【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风力发电，具体涉及一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法。
技术介绍
1、为适应风电产业平价上网政策的要求，风电机组设计开发在不断突破原有设计方法和设计边界，以期实现产品性能的提升和成本的降低。在此行业发展和产品技术突飞猛进的大背景下，如实时掌握风电机组服役状态下叶片、塔筒等关键部件的受载状态，可实现对机组性能和状态的准确评估，从而避免异常疲劳超限或极端超载事件的发生，并能指导寿命计算和机组运行优化。
2、现有技术中基于实测结果的部件疲劳寿命预测，由于需要直接传感信号的参与，受成本和安装条件的限制不具备批量的可行性；基于数字化仿真模型的部件疲劳寿命预测，通过风况进行疲劳寿命拟合评估，由于考虑数据维度有限，以及现场风况测量的偏差，对于超设计的实际工况，不能较为准确的反应部件疲劳载荷。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术要解决的问题是提供一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，解决单纯基于实测载荷或仿真模型预测疲劳寿命的弊端，均衡硬件投入和评估精度，实现对机组状态更加全面有效的估计。
2、本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：本专利技术提供一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，包括如下步骤：
3、获取叶片设计参数以及机组运行参数；
4、基于获取的叶片参数采用叶素动量理论方法进行叶片弯矩系数求解；
5、基于叶片弯矩系数以及获取的机组运行参数构建叶片弯矩系数矩阵；
6、
7、基于叶片弯矩矩阵进行叶根载荷坐标转换，并进行叶片有效风速求解；
8、基于叶片有效风速实时计算叶片推力；
9、构架塔筒动力学建模，以此对塔筒进行动力学方程建模并进行求解；
10、基于塔筒动力学方程进行运动-载荷转换得到各截面弯矩载荷。
11、进一步，所述叶片设置参数包括叶片外形尺寸和翼形气动参数，所述机组运行参数包括叶根载荷以及机组状态量。
12、进一步，所述叶片弯矩系数求解，包括：
13、采用叶素动量理论方法基于叶片参数分别计算叶片各个叶素单元弯矩载荷，再沿叶片翼展方向进行累积积分，除以风轮面压力矩；即，其中，cm为叶片弯矩系数，fx*dr为叶片叶素单位面外方向推力，r为叶片叶素单位距离叶根距离，ρ为空气密度，a为风轮扫风面积，v为稳态风速，r为风轮半径。
14、根据权利要求3所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，在进行叶片弯矩系数计算时需要覆盖机组运行可能出现的叶尖速比和桨距角范围，并构建关于叶尖尖速比和桨距角的二维弯矩系数矩阵。
15、进一步，所述叶尖弯矩矩阵为关于叶尖速比、转速、桨距角的三维矩阵；其中，vbe为叶片等效风速，γ为叶尖速比，ω为风轮转速。
16、进一步，叶片有效风速求解，包括：将叶根位置实测叶片截面坐标系载荷坐标转换到叶根坐标系；
17、
18、my_root_a＝my_root-my_root_g；
19、其中，mx_root和my_root分别为叶根位置叶片坐标系挥舞和摆振方向弯矩载荷，my_root_a为叶根坐标系面外纯气动弯矩载荷，my_root_g为叶根坐标系面外重力(分量)弯矩载荷；
20、对my_root_a载荷在三维弯矩矩阵上进行插值得到目标叶尖速比和叶片有效风速。
21、进一步，所述计算叶片推力，包括：三支叶片叶根位置推力和弯矩载荷my_root1、my_root2、my_root3通过坐标转换转至塔顶固定坐标系，塔顶位置所承受的弯矩外载还需要机舱自重产生的重力距，合成后得到塔顶位置外载推力f_towertop和弯矩my_towertop。
22、进一步，构建塔筒动力学建模，包括：
23、采用有限元单位法将塔筒离散成n个梁单元，将相邻梁单元首尾相连，共享节点位移；
24、单个梁单元的质量矩阵、刚度矩阵及对应位移向量分别为下式：
25、
26、
27、
28、其中，ρe为单元质量密度，l为单元长度，e为杨氏模量，i为单元截面惯性矩，d1和分别为节点1的平动和转动位移，d2和分别为节点2的平动和转动位移，a为风轮扫风面积，t为矩阵转置；
29、依次求得各梁单位质量和刚度矩阵，在顺序组装求得动力学方程：其中f(t)为塔顶位置节点力f_towertop和节点弯矩m_towertop。
30、进一步，基于塔筒各节点运动位移量计算得到塔筒各截面弯矩载荷：其中，mi为第i个节点处弯矩，ki为第i个节点弯曲刚度，x(k)＝[x1(k)…xi(k)…xn(k)]t为塔筒各节点平动位移，li为第i个梁单元的长度，li+1为第i+1个梁单元的长度。
31、由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，包括如下步骤：获取叶片设计参数以及机组运行参数；基于获取的叶片参数采用叶素动量理论方法进行叶片弯矩系数求解；基于叶片弯矩系数以及获取的机组运行参数构建叶片弯矩系数矩阵；基于叶片弯矩系数矩阵构建叶片弯矩矩阵；基于叶片弯矩矩阵进行叶根载荷坐标转换，并进行叶片有效风速求解；基于叶片有效风速实时计算叶片推力；构架塔筒动力学建模，以此对塔筒进行动力学方程建模并进行求解；基于塔筒动力学方程进行运动-载荷转换得到各截面弯矩载荷。由数字化风电机组模型建立监测位置载荷与更多关键位置载荷的映射关系，实现由“一点到多点”的载荷估计，解决单纯基于实测载荷或仿真模型预测疲劳寿命的弊端，均衡硬件投入和评估精度，实现对机组状态更加全面有效的估计。
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1.一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶片设置参数包括叶片外形尺寸和翼形气动参数，所述机组运行参数包括叶根载荷以及机组状态量。
3.根据权利要求1所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶片弯矩系数求解，包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，在进行叶片弯矩系数计算时需要覆盖机组运行可能出现的叶尖速比和桨距角范围，并构建关于叶尖尖速比和桨距角的二维弯矩系数矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶尖弯矩矩阵为关于叶尖速比、转速、桨距角的三维矩阵；其中，vBE为叶片等效风速，γ为叶尖速比，ω为风轮转速。
6.根据权利要求5所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，叶片有效风速求解，包括：将叶根位置实测叶片截面坐标系载荷坐标转换到叶根坐标
7.根据权利要求6所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述计算叶片推力，包括：三支叶片叶根位置推力和弯矩载荷My_root1、My_root2、My_root3通过坐标转换转至塔顶固定坐标系，塔顶位置所承受的弯矩外载还需要机舱自重产生的重力距，合成后得到塔顶位置外载推力F_towertop和弯矩My_towertop。
8.根据权利要求7所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，构建塔筒动力学建模，包括：
9.根据权利要求8所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，基于塔筒各节点运动位移量计算得到塔筒各截面弯矩载荷：其中，Mi为第i个节点处弯矩，ki为第i个节点弯曲刚度，X(k)＝[X1(k) … Xi(k) … XN(k)]T为塔筒各节点平动位移，li为第i个梁单元的长度，li+1为第i+1个梁单元的长度。
...【技术特征摘要】
1.一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶片设置参数包括叶片外形尺寸和翼形气动参数，所述机组运行参数包括叶根载荷以及机组状态量。
3.根据权利要求1所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶片弯矩系数求解，包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，在进行叶片弯矩系数计算时需要覆盖机组运行可能出现的叶尖速比和桨距角范围，并构建关于叶尖尖速比和桨距角的二维弯矩系数矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在于，所述叶尖弯矩矩阵为关于叶尖速比、转速、桨距角的三维矩阵；其中，vbe为叶片等效风速，γ为叶尖速比，ω为风轮转速。
6.根据权利要求5所述的一种基于叶根载荷测量的风电机组塔筒载荷估计方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：宫伟，陈海军，张锐，周大鹏，傅新鸿，和亚军，
申请(专利权)人：中船海装风电有限公司，
类型：发明
国别省市：
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