CN111488678B - 一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统及方法，系统包括依次相连的传感器、数据采集站、CPU和无线信号发射器，所述CPU分别与声光报警器、电源相连，所述无线信号发射器与终端远程无线连接。方法：将风电机组塔架沿圆周划分为p个区域；使用系统传感器采集数据；进行角度合成计算；计算塔架截面位移变化量；计算塔架截面中各方位受力；计算塔架圆周方向各区域的累积疲劳值；塔架累计疲劳损伤值和剩余寿命预知。上述方案实时在线评估风电机组塔架圆周方向各区域的累积疲劳损伤值Dp，根据Dp中的最大值Dr预估风电机组塔架的剩余寿命，长期在线测得风电机组塔架承受的载荷数据，并且具备施工方便，成本低廉且维护便捷的优点。

Description

一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统及方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统及方法。
背景技术
有资料显示，随着风力发电机组装机量的大幅增长，优质风资源区域被开发殆尽，为了更好的开发利用低风速区风力资源，风力发电开发商及整机制造商投入了大量的科研力量研发高塔架甚至超高塔架、柔性塔架、钢-混凝土混合塔架。随着高塔、超高塔、柔塔、钢-混凝土混合塔架的不断投入运行，风电机组塔架结构健康状态逐渐的成为行业关注的焦点。风电机组塔架也渐渐发展到轮毂高度达到甚至超过160米，风载荷对其的影响越发明显。风载荷会迫使风电机组塔架产生疲劳损伤乃至倒塌，目前塔架的设计多数都是基于S-N曲线和线性累积损伤法则来评估风电机组塔架的疲劳损伤。
中国专利文献CN110895621A公开了一种“确定风电机组的塔架环焊缝的疲劳损伤的方法和装置”。采用了方法包括：计算塔架环焊缝的截面在不同方向的预定单位载荷作用下的应力；提取预定工况下的所述不同方向中的每个方向上的疲劳时序载荷；将每个方向上的疲劳时序载荷在塔架圆周方向上进行投影，以得到与每个方向上的疲劳时序载荷对应的投影序列载荷；对所述应力和投影序列载荷进行通道合并，以得到应力时间历程；基于应力时间历程和预定载荷工况频率表确定塔架环焊缝的截面在塔架圆周方向上的疲劳损伤。上述技术方案只能采集到风电机组实际运行载荷的短期数据，而且测试方案存在施工不便、成本高昂、维护困难等不足。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案无法实际反馈风电机组塔架所受载荷的技术问题，提供一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统及方法，实时在线评估风电机组塔架圆周方向各区域的累积疲劳损伤值Dp，根据Dp中的最大值Dr预估风电机组塔架的剩余寿命，长期在线测得风电机组塔架承受的载荷数据，并且具备施工方便，成本低廉且维护便捷的优点。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统，包括依次相连的传感器、数据采集站、CPU和无线信号发射器，所述CPU分别与声光报警器、电源相连，所述无线信号发射器与终端远程无线连接。传感器采集加速度，塔架晃动角度等信息，采集的信息通过数据采集站汇总并传输到CPU，CPU中包括上位机分析软件，通过上位机分析软件分析并计算塔架累计疲劳损伤值并预知剩余寿命，将分析结果通过无线信号发射器发送到终端，由工作人员实时查看，由电源提供能量，若数据出现剧烈波动或缺失，声光报警器进行报警。
作为优选，所述的传感器包括加速度传感器和双轴倾角传感器，塔架设置有若干截面，每组截面上设有若干组传感器。多个截面的多组传感器共同作用确保对塔架受力及晃动的实时监测。
作为优选，所述的双轴倾角传感器的安装位置为：双轴倾角传感器的x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为270°。按规定安装双轴倾角传感器，根据格式采集方位数据，便于对数据的统计及计算。
一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，包括以下步骤：
(1)将风电机组塔架沿圆周划分为p个区域；
(2)使用系统传感器采集数据；
(3)进行角度合成计算；
(4)计算塔架截面位移变化量；
(5)计算塔架截面中各方位受力；
(6)计算塔架圆周方向各区域的累积疲劳值；
(7)塔架累计疲劳损伤值和剩余寿命预知。
作为优选，所述的步骤(2)通过Tower S.H.M.系统在风电机组塔架的整个H高度上均布或特定截面位置布置i(i≥1)组传感器，实时在线测得塔架被测截面承受载荷时，不同被测截面位置产生的x轴和y轴晃动角度θx、θy和加速度a。
作为优选，所述的步骤(3)经角度合成可知多截面各个方位的倾斜最大角度的计算公式为Sin2θ合＝Sin2θx+Sin2θy，即
Figure BDA0002435308890000031
并由方位角换算公式
Figure BDA0002435308890000032
即可知塔架受载晃动产生最大倾斜角度对应的的方位角/>
Figure BDA0002435308890000033
作为优选，所述的步骤(4)将风电机组塔架被测的i个截面分别均匀划分为n个方位，各方位之间的夹角即为
Figure BDA0002435308890000034
实时获得多个截面对应的倾斜最大角度θ合，则各个截面中不同方位对应倾斜角度/>
Figure BDA0002435308890000035
其中μ为n个方位中对应的编号(μ＝1、2、3…n)。
作为优选，所述的步骤(4)经角度合成获得多截面各个方位的倾斜最大角度θ合和各截面中不同方位对应的倾斜角度θ，再由x＝Kθ弧度即可求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，其中K为塔顶位移与塔顶转角比例系数；θ弧度为各截面中多个方位倾斜角度的弧度值，即
Figure BDA0002435308890000041
通过x＝Kθ弧度求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，K为塔顶位移ωmax与塔顶转角α比例系数，即/>
Figure BDA0002435308890000042
知/>
Figure BDA0002435308890000043
由此得/>
Figure BDA0002435308890000044
其中L1为塔架上布置传感器所在截面的高度Hi。
作为优选，所述的步骤(5)计算塔架截面各方位受力，F＝Fk+Fc+Fm，其中Fk＝kx，k为风电机组塔架的刚度系数，x为塔架被测截面中各个方位的位移变形量；Fc＝cv，c为塔架阻尼系数；Fm＝ma，m为塔架的模态质量；其中Fc因阻尼系数c约为2‰，故Fc值非常小可忽略，即M＝F·L＝(kx+ma)·(H-Hi)。
作为优选，所述的步骤(6)和步骤(7)以实时在线测得圆周方向以最大倾斜角为起点，均匀划分的n个方位的累积疲劳损伤值Di,n及其对应的方位角γi,n，根据对应的γi,n划分到的p个区域，得到风电机组塔架被测多截面对应多个方位的累积疲劳损伤值Di,n在圆周p个区域的累积疲劳损失值Dp，并得到Dp中的最大值Dr及其对应的方位角γ；根据在线测得的累积疲劳损伤Dr值可完成风电机组塔架的累积疲劳损伤及对应方位γ的在线评估，并预估风电机组塔架的剩余寿命。
本发明的有益效果是：实时在线评估风电机组塔架圆周方向各区域的累积疲劳损伤值Dp，根据Dp中的最大值Dr预估风电机组塔架的剩余寿命，长期在线测得风电机组塔架承受的载荷数据，并且具备施工方便，成本低廉且维护便捷的优点。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构图。
图2是本发明的一种评估方法流程框图。
图3是本发明的一种风电机组塔架受力情况及传感器布局图。
图4是本发明的一种塔架累积疲劳损伤方位角的约定方法图。
图中1传感器，1.1加速度传感器，1.2双轴倾角传感器，2数据采集站，3CPU，4电源,5声光报警器，6无线信号发射器，7终端。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统，如附图所示，包括依次相连的传感器1、数据采集站2、CPU3和无线信号发射器6，CPU3分别与声光报警器5、电源4相连，无线信号发射器6与终端7远程无线连接，终端为PC端或者手机等手持设备。传感器1采集加速度，塔架晃动角度等信息，采集的信息通过数据采集站2汇总并传输到CPU3，CPU3中包括上位机分析软件，通过上位机分析软件分析并计算塔架累计疲劳损伤值并预知剩余寿命，将分析结果通过无线信号发射器6发送到终端7，由工作人员实时查看，由电源4提供能量，若数据出现剧烈波动或缺失，声光报警器5进行报警。传感器1包括加速度传感器1.1和双轴倾角传感器1.2，塔架设置有若干截面，每组截面上设有若干组传感器。根据实时测得塔架受载晃动的方位角γ′，确定双轴倾角传感器1.2的安装位置。双轴倾角传感器1.2的x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为270°。
一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，包括以下步骤：
(1)将风电机组塔架沿圆周划分为p个区域(p≥1)。
(2)通过Tower S.H.M.系统在风电机组塔架的整个H高度上均布或特定截面位置布置i(i≥1)组传感器，实时在线测得塔架被测截面承受载荷时，不同被测截面位置产生的x轴和y轴晃动角度θx、θy和加速度a。
(3)进行角度合成计算,经角度合成可知多截面各个方位的倾斜最大角度的计算公式为
Sin2θ合＝Sin2θx+Sin2θy，
即
Figure BDA0002435308890000061
并由方位角换算公式
Figure BDA0002435308890000062
即可知塔架受载晃动产生最大倾斜角度对应的的方位角/>
Figure BDA0002435308890000063
(4)计算塔架截面位移变化量；
将风电机组塔架被测的i个截面分别均匀划分为n个方位，各方位之间的夹角即为
Figure BDA0002435308890000064
实时获得多个截面对应的倾斜最大角度θ合，则各个截面中不同方位对应倾斜角度/>
Figure BDA0002435308890000065
其中μ为n个方位中对应的编号(μ＝1、2、3…n)。
经角度合成获得多截面各个方位的倾斜最大角度θ合和各截面中不同方位对应的倾斜角度θ，再由x＝Kθ弧度即可求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，其中K为塔顶位移与塔顶转角比例系数，θ弧度为各截面中多个方位倾斜角度的弧度值。
Figure BDA0002435308890000066
通过x＝Kθ弧度求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，K为塔顶位移ωmax与塔顶转角α比例系数，
Figure BDA0002435308890000067
知
Figure BDA0002435308890000068
由此得/>
Figure BDA0002435308890000069
其中L1为塔架上布置传感器所在截面的高度Hi。
(5)计算塔架截面中各方位受力：
F＝Fk+Fc+Fm，
其中Fk＝kx，k为风电机组塔架的刚度系数，x为塔架被测截面中各个方位的位移变形量；
Fc＝cv，
c为塔架阻尼系数；
Fm＝ma，
m为塔架的模态质量；其中Fc因阻尼系数c约为2‰，故Fc值非常小可忽略，
即M＝F·L＝(kx+ma)·(H-Hi)。
(6)计算塔架圆周方向各区域的累积疲劳值，通过Tower S.H.M.系统实时监测得到风电机组塔架多个截面对应的不用方位的载荷Mi,n(i为截面的数量i≥1、n为各截面圆周方向均匀划分的方位数量n≥1)，由
Figure BDA0002435308890000071
即得到应力幅σi,n时序图(j＝1、2、3…n)。。经雨流计数法可得到各截面多个方位的等效应力幅σrj(j＝1、2、3…m)及对应的循环次数nrj(j＝1、2、3…m)。
各截面疲劳损伤等效应力幅σrj经风电机组塔架材料S-N曲线可得对应的许用循环次数Nj，由公式
Figure BDA0002435308890000072
(j、m≥1且为整数)，即可实时测得风电机组塔架各截面多个方位的累积疲劳损伤值Di,n。
(7)以实时在线测得圆周方向以最大倾斜角为起点，均匀划分的n个方位的累积疲劳损伤值Di,n及其对应的方位角γi,n，根据对应的γi,n划分到的p个区域，得到风电机组塔架被测多截面对应多个方位的累积疲劳损伤值Di,n在圆周p个区域的累积疲劳损失值Dp，并得到Dp中的最大值Dr及其对应的方位角γ。根据在线测得的累积疲劳损伤Dr值完成风电机组塔架的累积疲劳损伤及对应方位γ的在线评估，并预估风电机组塔架的剩余寿命。

Claims (9)

1.一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将风电机组塔架沿圆周划分为p个区域；
(2)使用系统传感器采集数据；
(3)进行角度合成计算；
(4)计算塔架截面位移变化量；
(5)计算塔架截面中各方位受力；
(6)计算塔架圆周方向各区域的累积疲劳值；
(7)塔架累计疲劳损伤值和剩余寿命预知；
风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统，包括依次相连的传感器、数据采集站、CPU和无线信号发射器，所述CPU分别与声光报警器、电源相连，所述无线信号发射器与终端远程无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述传感器包括加速度传感器和双轴倾角传感器，塔架设置有若干截面，每组截面上设有若干组传感器。
3.根据权利要求2所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述双轴倾角传感器的安装位置为：双轴倾角传感器的x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为270°。
4.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(2)通过Tower S.H.M.系统在风电机组塔架的整个H高度上均布或特定截面位置布置i(i≥1)组传感器，实时在线测得塔架被测截面承受载荷时，不同被测截面位置产生的x轴和y轴晃动角度θx、θy和加速度a。
5.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(3)经角度合成可知多截面各个方位的倾斜最大角度的计算公式为Sin2θ合＝Sin2θx+Sin2θy，即
Figure QLYQS_1
并由方位角换算公式/>
Figure QLYQS_2
即可知塔架受载晃动产生最大倾斜角度对应的方位角/>
Figure QLYQS_3
6.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(4)将风电机组塔架被测的i个截面分别均匀划分为n个方位，各方位之间的夹角即为
Figure QLYQS_4
实时获得多个截面对应的倾斜最大角度θ合，则各个截面中不同方位对应倾斜角度/>
Figure QLYQS_5
其中μ为n个方位中对应的编号(μ＝1、2、3…n)。
7.根据权利要求6所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(4)经角度合成获得多截面各个方位的倾斜最大角度θ合和各截面中不同方位对应的倾斜角度θ，再由x＝Kθ弧度即可求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，其中K为塔顶位移与塔顶转角比例系数；θ弧度为各截面中多个方位倾斜角度的弧度值，即
Figure QLYQS_6
通过x＝Kθ弧度求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，K为塔顶位移ωmax与塔顶转角α比例系数，即/>
Figure QLYQS_7
知/>
Figure QLYQS_8
由此得/>
Figure QLYQS_9
其中L1为塔架上布置传感器所在截面的高度Hi。
8.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(5)计算塔架截面各方位受力，F＝Fk+Fc+Fm，其中Fk＝kx，k为风电机组塔架的刚度系数，x为塔架被测截面中各个方位的位移变形量；Fc＝cv，c为塔架阻尼系数；Fm＝ma，m为塔架的模态质量；其中Fc因阻尼系数c约为2‰，故Fc值非常小可忽略，即M＝F·L＝(kx+ma)·(H-Hi)。
9.根据权利要求1所述的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统的评估方法，其特征在于，所述步骤(6)实时监测得到风电机组塔架多个截面对应的不用方位的载荷Mi,n，其中i为截面的数量i≥1、n为各截面圆周方向均匀划分的方位数量n≥1，由
Figure QLYQS_10
即得到应力幅σi,n时序图(j＝1、2、3…n)，经雨流计数法可得到各截面多个方位的等效应力幅σrj(j＝1、2、3…m)及对应的循环次数nrj(j＝1、2、3…m)，各截面疲劳损伤等效应力幅σrj经风电机组塔架材料S-N曲线可得对应的许用循环次数Nj，由公式
Figure QLYQS_11
j、m≥1且为整数，即可实时测得风电机组塔架各截面多个方位的累积疲劳损伤值Di，n；
所述步骤(7)以实时在线测得圆周方向以最大倾斜角为起点，均匀划分的n个方位的累积疲劳损伤值Di，n及其对应的方位角γi，n，根据对应的γi，n划分到的p个区域，得到风电机组塔架被测多截面对应多个方位的累积疲劳损伤值Di，n在圆周p个区域的累积疲劳损失值Dp，并得到Dp中的最大值Dr及其对应的方位角γ；根据在线测得的累积疲劳损伤Dr值可完成风电机组塔架的累积疲劳损伤及对应方位角γ的在线评估，并预估风电机组塔架的剩余寿命。
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