一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法技术

本发明专利技术公开一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，首先建立塔架的有限元模型，然后通过有限元法计算得到塔架的截断模态矩阵并根据监测点处的实时振动值计算得到塔架的振动主坐标向量，最后通过模态叠加法计算得到整个塔架的实时振动状态。此种方法可以根据塔架有限个振动测点的实时振动值快速计算得到整个塔架的振动状态，具有计算精度高，计算速度快的特点，能满足实时在线计算的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法
本专利技术属于测量
，特别涉及一种风电机组塔架振动状态计算方法。
技术介绍
风力发电具有经济效益好、清洁、无污染等优点，是目前最有前景的可再生能源之一。近年来，风电机组的技术进步降低了风力发电的成本，也推动了风电项目的快速发展。到目前为止，叶轮直径和塔高已经从几十米增加到120m以上，风电塔架为高柔性结构，工作条件恶劣，塔架除了支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动荷载，其运行状态将直接影响风力发电机组的性能。通过有限元瞬态模拟是研究整个塔架在脉动风载荷和其他外界激励作用下振动特点的有效方法之一，然而该方法存在计算量大，计算效率低的问题。塔架振动状态受诸多不确定因素的影响也使得基于数据驱动的方法得到的分析结果可靠性难以得到保障。通过在塔架上布置超低频加速度传感器实时监测塔架的振动可以避免有限元瞬态模拟带来的计算效率低及基于数据驱动的方法得到的分析结果不可靠等问题，然而该方法仅能得到塔架有限个监点的振动值，不能实现对整个塔架振动状态的监测与分析。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，其可根据塔架有限个振动测点的实时振动值快速计算得到整个塔架的振动状态，具有计算精度高、计算速度快的特点，能满足实时在线计算的要求。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，包括如下步骤：步骤1，建立塔架有限元模型；步骤2，采用有限元法计算得到塔架的前r阶模态及截断模态矩阵φ*；步骤3，采用有限元法计算得到振动测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵步骤4，计算塔架振动状态的主坐标向量xp(t)并得到其最优解xpbest(t)；步骤5，计算整个塔架的振动状态向量X(t)。上述步骤1中，对于风电机组建立有限元模型时，对机组叶片采用集中质量的方式处理，并对机组机舱结构、法兰螺栓结构、门框开口结构进行简化后建立该风电机组塔架的有限元模型。上述步骤4的具体过程是：步骤41，t时刻实时监测得到塔架振动测点处的振动状态向量x(t)由塔架前r阶截断模态矩阵与塔架振动状态的主坐标向量xp(t)表示为：步骤42，由线性代数理论得到xp(t)的最优解xpbest(t)为：其中，上标-1表示逆矩阵，上标T表示转置矩阵。上述步骤5中，根据模态叠加法得到整个塔架振动状态向量X(t)为：其中，上标-1表示逆矩阵，上标T表示转置矩阵，x(t)表示t时刻塔架振动测点处的振动状态向量。其中，振动监测点设置在塔筒连接法兰处及塔筒与顶层机舱连接处。采用上述方案后，本专利技术的优点和效果在于：(1)根据塔架有限个振动监点的实时振动值即可计算得到整个塔架的实时振动状态；(2)计算精度及计算效率能满足实时在线监测的需要。附图说明图1是塔架模型示意图与建模所定义的水平面参考坐标系；图2是塔架振型图；图3是风轮轴向推力时程图；图4是塔架振动状态计算结果示意图；图5是本专利技术的流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案及有益效果进行详细说明。如图5所示，本专利技术提供一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，包括如下步骤：1、塔架有限元模型的建立以某风电场2.0MW风电机组为例，对机组叶片采用集中质量的方式处理，并对机组机舱结构、法兰螺栓结构、门框开口等结构适当简化后建立了该机组塔架的有限元模型。该机组塔架高度为120m，塔架底部直径为4.2m，塔架顶部直径为2.4m，塔筒壁厚为0.15m，塔架由5节塔筒通过法兰螺栓连接成一个整体。表1为塔架金属材料参数，图1为塔架模型示意图与建模所定义的水平面参考坐标系。表12、塔架的前r阶模态及截断模态矩阵φ*的计算3、振动测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵的计算塔架的前r阶模态、截断模态矩阵φ*及振动测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵通过有限元法计算得到。研究结果表明，塔架在脉动风载荷作用下的振动以前两阶振型为主，考虑到计算量及计算精度问题，在后续的计算过程中主要考虑塔架的前四阶振型，即第1至第8阶模态。图2为塔架前8阶模态即前四阶振型图。4、计算塔架振动状态的主坐标向量xp(t)(4-1)t时刻实时监测得到塔架振动测点处的振动状态向量x(t)由塔架前r阶截断模态矩阵与塔架振动状态的主坐标向量xp(t)表示为：(4-2)由线性代数理论可得xp(t)的最优解xpbest(t)为：5、计算整个塔架的振动状态向量X(t)根据模态叠加法可得整个塔架振动状态向量X(t)为：6、仿真分析采用有限元瞬态计算法得到整个塔架在脉动风载荷作用下的实时振动状态，并将瞬态计算结果作为本专利技术计算结果准确性的评价依据。(6-1)脉动风载荷模拟风速的实测统计分析表明，脉动风速可用具有零均值的高斯平稳随机过程模拟，模拟方法主要有谐波合成法和线性滤波器法(AR法)。AR法模拟脉动风速考虑了不同时间点处脉动风速间的相关性，对脉动风速的模拟效果较好，故采用AR法来模拟脉动风速，其模拟的脉动风速时程公式为：式中：X,Y,Z为坐标向量矩阵；p为模型阶数；Δt为模拟风速的时程步长；Ψk为自回归系数矩阵；N(t)为正态分布随机过程。为简化计算，在本实施例中仅考虑了风轮受到的轴向推力。其计算式为：F＝(V∞-Vw)ρAdVd(5)式中V∞为来流风速；Vw为风轮后下游尾流速度；Vd为通过风轮的风速；Ad为风轮扫掠面积。图3为轮毂高度处平均风速取15m/s的情况下根据式(4)、式(5)得出的风轮轴向推力时程图。(6-2)振动监测点的布置振动监测点主要设置在塔筒连接法兰处及塔筒与顶层机舱连接处，共计5层，每层在正X方向和正Y方向各设置一个监测点，共计10个监测点。表2给出了塔架在脉动风载荷作用下监测点处的瞬时振动值模拟结果。表2(6-3)振动状态计算结果图4给出了塔架振动状态计算结果。为便于说明，取塔筒壁X方向的振动状态计算结果进行讨论，并以此为代表来说明本专利技术的效果与优点。由图4可知本专利技术所提供方法与有限元瞬态模拟得到的塔架振动状态结果基本吻合。表3给出了以有限元瞬态模拟结果为标准，本专利技术得出的整个塔架振动状态计算结果的误差均方根。由表3可知本专利技术所提方法计算结果误差均方根最大为0.04mm，说明本专利技术对塔筒振动状态的计算精度较高。表3(6-4)计算效率本专利技术在实际应用时，振动值通过实测得到，需要实时计算的仅有式(3)，诸如模态矩阵的计算可通过离线计算完成，需实时计算的方程为简单的线性代数方程，无需繁杂的迭代计算，因此该方法的计算效率较高，可以实现实时在线分析。以上实施例仅为说明本专利技术的技术思想，不能以此限定本专利技术的保护范围，凡是按照本专利技术提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本专利技术保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，建立塔架有限元模型；步骤2，采用有限元法计算得到塔架的前r阶模态及截断模态矩阵φ*；步骤3，采用有限元法计算得到振动测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵

【技术特征摘要】
1.一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，建立塔架有限元模型；步骤2，采用有限元法计算得到塔架的前r阶模态及截断模态矩阵φ*；步骤3，采用有限元法计算得到振动测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵步骤4，计算塔架振动状态的主坐标向量xp(t)并得到其最优解xpbest(t)；步骤5，计算整个塔架的振动状态向量X(t)。2.如权利要求1所述的一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态计算方法，其特征在于：所述步骤1中，对于风电机组建立有限元模型时，对机组叶片采用集中质量的方式处理，并对机组机舱结构、法兰螺栓结构、门框开口结构进行简化后建立该风电机组塔架的有限元模型。3.如权利要求1所述的一种基于模态叠加法的风电机组塔架振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，孙铁雷，许千寿，邓敏强，邓艾东，朱静，王明春，王珊，孙文卿，
申请(专利权)人：深能南京能源控股有限公司，南京东振测控技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32