CN106126843A

CN106126843A - 一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统

Info

Publication number: CN106126843A
Application number: CN201610505198.8A
Authority: CN
Inventors: 任永; 卢军; 邹荔兵; 张敏敏; 李政; 王超
Original assignee: Guangdong Mingyang Wind Power Group Co Ltd
Current assignee: Mingyang Smart Energy Group Beijing Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: CN106126843B

Abstract

本发明公开了一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，具体为基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理软件，区分有四大模块，分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块。本发明将常见的载荷前后处理过程通过计算程序实现自动化，减少载荷计算人员人工处理的时间与重复性工作，提高载荷前后处理的效率。本发明可实现自动生成基于自定义工况表的载荷计算模型文件，各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出，基于整机系统的各部件设计及流程归纳总结，完成各部件设计载荷的输出，通过程序依据各种工况的评价指标自动对工况进行评价判定，快速判定各工况仿真模型与仿真时序是否正常。

Description

一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组载荷处理技术领域，尤其是指一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统。

背景技术

随着风电行业的规范化与标准化要求，载荷计算评估工作将越来越频繁。风机载荷计算涉及：机组设计认证、塔架设计与校核、叶片设计迭代计算、风场机组选型评估等方面。而一次完整的载荷计算过程包含了载荷的前处理，载荷计算，载荷的后处理三个过程，其中载荷计算过程当前可使用高性能仿真计算平台节省了大量时间，极大地提高了计算效率，但载荷的前后处理依然要人工完成，大量的载荷计算工况与载荷计算数据使前后处理过程异常繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，将常见的载荷前后处理过程通过计算程序实现自动化，减少载荷计算人员人工处理的时间与重复性工作，提高载荷前后处理的效率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，所述系统为基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理软件，区分有四大模块，分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块；其中：

所述Bladed载荷计算前处理模块，包括载荷计算工况文件的自动生成，极端与疲劳后处理文件的自动生成；

所述Bladed载荷后处理模块，包括Bladed计算结果的时序批量输出，各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出；

所述Bladed部件载荷处理模块，基于整机系统的各部件设计及流程归纳总结，完成各部件设计载荷的输出，包括变桨系统载荷，偏航系统载荷，传动链系统载荷，部件(叶根、轮毂、塔顶)分方向极限载荷；

所述Bladed载荷工况自评价模块，通过程序依据各种工况的评价指标自动对工况进行评价判定，快速判定各工况仿真模型与仿真时序是否正常，提高仿真模型与仿真时序校对的效率。

所述Bladed载荷计算前处理中载荷计算工况文件的自动生成流程如下：

1)用户基于风机载荷计算设计规范在Excel中使用预设的方法进行工况定义，在该方法中，程序定义了各种工况仿真中可能需要更改的20种外部条件或自身故障设置，而载荷计算中任何一个工况定义可以看作是对基准模型进行其中1项或多项设置更改，这20项设置如下：①规则波定义②不规则波定义(不包含约束波)③不规则波定义(包含约束波)④洋流定义⑤水深定义⑥方位角定义⑦安全链回路定义⑧正常停机定义⑨变桨故障(永久卡死)定义⑩变桨故障(固定速率变桨)定义变桨故障(突然卡死)定义准静态仿真控制器dll路径控制器参数表路径稳态风定义暂态风定义(无风切变)暂态风定义(有风切变)湍流风定义(由风文件设置湍流强度)湍流风定义(ETM湍流强度)湍流风定义(自定义湍流强度)。每个工况定义指定了这20项的一项或多项，最终形成了用户欲仿真计算所用工况表模板，该工况表模板中工况定义未完全明确，包含了表征边界条件的大量替代符，比如空气密度，参考风速等，针对某个特定标准规范(比如IEC 61400 2nd或GL2010)，可以制成一个对应的工况表模板。

2)基于同一个标准规范，边界条件不同，每个工况的参数定义不同，因此针对某一个特定边界条件，需要生成真正具有明确参数值的可仿真工况表，基于上述的工况表模板，在Matlab前处理程序中读取该工况表，同时结合界面中输入基准模型，风文件路径，以及仿真边界条件Excel，得到xml格式的可仿真工况表，在该工况表中包含了基准模型路径，风文件路径。同时将原表征边界条件的替代符替换为边界条件中指定的边界条件，这样得到的工况表中所有工况的参数设置具有了明确的数值。

3)上述工况表生成后，调用工况生成程序，以工况表为其输入，自动生成对应的工况定义模型文件，其过程为程序依次读取每个工况定义中的特性设置(前述20项设置中一种或几种)，使用对应的子函数进行对应的特性更改，原理为Bladed模型文件格式为文本文件，同时其划分为很多模块，每个模块中每一行定义了一个特性设置，每一行的头一个单词指明了对应的特性，本自动生成程序依次读取基准模型文件中的每一行，当发现该特性为工况定义表中存在的特性，即对该行进行修改，如此对工况表中每个特性均修改完成后，该工况定义模型文件即生成了，可以进行仿真计算。

所述Bladed载荷计算前处理模块中极端与疲劳后处理文件自动生成原理与流程如下：

1)Bladed载荷计算完成后，生成了大量载荷数据，不同类型的载荷存储的不同后缀名文件中，比如三个叶片叶根载荷与轮毂旋转坐标系载荷存储在后缀为.$22文件中，轮毂静止坐标系载荷存储在后缀为$23文件中，偏航坐标系载荷存在后缀为$24文件中，塔架载荷存储在后缀为$25文件。

2)自动生成后处理程序界面输入载荷计算时序所在目录，程序使用递归方法遍历该文件夹及其其下的所有子目录，在每个子目录下搜寻Bladed模型文件(判断条件为：后缀为$PJ)，若发现即将该目录存储同时存储对应的文件名，该文件名表征了对应的工况名称。

3)得到所有工况目录列表与定义工况名称后，自动生成程序即依照Bladed后处理文件格式构造对应的后处理文件，其中极限载荷后处理需要用户提供每个工况类别的安全系数，疲劳载荷后处理需要提供每个工况1年发生的小时数。

所述Bladed载荷后处理模块中时序批量输出流程如下：

Bladed载荷计算中输出的各种类型载荷均有其特定后缀，时序输出程序依据用户指定的载荷类型，查找对应的后缀，再依据该后缀在用户指定的目录下(包括该目录下的所有子目录)进行搜索，查找到一个该后缀的文件，即认为查找到一个工况，再读取该载荷文件，一般为节省空间，该文件格式为二进制格式，使用matlab的二进制文件读取函数fread数据类型选择single即可读取，读取载荷文件中载荷数据前,程序会读取该时序对应的时间列，该列存放在后缀名为$07文件的第2列中，获取完时间列以及用户指定的载荷数据列，该载荷时序即导出为Excel或txt文件之中，依次循环每个目录进行工况查找时序导出，直至所有目录遍历完毕，时序导出结束。

所述Bladed载荷后处理模块中各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出流程如下：

Bladed后处理计算完成后，极限载荷存储了后缀名为.$MX文件中，等效疲劳载荷存储在文件后缀名为$020-$025文件中，载荷提取程序遍历每个目录，查找对应的后缀的文件，一旦发现，即读取该后处理结果数据，同时依据该文件名可判定该载荷类型，读取完数据后，依据该载荷类型，填充到预先定义好的Excel模板中的指定位置，该Excel模板中，定义有主要部件极限载荷，主要部件等效疲劳载荷，塔架极限与疲劳载荷。

所述Bladed部件载荷处理模块中变桨系统载荷处理包括：

1)变桨轴承极限与疲劳载荷，该载荷即为叶片叶根坐标系下的极限与疲劳载荷，使用前述载荷后处理过程提取对应变量的载荷即可，相关变量名为Blade root Mx,Bladeroot My,Blade root Mz,Blade root Mxy,Blade root Fx,Blade root Fy,Blade rootFxy,Blade root Fz其中Blade root Mxy为变桨轴承承受的弯矩，Blade root Mz为变桨驱动承受的扭矩，风机一般有3个叶片，极限载荷取3个叶片中对应载荷最大值输出，疲劳载荷对疲劳时序进行雨流后计算出其等效疲劳载荷，等效疲劳载荷计算公式为：

E q u i v a l e n t L o a d = {(\frac{\underset{i}{Σ} n_{i} S_{i}^{m}}{T f})}^{\frac{1}{m}}

其中:Tf为等效循环次数,S_i为雨流后载荷幅值,n_i为对应cycle数目,m为SN曲线斜率倒数。

2)变桨轴承平均载荷，变桨轴承平均载荷由疲劳载荷工况时序结合每个工况在一年中发生的小时数构成持续20年的总时序，最终统计出各Blade root相关变量在20年风机寿命内的平均值即为变桨轴承平均载荷。

3)变桨轴承内齿圈LDD载荷，对应载荷变量为Blade root Mz,LDD载荷包含各个载荷区间中平均载荷、持续时间与平均速度，处理方法如下：将该载荷时序由载荷最小值到最大值分割成50等分，统计载荷分别出现在每个等分区间的时间与占比，结合桨叶变桨角度，统计出载荷分别出现在每个等分区间时桨叶变桨角度的累加值，由桨叶变桨角度累加值/持续时间得到载荷在每个区间出现时的平均变桨速度，单位转为转/秒。

4)变桨轴承滚道LDD载荷，处理方法与上述类似，只是对应载荷变量为Blade rootMxy。

5)变桨小齿轮扭矩LDD载荷与等效疲劳载荷，变桨小齿轮扭矩与变桨轴承扭矩之间的关系为：

T_{p i n i o n} = \frac{T_{b e a r i n g}}{z 1 / z 2}

其中T_pinion为变桨小齿轮承受扭矩，T_bearing为变桨轴承承受扭矩，在z1为变桨轴承内齿圈齿数，z2为变桨小齿轮齿数，基于此关系，变桨小齿轮LDD载荷中平均载荷与平均速度由变桨轴承扭矩LDD平均载荷经过上式相同比例变换即可，变桨小齿轮LDD中持续时间与变桨轴承扭矩LDD载荷持续时间相同。

6)变桨电机正常运行时平均扭矩与极限扭矩，该载荷由风力机在正常发电(无任何故障触发)状态下的时序提取得到，平均载荷处理方法为首先计算每个风速段时序中变桨摩擦扭矩，变桨摩擦扭矩的计算公式如下：

T_f＝0.006/2*(4.4*M_xy+D*Fz+2.2*1.73*D*Fxy)

其中D为变桨轴承滚珠中心直径。

包含摩擦扭矩后，考虑变桨轴承内齿圈与变桨小齿轮之间的齿轮传动比，变桨减速箱传动比，基于变桨齿轮箱与变桨电机效率，得到变桨电机力矩，公式如下：

T_drive＝(Mz+T_f)/(z1/z2)/ratio/η

其中ratio为变桨减速箱传动比，η为变桨系统效率。

得到变桨电机扭矩时序后，统计其最大值，即得其极限扭矩，统计其平均值与标准偏差，计算其RMS值即为其平均载荷，公式如下：

R M S = \sqrt{T_{m e a n}^{2} + T_{s t d}^{2}}

其中T_mean为载荷平均高值，T_std为载荷标准差。

7)变桨电机削峰扭矩，由于实际变桨电机可以在承受短时尖峰扭矩，因此有必要对扭矩载荷进行削峰处理，削峰处理的过程如下，对每个工况时序，首先查找其最大载荷出现的时刻，再依据削峰时间，比如1s，取前后+-0.5s的载荷时序，再对该总长为1s的时序片段统计其RMS值，即得其削峰载荷，依次对每个工况以上述方法进行处理，取最大值即得该变桨电机削峰扭矩。

所述Bladed部件载荷处理模块中偏航系统载荷处理包括：

1)偏航轴承极限与疲劳载荷，与变桨轴承极限与疲劳载荷处理过程类似，偏航轴承载荷对应变量为Yaw Bearing Mx，Yaw Bearing My，Yaw Bearing Mxy，Yaw Bearing Mz，Yaw Bearing Fx，Yaw Bearing Fy，Yaw Bearing Fxy，Yaw Bearing Fz,其中Yaw BearingMxy为变桨轴承滚道承受弯矩，Yaw Bearing Mz为变桨驱动承受扭矩。

2)偏航扭矩与偏航轴承滚道LDD载荷,与变桨轴承处理过程类似。

3)偏航驱动小齿轮LDD载荷与等效疲劳载荷，与变桨轴承处理过程类似。

所述Bladed部件载荷处理模块中传动链系统载荷处理包括：

1)传动链扭矩极限与疲劳载荷，传动链扭矩对应变量为旋转坐标系的Mx载荷，变量为LSS Torque,极限与疲劳载荷处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同。

2)传动链低速轴端与高速轴端LDD载荷与载荷谱，传动链低速轴端扭矩对应变量为LSS Torque,高速轴端扭矩对应变量为HSS Torque,LDD载荷与载荷谱处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同。

3)传动链高速轴端马尔科夫矩阵，计算等效疲劳过程中，雨流得到了每个载荷时序对应的载荷幅值，平均值与雨流循环次数，将载荷幅值与平均值为坐标轴，雨流循环次数作为对应值，得到的二维表即为马尔科夫矩阵。

所述Bladed部件载荷处理模块中部件分方向极限载荷处理具体如下：

将一圈360度平均分割为15度区间，即0-15度为第一个区间，15-30度为第二个区间依次类推，可以得到24个等分区间，然后以叶根为例，由叶根载荷Mx与My计算出叶根合弯矩Mxy的具体方位落在这24个区间中的哪一个，再将该载荷存储在对应的位置，将时序中每一个时刻依次分配到24个区间中的一个，最终统计得到24个区间中每个区间的最大值。

另需要将时序中轮毂中心坐标系下的载荷转移到轮毂与主轴端面位置，公式如下：

\{\begin{matrix} M_{y}^{,} = M_{y} + F_{z} d \\ M_{z}^{,} = M_{z} - F_{y} d \end{matrix}

其中My,Mz,Fy,Fz为轮毂中心处载荷,My’,Mz’为轮毂与主轴端面中心位置载荷，d为两点之间距离。

所述Bladed载荷工况自评价模块通过对载荷计算模型与最终计算时序依据模型与时序中一些关键指标进行程序自动评价判断，提高载荷计算结果校对的效率。

其中模型评估部分主要的评价指标有：叶片Flapwise，Edgewise各阶频率，塔架for-aft,side-to-side各阶频率，齿轮箱变比，发电机转动惯量，低速轴扭转刚度，控制器通讯步长，安全链变桨速率。程序评估的过程为首先将以上正确的参数值定义在Excel表中，再评估程序依次读取每个工况中后缀为$VE的文件(该文件列出了该工况计算时模型中的主要参数设定)中特定项，若发现有某一项与正确的参数有异，即认为模型定义有误。

其中工况时序评估部分主要评价方法为评估该工况的运行逻辑时候与控制策略一致，具体包括，正常发电控制逻辑是否一致，正常停机控制逻辑是否一致，偏航超限停机逻辑是否一致，软件超速停机逻辑是否一致，硬件超速停机逻辑是否一致，电网掉电停机逻辑是否一致，方法如下：

1)正常发电控制逻辑评估，正常发电工况必须符合正常发电控制逻辑，具体指标为整个时序过程中发电机转速与功率须大于0，发电机转速不能超过软件超速设定值，机械刹车不能启动，桨叶变桨速率不能超过最大变桨速率。

2)正常停机控制逻辑评估，正常停机工况须符合正常停机逻辑，具体指标为停机完成风轮转速须降到1rpm之下，发电机转速不能超过软件超速设定值，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完成(桨叶角度在88-92度之间)，最终变桨停机速率与正常停机变桨速率相同。

3)偏航超限停机逻辑评估，偏航超限运行工况须符合偏航超限停机逻辑，具体指标为整个时序，停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完成(桨叶角度在88-92度之间)，最终变桨停机速率为偏航超限停机变桨速率。

4)软件超速停机逻辑评估，在阵风工况，软件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑，判定方法为发电机转速是否超过软件超速设定值，此时须满足停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完成(桨叶角度在88-92度之间)，最终变桨停机速率为快速停机变桨速率。

5)硬件超速停机逻辑评估，在阵风工况或硬件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑，判定方法为发电机转速是否超过硬件超速设定值，此时须满足停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车需要启动，桨叶最终须顺桨完成(桨叶角度在88-92度之间)，最终变桨停机速率为安全链停机变桨速率。

6)电网掉电停机逻辑评估，在发电机转速未超过硬件超速设定值时，电网掉电工况须符合电网掉电停机逻辑，具体指标为：停机完成后风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不能启动，桨叶最终须顺桨完成(桨叶角度在88-92度之间)，最终变桨停机速率为电网掉电变桨速率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明用户可以依据任意一种风机载荷计算标准规范(一般为IEC61400或GL规范)，自定义一套完整载荷计算工况表，程序会自动生成对应的载荷计算模型文件，兼顾了使用的灵活便利与功能的完备，提高了载荷计算的效率，同时减少了人工生成时的出错率。

3、本发明依据不同工况应有的表现，制定了工况判定的具体指标，并使用程序实现自动判定，将人工检查的过程程序化，提高了效率。

2、本发明基本涵盖了载荷计算前后处理的全部流程，统一载荷计算工程师的计算设置习惯，有利于载荷计算全过程的标准化、流程化工作，提高载荷计算内部管理。

附图说明

图1为Bladed风机载荷处理系统主界面。

图2为二级界面-自动生成载荷计算工况文件界面图。

图3为二级界面-自动生成极端与疲劳后处理文件界面图。

图4为二级界面-载荷时序导出界面图。

图5为二级界面-提取极端与疲劳后处理载荷界面图。

图6为二级界面-三大系统载荷提取界面图。

图7为二级界面-分方向部件极限载荷提取界面图。

图8为二级界面-载荷模型与工况自评价界面图。

图9为二级界面-变桨载荷削峰处理界面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，具体是基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理软件，区分有四大模块，分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块；其中：

所述载荷计算工况文件的自动生成基于计算所使用的基准Bladed整机模型、风况边界条件、风文件路径以及外部控制器相关参数，依据定制好的工况表，自动生成对应工况表下的工况模型文件；

如图2所示，界面中需要输入的内容如下：

基准Bladed模型：选择Bladed模型文件(.prj或.$PJ文件)。

边界条件Excel：选择边界Excel文件。

风文件目录：选择风文件总目录，其与工况定义XML文件之中的风文件相对路径结合，得到每个工况风文件的绝对路径。

工况定义XML文件:工况表模板，每个标准规范可以生成一个对应的工况表模板，该工况表模板结合边界条件Excel表得到最终的实际工况表。

工况列表：该列表由读取工况定义XML获得，可以根据需要选择生成部分工况。

所述极端与疲劳后处理文件包括提取极端与疲劳载荷的后处理文件，及基于已经生成的计算文件以及极端载荷提取所需的工况安全系数、疲劳载荷提取所需的工况小时数自动生成提取叶根、轮毂、偏航轴承、塔底载荷后处理文件；

如图3所示，界面中需要输入的内容如下：

时序目录：选择计算文件中run目录，程序会自动遍历该文件夹下的所有子目录。

输出目录：在该目录下生成后处理文件目录和后处理文件.

极限载荷提取类别：1)叶根载荷-叶片合并2)轮毂中心旋转坐标系3)叶根载荷-叶片不合并4)轮毂中心静止坐标系5)偏航轴承6)风轮最大转速7)塔架截面载荷8)塔架净空9)叶片截面载荷Root坐标系10)叶片截面载荷Principal坐标系

疲劳载荷提取类别：1)叶根载荷2)轮毂中心旋转坐标系3)轮毂中心静止坐标系4)偏航轴承坐标系5)塔架截面载荷6)叶片截面载荷Root坐标系7)叶片截面载荷Principal坐标系

循环次数：一般为1e7或1e8,

寿命：风机寿命一般为20年

雨流bin数目：雨流划分bin的数目，一般为128

M值范围：需要计算等效疲劳载荷的m值范围，最多10个数

安全系数与小时数Excel：该Excel提供了极限载荷后处理所需的安全系数与疲劳载荷后处理所需的工况小时数

所述后处理部分包括Bladed计算结果的时序批量输出模块、极限与疲劳载荷自动提取模块，其中：

所述Bladed计算结果的时序批量输出模块在Bladed载荷计算完成后能够自动输出指定信号在某个目录下的所有计算工况的时序，以excel或bladed原始形式输出，用于整机各部件疲劳损伤的分析工作；

如图4所示，界面中需要输入的内容如下：

Bladed时序文件目录:指定时序文件目录，程序会递归遍历该目录下所有子目录查找所有工况时序。

时序导出目录:存储导出Excel或txt文件。

数据组:与Bladed一致，存储了载荷计算得到的数据组。

变量列表:选择数据组中的一项后，变量列表会显示对应的变量，从中选择需要导出的变量到导出变量列表。

导出变量列表:该列表的变量为用户选择的需要导出的变量。

截面:对于部分变量为塔架与叶片截面载荷，需要指定其所处截面位置。

全部设置完成后，可以选择导出Excel格式或Bladed原始格式输出。

所述极限与疲劳载荷自动提取模块在Bladed后处理计算完成后，自动提取对应的极端与疲劳载荷，特别是极端载荷中的叶片与塔架截面载荷自动提取以及疲劳载荷提取中马尔科夫矩阵的提取大大提高了处理效率。载荷提取完成后，所有载荷自动输出在同一标准模板格式的Excel之中；

如图5所示，界面中需要输入的内容如下:

后处理文件目录：选择后处理目录，里面包含计算完成的后处理结果.

Excel模板文件：载荷自动提取模块会将后处理结果中的载荷数据自动填充到该Excel模板中的对应位置.

所述部件规范处理部分，包括：

变桨系统载荷处理，包括变桨轴承载荷、变桨驱动载荷、变桨齿轮箱载荷处理等；

偏航系统载荷处理，包括偏航轴承载荷、偏航驱动载荷处理等；

传动链系统载荷处理，包括低速轴LDD载荷、低速轴载荷谱、高速轴LDD载荷、高速轴载荷谱处理等。

如图6所示，截面中需要输入的内容如下：

后处理目录:选择后处理目录，里面包含计算完成的后处理结果.

输出Excel模板:载荷自动提取模块会将后处理结果中的载荷数据自动填充到该Excel模板中的对应位置.

正常发电工况目录:在计算变桨电机额定转矩需要正常发电工况，这里指明对应的目录

传动系统:无参数需要输入

偏航系统:需要输入的参数如下偏航轴承滚珠分度圆直径，偏航速率，偏航内齿圈齿数，偏航驱动小齿轮齿数，偏航驱动数目

变桨系统：需要输入变桨轴承滚珠分度圆直径，变桨减速机传动比，变桨内齿圈齿数，变桨驱动小齿轮齿数，变桨减速机效率。

所述Bladed部件载荷处理模块中部件分方向极限载荷处理具体如下:

\{\begin{matrix} M_{y}^{,} = M_{y} + F_{z} d \\ M_{z}^{,} = M_{z} - F_{y} d \end{matrix}

如图7所示，界面输入的内容如下:

时序目录:指定载荷计算时序目录，程序会遍历该文件夹下的所有工况

输出Excel文件:最终分方向的载荷会填充到该Excel模板之中

安全系数Excel:提供各种工况类别对应的安全系数

叶根载荷:无参数输入

轮毂主轴连接螺栓载荷：需要输入轮毂中心距离轮毂主轴端面距离用于将轮毂中心处载荷转换到轮毂主轴端面位置。

塔顶载荷：需要输入塔架截面数目，程序据此确定塔顶截面载荷在塔架载荷文件的位置。

所述载荷工况自评价模块通过对载荷计算模型与最终计算时序依据模型与时序中一些关键指标进行程序自动评价判断，提高载荷计算结果校对的效率。

其中模型评估部分主要的评价指标有：叶片Flapwise，Edgewise各阶频率，塔架for-aft,side-to-side各阶频率，齿轮箱变比，发电机转动惯量，低速轴扭转刚度，控制器通讯步长，安全链变桨速率。

其中工况时序评估部分主要评价方法为评估该工况的运行逻辑时候与控制策略一致，具体包括，正常发电控制逻辑是否一致，正常停机控制逻辑是否一致，偏航超限停机逻辑是否一致，软件超速停机逻辑是否一致，硬件超速停机逻辑是否一致，电网掉电停机逻辑是否一致

如图8所示，输入的内容如下:

时序目录:需要进行校对的Bladed载荷计算时序目录，程序会自动遍历该目录下的每一个子目录。

输出目录:模型与时序的评估结果会输出在该目录下

边界条件Excel:该Excel存储有正确的模型设置，程序会读取该Excel，同模型中设置进行比对，若不同，则认为模型设置有误

仿真参数：包括控制器最大变桨速率，na转速(硬件超速转速)，时序采样周期，齿轮箱变比，n4转速(软件超速转速),刹车力矩，紧急停机开始时间，紧急停机变桨速率，正常停机变桨速率，快速停机变桨速率，电网掉电停机速率，偏航超限停机变桨速率。

设置完成后，点击提取，程序会依据边界条件Excel中定义的正确模型参数与时序模型进行一一比对，进而判断模型设置是否有误，然后，依据用户指定的仿真参数与时序进行比对，不同类型的工况，具有不同指标。具体如下：

所述变桨电机扭矩处理，由于实际变桨电机可以在承受短时尖峰扭矩，因此有必要对扭矩载荷进行削峰处理，削峰处理的过程如下，对每个工况时序，首先查找其最大载荷出现的时刻，再依据削峰时间，比如1s，取前后+-0.5s的载荷时序，再对该总长为1s的时序片段统计其RMS值，即得其削峰载荷，依次对每个工况以上述方法进行处理，取最大值即得该变桨电机削峰扭矩。

如图9所示，界面输入的内容如下：

时序目录：指定载荷计算时序目录，程序会遍历该文件夹下的所有工况

输出Excel文件：最终削峰载荷会填充到该Excel模板对应位置之中

变桨系统参数：变桨轴承滚珠分度圆直径，变桨小齿轮齿数，变桨大齿轮齿数，变桨齿轮箱变比，齿轮箱效率，削峰时间，这些参数用于将叶根轴承考虑摩擦力矩后转为电机端驱动力矩。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：所述系统为基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理软件，区分有四大模块，分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块；其中：

所述Bladed部件载荷处理模块，基于整机系统的各部件设计及流程归纳总结，完成各部件设计载荷的输出，包括变桨系统载荷、偏航系统载荷、传动链系统载荷、部件分方向极限载荷；

2.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：

所述Bladed载荷计算前处理模块中载荷计算工况文件的自动生成流程如下：

1)用户基于风机载荷计算设计规范在Excel中使用预设的方法进行工况定义，在该方法中，程序定义了各种工况仿真中可能需要更改的20种外部条件或自身故障设置，而载荷计算中任何一个工况定义都能够看作是对基准模型进行其中一项或多项设置更改，这20项设置如下：①规则波定义；②不规则波定义，不包含约束波；③不规则波定义，包含约束波；④洋流定义；⑤水深定义；⑥方位角定义；⑦安全链回路定义；⑧正常停机定义；⑨永久卡死定义；⑩固定速率变桨定义；突然卡死定义；准静态仿真；控制器dll路径；控制器参数表路径；稳态风定义；无风切变；有风切变；由风文件设置湍流强度；ETM湍流强度；自定义湍流强度；每个工况定义指定了这20项的一项或多项，最终形成了用户欲仿真计算所用工况表模板。

2)基于同一个标准规范，边界条件不同，每个工况的参数定义不同，因此针对某一个特定边界条件，需要生成真正具有明确参数值的可仿真工况表，基于上述的工况表模板，在Matlab前处理程序中读取该工况表，同时结合界面中输入基准模型，风文件路径，以及仿真边界条件Excel，得到xml格式的可仿真工况表，在该工况表中包含了基准模型路径，风文件路径；同时将原表征边界条件的替代符替换为边界条件中指定的边界条件，这样得到的工况表中所有工况的参数设置具有了明确的数值；

3)上述工况表生成后，调用工况生成程序，以工况表为其输入，自动生成对应的工况定义模型文件，其过程为程序依次读取每个工况定义中的特性设置，具体是前述20项设置中一种或几种，使用对应的子函数进行对应的特性更改，原理为Bladed模型文件格式为文本文件，同时其划分为很多模块，每个模块中每一行定义了一个特性设置，每一行的头一个单词指明了对应的特性，依次读取基准模型文件中的每一行，当发现该特性为工况定义表中存在的特性，即对该行进行修改，如此对工况表中每个特性均修改完成后，该工况定义模型文件即生成了，就能够进行仿真计算。

3.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：

1)Bladed载荷计算完成后，生成大量载荷数据，不同类型的载荷存储的不同后缀名文件中；

2)自动生成后处理程序界面输入载荷计算时序所在目录，程序使用递归方法遍历该文件夹及其其下的所有子目录，在每个子目录下搜寻Bladed模型文件，若发现即将该目录存储同时存储对应的文件名，该文件名表征了对应的工况名称；

4.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：

所述Bladed载荷后处理模块中时序批量输出流程如下：

Bladed载荷计算中输出的各种类型载荷均有其特定后缀，时序输出程序依据用户指定的载荷类型，查找对应的后缀，再依据该后缀在用户指定的目录下进行搜索，查找到一个该后缀的文件，即认为查找到一个工况，再读取该载荷文件，通常该文件格式为二进制格式，使用matlab的二进制文件读取函数fread数据类型选择single即可读取，读取载荷文件中载荷数据前，程序会读取该时序对应的时间列，获取完时间列以及用户指定的载荷数据列，该载荷时序即导出为Excel或txt文件之中，依次循环每个目录进行工况查找时序导出，直至所有目录遍历完毕，时序导出结束。

5.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：

Bladed后处理计算完成后，极限载荷存储了所需后缀名文件中，等效疲劳载荷存储在相应后缀名文件中，载荷提取程序遍历每个目录，查找对应的后缀的文件，一旦发现，即读取该后处理结果数据，同时依据该文件名可判定该载荷类型，读取完数据后，依据该载荷类型，填充到预先定义好的Excel模板中的指定位置，该Excel模板中，定义有主要部件极限载荷，主要部件等效疲劳载荷，塔架极限与疲劳载荷。

6.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于，所述Bladed部件载荷处理模块中变桨系统载荷处理包括：

1)变桨轴承极限与疲劳载荷，该载荷即为叶片叶根坐标系下的极限与疲劳载荷，使用前述载荷后处理过程提取对应变量的载荷即可，相关变量名为Blade root Mx,Blade rootMy,Blade root Mz,Blade root Mxy,Blade root Fx,Blade root Fy,Blade root Fxy,Blade root Fz其中Blade root Mxy为变桨轴承承受的弯矩，Blade root Mz为变桨驱动承受的扭矩，风机通常有3个叶片，极限载荷取3个叶片中对应载荷最大值输出，疲劳载荷对疲劳时序进行雨流后计算出其等效疲劳载荷，等效疲劳载荷计算公式为：

E q u i v a l e n t L o a d = {(\frac{\underset{i}{Σ} n_{i} S_{i}^{m}}{T f})}^{\frac{1}{m}}

其中，Tf为等效循环次数,S_i为雨流后载荷幅值,n_i为对应cycle数目,m为SN曲线斜率倒数；

2)变桨轴承平均载荷，该变桨轴承平均载荷由疲劳载荷工况时序结合每个工况在一年中发生的小时数构成持续20年的总时序，最终统计出各Blade root相关变量在20年风机寿命内的平均值即为变桨轴承平均载荷；

3)变桨轴承内齿圈LDD载荷，对应载荷变量为Blade root Mz,LDD载荷包含各个载荷区间中平均载荷、持续时间与平均速度，处理方法为：将该载荷时序由载荷最小值到最大值分割成50等分，统计载荷分别出现在每个等分区间的时间与占比，结合桨叶变桨角度，统计出载荷分别出现在每个等分区间时桨叶变桨角度的累加值，由桨叶变桨角度累加值/持续时间得到载荷在每个区间出现时的平均变桨速度，单位转为转/秒；

4)变桨轴承滚道LDD载荷，处理方法与上述类似，只是对应载荷变量为Blade rootMxy；

T_{p i n i o n} = \frac{T_{b e a r i n g}}{z 1 / z 2}

其中，T_pinion为变桨小齿轮承受扭矩，T_bearing为变桨轴承承受扭矩，在z1为变桨轴承内齿圈齿数，z2为变桨小齿轮齿数，基于此关系，变桨小齿轮LDD载荷中平均载荷与平均速度由变桨轴承扭矩LDD平均载荷经过上式相同比例变换即可，变桨小齿轮LDD中持续时间与变桨轴承扭矩LDD载荷持续时间相同；

6)变桨电机正常运行时平均扭矩与极限扭矩，该载荷由风力机在正常发电状态下的时序提取得到，平均载荷处理方法为首先计算每个风速段时序中变桨摩擦扭矩，变桨摩擦扭矩的计算公式如下：

T_f＝0.006/2*(4.4*M_xy+D*Fz+2.2*1.73*D*Fxy)

其中，D为变桨轴承滚珠中心直径；

T_drive＝(Mz+T_f)/(z1/z2)/ratio/η

其中，ratio为变桨减速箱传动比，η为变桨系统效率；

R M S = \sqrt{T_{m e a n}^{2} + T_{s t d}^{2}}

其中，T_mean为载荷平均高值，T_std为载荷标准差；

7)变桨电机削峰扭矩，由于实际变桨电机在承受短时尖峰扭矩，因此有必要对扭矩载荷进行削峰处理，削峰处理的过程为：对每个工况时序，首先查找其最大载荷出现的时刻，再依据削峰时间，统计相应RMS值，即得其削峰载荷，依次对每个工况以上述方法进行处理，取最大值即得该变桨电机削峰扭矩；

所述Bladed部件载荷处理模块中偏航系统载荷处理包括：

1)偏航轴承极限与疲劳载荷，与变桨轴承极限与疲劳载荷处理过程类似，偏航轴承载荷对应变量为Yaw Bearing Mx，Yaw Bearing My，Yaw Bearing Mxy，Yaw Bearing Mz，YawBearing Fx，Yaw Bearing Fy，Yaw Bearing Fxy，Yaw Bearing Fz,其中Yaw Bearing Mxy为变桨轴承滚道承受弯矩，Yaw Bearing Mz为变桨驱动承受扭矩；

2)偏航扭矩与偏航轴承滚道LDD载荷,与变桨轴承处理过程类似；

3)偏航驱动小齿轮LDD载荷与等效疲劳载荷，与变桨轴承处理过程类似；

所述Bladed部件载荷处理模块中传动链系统载荷处理包括：

1)传动链扭矩极限与疲劳载荷，传动链扭矩对应变量为旋转坐标系的Mx载荷，变量为LSS Torque,极限与疲劳载荷处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同；

2)传动链低速轴端与高速轴端LDD载荷与载荷谱，传动链低速轴端扭矩对应变量为LSSTorque,高速轴端扭矩对应变量为HSS Torque,LDD载荷与载荷谱处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同；

3)传动链高速轴端马尔科夫矩阵，计算等效疲劳过程中，雨流得到了每个载荷时序对应的载荷幅值，平均值与雨流循环次数，将载荷幅值与平均值为坐标轴，雨流循环次数作为对应值，得到的二维表即为马尔科夫矩阵；

将一圈360度平均分割为15度区间，即0-15度为第一个区间，15-30度为第二个区间依次类推，能够得到24个等分区间，再将载荷存储在对应的位置，将时序中每一个时刻依次分配到24个区间中的一个，最终统计得到24个区间中每个区间的最大值；

\{\begin{matrix} M_{y}^{,} = M_{y} + F_{z} d \\ M_{z}^{,} = M_{z} - F_{y} d \end{matrix}

其中，My,Mz,Fy,Fz为轮毂中心处载荷,My’,Mz’为轮毂与主轴端面中心位置载荷，d为两点之间距离。

7.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统，其特征在于：

所述Bladed载荷工况自评价模块通过对载荷计算模型与最终计算时序依据模型与时序中一些关键指标进行程序自动评价判断，提高载荷计算结果校对的效率；

其中，模型评估部分主要的评价指标有：叶片Flapwise，Edgewise各阶频率，塔架for-aft,side-to-side各阶频率，齿轮箱变比，发电机转动惯量，低速轴扭转刚度，控制器通讯步长，安全链变桨速率；程序评估的过程为：首先将以上正确的参数值定义在Excel表中，再评估程序依次读取每个工况中后缀为$VE的文件中特定项，若发现有某一项与正确的参数有异，即认为模型定义有误；

其中，工况时序评估部分主要评价方法为评估该工况的运行逻辑时候与控制策略一致，具体包括，正常发电控制逻辑是否一致，正常停机控制逻辑是否一致，偏航超限停机逻辑是否一致，软件超速停机逻辑是否一致，硬件超速停机逻辑是否一致，电网掉电停机逻辑是否一致，方法如下：

1)正常发电控制逻辑评估，正常发电工况必须符合正常发电控制逻辑，具体指标为整个时序过程中发电机转速与功率须大于0，发电机转速不能超过软件超速设定值，机械刹车不能启动，桨叶变桨速率不能超过最大变桨速率；

2)正常停机控制逻辑评估，正常停机工况须符合正常停机逻辑，具体指标为停机完成风轮转速须降到1rpm之下，发电机转速不能超过软件超速设定值，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完，桨叶角度在88-92度之间，最终变桨停机速率与正常停机变桨速率相同；

3)偏航超限停机逻辑评估，偏航超限运行工况须符合偏航超限停机逻辑，具体指标为整个时序，停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完成，桨叶角度在88-92度之间，最终变桨停机速率为偏航超限停机变桨速率；

4)软件超速停机逻辑评估，在阵风工况，软件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑，判定方法为发电机转速是否超过软件超速设定值，此时须满足停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不启动，桨叶最终须顺桨完成，桨叶角度在88-92度之间，最终变桨停机速率为快速停机变桨速率；

5)硬件超速停机逻辑评估，在阵风工况或硬件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑，判定方法为发电机转速是否超过硬件超速设定值，此时须满足停机完成风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车需要启动，桨叶最终须顺桨完成，桨叶角度在88-92度之间，最终变桨停机速率为安全链停机变桨速率；

6)电网掉电停机逻辑评估，在发电机转速未超过硬件超速设定值时，电网掉电工况须符合电网掉电停机逻辑，具体指标为：停机完成后风轮转速须降到1rpm之下，机械刹车不能启动，桨叶最终须顺桨完成，桨叶角度在88-92度之间，最终变桨停机速率为电网掉电变桨速率。