力值，
并根据所述反推转换系数得到等效应力值对应的应力分量值；
4.3)由所述应力分量值分别按式(1)、(2)计算得到正应力σwf和切应力τwf，根据所述
正应力σwf、切应力τwf按式(3)计算得到目标机位的疲劳损伤值；
σ wf = σ y ...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫发明，王靛，王磊，井家宝，李晓光，王立鹏，谷小辉，李慧新，宋力兵，盛科，刘红文，刘憾宇，
申请(专利权)人：南车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43