CN111764444B - 根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线；通过风电场测风塔经过代表年修正后的逐时风速风向数据，得到16个风向扇区对应的风速频率分布；按各风向扇区内不同频率的风速对应的风力发电机基底附加压力分布计算风机基础沉降，再进行矢量加权平均，得到风力发电机基础最终的沉降分布，最后得到风力发电机基础的最大沉降和倾斜值。本发明充分考虑了风电场风荷载的动态特性，更准确的计算和评估天然地基上风力发电机基础的沉降和倾斜值，有利于天然地基上风力发电机基础的优化设计。

Description

根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的 方法
技术领域
本发明涉及天然地基上的风力发电机基础沉降计算，属于新能源领域，尤其是一种根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法。
背景技术
目前，风力发电已进入平价上网时代，对风力发电场造价降低的需求越来越大。风力发电机基础是否可以采用天然地基的型式对风电场工程的造价有较大的影响。风力发电机基础的沉降和倾斜值是能否采用天然地基的一项控制性指标。
现有风力发电机基础的沉降计算按照行业规范《风电机组地基基础设计规定》FD003-2007进行。规范计算天然地基上的风电机基础沉降时，采用50年一遇最大风机荷载进行计算。由于沉降是荷载长期作用的产物，而风机荷载本身是方向及大小不断变化的动荷载，因此规范方法明显高估了天然地基上风电机基础的沉降和倾斜值。
发明内容
为了更为准确的计算风力发电机基础的沉降和倾斜，本发明提供了一种根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，以考虑不同方向、不同大小的风荷载对风电机基础沉降的影响，是一种比现有规范方法更精准的沉降计算方法
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线；通过风电场测风塔经过代表年修正后的逐时风速风向数据，得到16个风向扇区对应的风速频率分布；按各风向扇区内不同频率的风速对应的风力发电机基底附加压力分布计算风机基础沉降，再进行矢量加权平均，得到风力发电机基础最终的沉降分布，最后得到风力发电机基础的最大沉降和倾斜值。
具体包括如下步骤：
步骤1，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线MBending(V)，其中：V为风速，函数MBending(V)代表风速V对应的弯矩荷载；
步骤2，通过测风塔获取经过代表年修正后的逐时的风速及风向数据Vwind；
步骤3，通过地质勘察，获取机位处地层各层的层厚及压缩模量数据ESoil；
步骤4，计算不同风速对应的风机弯矩荷载向量VMBending：
VMBending＝MBending(V)V＝1…Vmaxm/s (1)
其中：V为风速向量；
步骤5，计算风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数fP0(x,y,VMBending)，其中：x,y为基底平面坐标；
步骤6，根据步骤5得到的风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数利用布辛奈斯克解计算基底土体的附加应力，通过步骤3得到的ESoil采用分层总和法分别计算相应的地基沉降分布，计算基底附加压力分布对应的地基沉降分布函数fSv(x,y,fP0(x,y,VMBending),ESoil)；
步骤7，按16个风向扇区将步骤2得到的风速及风向数据Vwind进行风速频率统计，得到分扇区风速频率矩阵MWindFrequency[i,j]；其中：MWindFrequency[i,j]为第i个风向扇区中，风速位于j-1米～j米之间的个数；
步骤8，在对不同风向对应的基底沉降分布进行累积时，对坐标按风向对基底沉降分布进行旋转，分16个扇区对不同风速对应的地基沉降分布按风频进行加权累积；
Figure BDA0002559856720000021
步骤9，对步骤8得到的加权后的地基沉降分布，提取地基最大沉降值和基础最大倾斜值。
所述步骤2中，风速及风向数据Vwind至少为一个完整年的测风塔数据。
所述风力发电机厂家提供的是正常运行工况下的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线。
所述步骤5中假定基础为刚性基础，附加压力为三角形分布，计算基底附加压力，输入风机荷载、基础自重、基础上覆土重，进行静力平衡求解。
本发明的有益效果是：充分考虑了风电场风荷载的动态特性，更准确的计算和评估天然地基上风力发电机基础的沉降和倾斜值，有利于天然地基上风力发电机基础的优化设计。
附图说明
图1为本发明的根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法的流程图；
图2为风力发电机风速与风力发电机弯矩荷载关系曲线；
图3为测风塔的风频分布示意图；
图4为测风塔的风向玫瑰示意图；
图5为计算得到的风机基础地基沉降分布剖面示意图(1.风机基础规范方法计算得到的沉降分布，2.本发明方法计算得到的沉降分布)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线；通过风电场测风塔经过代表年修正后的逐时风速风向数据，得到16个风向扇区对应的风速频率分布；按各风向扇区内不同频率的风速对应的风力发电机基底附加压力分布计算风机基础沉降，再进行矢量加权平均，得到风力发电机基础最终的沉降分布，最后得到风力发电机基础的最大沉降和倾斜值。
具体包括如下步骤：
步骤1，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线MBending(V)，其中：V为风速，函数MBending(V)代表风速V对应的弯矩荷载；
步骤2，通过测风塔获取经过代表年修正后的逐时的风速及风向数据Vwind；
步骤3，通过地质勘察，获取机位处地层各层的层厚及压缩模量数据ESoil；
步骤4，计算不同风速对应的风机弯矩荷载向量VMBending：
VMBending＝MBending(V) V＝1…Vmaxm/s (1)
其中：V为风速向量；
步骤5，计算风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数fP0(x,y,VMBending)，其中：x,y为基底平面坐标；
步骤6，根据步骤5得到的风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数利用布辛奈斯克解计算基底土体的附加应力，通过步骤3得到的ESoil采用分层总和法分别计算相应的地基沉降分布，计算基底附加压力分布对应的地基沉降分布函数fSv(x,y,fP0(x,y,VMBending),ESoil)；
步骤7，按16个风向扇区将步骤2得到的风速及风向数据Vwind进行风速频率统计，得到分扇区风速频率矩阵MWindFrequency[i,j]；其中：MWindFrequency[i,j]为第i个风向扇区中，风速位于j-1米～j米之间的个数；
步骤8，在对不同风向对应的基底沉降分布进行累积时，对坐标按风向对基底沉降分布进行旋转，分16个扇区对不同风速对应的地基沉降分布按风频进行加权累积；
Figure BDA0002559856720000041
步骤9，对步骤8得到的加权后的地基沉降分布，提取地基最大沉降值和基础最大倾斜值。
所述步骤2中，风速及风向数据Vwind至少为一个完整年的测风塔数据。
所述风力发电机厂家提供的是正常运行工况下的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线。
所述步骤5中假定基础为刚性基础，附加压力为三角形分布，计算基底附加压力，输入风机荷载、基础自重、基础上覆土重，进行静力平衡求解。
【实施例1】
针对某风电场，按照图1的流程实施如下：
步骤1、获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线MBending(V)，如附图2所示。
步骤2、通过实施例风电场的测风塔，获取经过代表年修正后的逐时的风速及风向数据Vwind获取Vwind，其风频分布见图3，风向玫瑰图见附图4。
步骤3、通过地质勘察，获取机位处地层各层的层厚及压缩模量数据ESoil
获取机位地层数据ESoil；
本风电场按单一地层，地层压缩模量为10MPa考虑。
步骤4、计算不同风速对应的风机的弯矩荷载向量VMBending：
VMBending＝MBending(V)V＝1…Vmaxm/s (1)
其中：V为风速向量；
VMBending＝MBending(V)V＝1Vmaxm/s(1)V为风速向量。本实施例按风速为1～20m/s进行计算。
步骤5、计算风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数fP0(x,y,VMBending)，其中：x,y为基底平面坐标；fP0(x,y,VMBending)，x,y为基底平面坐标；基底附加压力按照基础为刚性基础，为三角形分布考虑，根据风机荷载、基础自重、基础上覆土重按静力平衡求解。
本实施例得到风速为1～20m/s时，分别相对应的20个基底附加压力三角形分布的最大压力和三角形分布长度。
步骤6、根据步骤5得到的风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数利用布辛奈斯克解计算基底土体的附加应力，通过步骤3得到的ESoil采用分层总和法分别计算相应的地基沉降分布，计算基底附加压力分布对应的地基沉降分布函数fSv(x,y,fP0(x,y,VMBending),ESoil)。fSv(x,y,fP0(x,y,VMBending),ESoil)；ESoil采用分层总和法计算不同风速对应的风机基底沉降分布。
本实施例得到风速为1～20m/s时，分别相对的20个地基沉降分布。
步骤7、按16个风向扇区将步骤2得到的风速及风向数据Vwind进行风速频率统计，得到分扇区风速频率矩阵MWindFrequency[i,j]；其中：MWindFrequency[i,j]为第i个风向扇区中，风速位于j-1米～j米之间的个数Vwind按1。
本实施例风向按16个扇区，对风速为1～20m/s的风频进行了统计。
步骤8、在对不同风向对应的基底沉降分布进行累积时，对坐标按风向对基底沉降分布进行旋转，分16个扇区对不同风速对应的地基沉降分布按风频进行加权累积；
Figure BDA0002559856720000061
Figure BDA0002559856720000062
(本样例最终得到的基底沉降分布剖面见图5曲线2。
步骤9、对步骤8得到的加权后的地基沉降分布，提取地基最大沉降值和基础最大倾斜值。
本实施例从图5曲线2中可得到采用本发明方法计算得到的基底最大沉降为10.5mm，基础倾斜率为0.97‰，而按规范方法计算得到的基底最大沉降为34.3mm，基础倾斜率为0.17‰。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，其特征在于，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线；通过风电场测风塔经过代表年修正后的逐时风速风向数据，得到16个风向扇区对应的风速频率分布；按各风向扇区内不同频率的风速对应的风力发电机基底附加压力分布计算风机基础沉降，再进行矢量加权平均，得到风力发电机基础最终的沉降分布，最后得到风力发电机基础的最大沉降和倾斜值；具体包括如下步骤：
步骤1，获取风力发电机厂家提供的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线MBending(V)，其中：V为风速，函数MBending(V)代表风速V对应的弯矩荷载；
步骤2，通过测风塔获取经过代表年修正后的逐时的风速及风向数据Vwind；
步骤3，通过地质勘察，获取机位处地层各层的层厚及压缩模量数据ESoil；
步骤4，计算不同风速对应的风机弯矩荷载向量VMBending：
VMBending＝MBending(V) V＝1…Vmaxm/s (1)
其中：V为风速向量；
步骤5，计算风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数fP0(x，y，VMBending)，其中：x，y为基底平面坐标；
步骤6，根据步骤5得到的风机弯矩荷载向量对应的基底附加压力分布函数利用布辛奈斯克解计算基底土体的附加应力，通过步骤3得到的ESoil采用分层总和法分别计算相应的地基沉降分布，计算基底附加压力分布对应的地基沉降分布函数fSv(x，y，fP0(x，y，VMBending)，ESoil)；
步骤7，按16个风向扇区将步骤2得到的风速及风向数据Vwind进行风速频率统计，得到分扇区风速频率矩阵MWindFrequency[i，j]；其中：MWindFrequency[i，j]为第i个风向扇区中，风速位于j-1米～j米之间的个数；
步骤8，在对不同风向对应的基底沉降分布进行累积时，对坐标按风向对基底沉降分布进行旋转，分16个扇区对不同风速对应的地基沉降分布按风频进行加权累积；
Figure FDA0003180375840000011
步骤9，对步骤8得到的加权后的地基沉降分布，提取地基最大沉降值和基础最大倾斜值。
2.根据权利要求1所述根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，其特征在于，所述步骤2中，风速及风向数据Vwind至少为一个完整年的测风塔数据。
3.根据权利要求1所述根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，其特征在于，所述风力发电机厂家提供的是正常运行工况下的风力发电机风速与弯矩荷载关系曲线。
4.根据权利要求1所述根据测风数据计算天然地基上风力发电机基础沉降和倾斜的方法，其特征在于，所述步骤5中假定基础为刚性基础，附加压力为三角形分布，计算基底附加压力，输入风机荷载、基础自重、基础上覆土重，进行静力平衡求解。
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