CN111859679B - 风电机组测试载荷获取方法、与仿真载荷对比方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组测试载荷获取方法，包括：S1初步获取风电机组的测试载荷序列；S2、对各测试载荷序列进行相关性验证：通过导出载荷与实际测试载荷对比判断，进行测试载荷筛选。本发明还公开了一种风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法，利用上述方法获取的测试载荷与经过仿真修正后的仿真载荷进行对比判断。本发明还公开了一种与上述方法分别对应的风电机组测试载荷获取装置、测试载荷与仿真载荷对比装置。本发明通过在测试载荷获取过程中加入相关性验证环节，提高了测试载荷的可信度，进一步通过在仿真载荷的获取过程中对仿真模型进行修正，多关联对比，提高了测试与仿真载荷比对的准确性，进而提高了机组设计的安全性和经济性。

Description

风电机组测试载荷获取方法、与仿真载荷对比方法及装置
技术领域
本发明涉及风电机组设计及测试领域，特别是涉及一种风电机组测试载荷获取方法、与仿真载荷对比方法及装置。
背景技术
在风电机组设计中，载荷是机组结构设计、强度分析和寿命计算等各项工作的基础，其准确程度将直接关系到机组设计的安全性和经济性。
当前，在设计阶段，风电机组各部位载荷主要通过仿真获得，并将其作为机组设计的依据。研发人员根据GL或IEC规范，依据设计图纸和相关数据，使用气弹程序(如GHBladed、FAST和FLEX5等)建立风电机组整机气-弹-控耦合仿真模型，计算风电机组在不同外部环境和运行条件下所产生的各部位载荷。
在型式认证阶段，设计载荷通过型式试验来进行验证。研发人员以型式试验中测量载荷工况作为输入条件进行载荷仿真，对比各工况下仿真和测量结果。结果通常偏差较大，试验人员猜忌仿真结果不准确，仿真人员相应猜忌试验结果不准确。而为了较好地对比仿真载荷和测试载荷，两者的可信度均对最终的对比结果起到关键作用。常规的型式认证阶段，对于获得测试载荷一般不做筛选，导致最终的测试载荷可信度差，进而影响到与仿真载荷的对比，使其对比结果不准确，也干扰了机组设计的安全性和经济性。
由此可见，上述现有的风电机组测试载荷获取方法、与仿真载荷对比方法，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的风电机组测试载荷获取方法及其与仿真载荷的对比方法，成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组测试载荷获取方法及其与仿真载荷的对比方法，使对比用载荷可信度高，保证对比结果准确，进而提高机组设计的安全性和经济性。
为解决上述技术问题，，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种风电机组测试载荷获取方法，包括如下步骤：
S1、初步获取风电机组的测试载荷序列：
根据捕获矩阵，获取用于型式试验的风电机组的各关键部位的测试载荷序列，并将对应时刻的信息输出；
S2、对各测试载荷序列进行相关性验证：
S21、根据第一关键部位的测试载荷、第二关键部位的测试载荷以及两者之间的理论推导关系,计算出第二或第一关键部位的导出载荷；
S22、将第一或第二关键部位的导出载荷与各自实际的测试载荷进行对比，如果相关性低于某一阈值，则去除捕获矩阵中相应测试载荷序列，如果相关性高于某一阈值，则保留捕获矩阵中相应测试载荷序列，所述相关性验证后的测试载荷序列用于作为与仿真载荷进行对比的数据来源。
作为本发明进一步地改进，所述S2中，第一关键部位和第二关键部位分别为叶根和主轴。
进一步地，所述S1中：各关键部位的测试载荷序列通过对风电机组的关键部位的应变传感器安装及标定获取；要测试的关键部位载荷包括三只叶片叶根截面位置l1处的摆阵载荷和挥舞载荷/>三只叶片叶根截面位置l2处的摆阵载荷和挥舞载荷/>主轴扭矩Mx,主轴弯矩My和Mz；
所述S21中：通过使用叶根两截面处测试载荷，通过式(13)～(15)导出主轴处近似载荷；
其中，为主轴导出扭矩，/>和/>为主轴导出弯矩，θ为桨距角；
所述S22中：通过式(16)确定主轴测试载荷与主轴导出载荷的相关性，如相关性高，则保留捕获矩阵中该测试结果，反之亦然；
式中，{Mi}d为主轴导出载荷序列，{Mi}为主轴测试载荷序列。
进一步地，所述S1中，所述各关键部位包括叶根、主轴、塔筒；要测定的塔筒载荷包括塔顶俯仰弯矩Mttn和倾覆弯矩Mttl，塔底俯仰弯矩Mtbn和倾覆弯矩Mtbl。
进一步地，所述S1中，所述对应时刻的信息包括：风速、风向、偏航角度、桨距角、发电机转速及功率信息，间隔一定时间打包输出。
另一方面，本发明提供了一种风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法，包括：
将各关键部位测试载荷和仿真载荷比对；所述测试载荷的来源为：采用上述任一项所述的获取方法得到各关键部位的测试载荷。
作为本发明进一步地改进，所述仿真载荷的来源为：采用测试模态修正仿真模型，根据测试最终确定的捕获矩阵中的输出信息，使用修正后的仿真模型进行相关工况仿真，得到相应各关键部位的仿真载荷数据；
所述各关键部位测试载荷和仿真载荷比对，如对比结果偏差小于某一设定阈值，则结束对比；如对比结果偏差大于某一设定阈值，则更新仿真模型参数并对仿真模型进行修正，直至判定仿真载荷和测试载荷之间的偏差小于某一设定阈值，则结束比对。
进一步地，所述采用测试模态修正仿真模型包括：
a.对仿真模型进行模态分析，获得叶片、塔筒和传动链的模态频率与振型；
b.对真实结构的叶片、塔筒、传动链进行模态测试，获得这些部件的模态频率和振型；
c.对仿真模态与测试模态进行相关性分析，如下：
1)求解仿真模态频率与测试模态频率误差：
其中，fi a为部件i阶仿真模态频率，fi x为部件i阶实测模态频率；对于叶片和塔筒，i取1-4，对于传动链，i取1；
2)求解仿真模态振型与测试模态振型的模态置信值，即MAC值：
其中，{ψi}a为i阶仿真模态振型，{ψi}x为i阶测试模态振型；
3)确定相关性指数：
d.不断更新迭代仿真模型的动力学参数，使所求得的相关性指数R最小，此时所对应的模型即为修正后的仿真模型。
再一方面，本发明还提供了一种风电机组测试载荷的获取装置，包括一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据上述任一项所述的风电机组测试载荷获取方法或上述任一项所述的风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明通过在测试载荷的获取过程中加入相关性验证环节，提高了风电机组测试载荷的可信度，进而解决了目前由于风电机组测试载荷与仿真载荷比对不准确，造成机组设计不经济、寿命评估不准确的问题。
2、本发明通过在测试载荷的获取过程中加入相关性验证环节以及在放仿真载荷的获取过程中对仿真模型进行修正，两者结合，实现了多关联对比，排除了多种干扰因素，进一步提高了风电机组测试载荷与仿真载荷比对的准确性。
3、本发明能提高风电机组测试载荷的可信度，实现机组的精细化设计需求，降低机组质量和材料用量，节省制造成本。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一实施例中测试载荷与仿真载荷对比流程图；
图2是本发明一实施例中载荷测点位置及其坐标系图；其中：(a)载荷测点位置，(b)叶片坐标系，(c)轮毂坐标系，(d)塔筒坐标系。
图3是本发明一实施例中载荷测试捕获矩阵图；
图4是本发明一实施例中仿真模型修正流程图。
具体实施方式
针对风电机组测试载荷和仿真载荷偏差较大的问题，本发明分别从测试载荷获取及仿真载荷获取方面进行改进，提出一种测试载荷与仿真载荷多关联比对的技术方案。
本技术方案的组织结构形式如图1所示，主要包括两大部分：载荷测试部分和载荷仿真部分。其中，载荷测试部分包括以下模块：关键部位应变传感器安装及其标定模块、关键部位载荷测试模块、测试载荷序列相关性验证模块；载荷仿真部分包括模型搭建模块、模型修正模块和模型仿真模块。根据以上各模块分别对测试和仿真载荷处理后，进行各关键部位载荷比对，如比对结果仍偏差较大，再系统分析仿真模型和测试模型的差异，对仿真模型进行修正。
配合图1所示，本发明的具体实施方式如下：
第一部分：测试载荷的获取
(1)关键部位应变传感器安装及其标定。要测定的关键部位载荷包括三只叶片叶根截面位置1处的摆阵载荷和挥舞载荷/>三只叶片叶根截面位置2处的摆阵载荷/>和挥舞载荷/>主轴扭矩Mx,主轴弯矩My和Mz,塔顶俯仰弯矩Mttn和倾覆弯矩Mttl，塔底俯仰弯矩Mtbn和倾覆弯矩Mtbl，具体位置和坐标系参见图2(a、b、c、d)。
弯矩可通过两个T型应变片组成全桥进行测量，桥路输出应变与弯矩的关系为
式中，εd为输出应变，UA为输出电压，UB为电源电动势，K为应变片灵敏系数，ν为材料泊松比，E为材料弹性模量，Wb为截面抗弯模量。可见，输出应变与所测弯矩成线性关系，可通过标定来确定相应斜率和截距。
扭矩可通过两个V型应变片组成全桥进行测量，桥路输出应变与弯矩的关系为
其中，Wt为截面抗扭模量。可见，输出应变与所测扭矩成线性关系，可通过标定来确定相应斜率和截距。
a.叶片叶根载荷标定。叶根载荷采用叶片自重标定，获得叶片重量mb及重心位置R，考虑主轴倾角应变桥路所对应最大弯矩值为
其中，li(i＝1,2)为测量截面位置。叶片摆阵方向的标定系数，通过读取叶片开桨时摆振方向应变极大值与极小值确定；叶片挥舞方向的标定系数，通过读取叶片收桨时挥舞方向应变极大值与极小值确定。摆振和挥舞应变桥路的标定弯矩可写为
Sedge＝slopee*εbe+offsete (4)
Sflap＝slopef*εbf+offsetf (5)
由于叶根应变桥路安装要错开合模线，其方位会偏离叶片摆振方向，因此存在交互作用影响，可通过坐标转换确定叶片摆振和挥舞方向弯矩，坐标转换矩阵如下
通过读取应变片开桨时挥舞方向应变极大值与极小值确定挥舞应变桥路交互作用系数，通过读取应变片收浆时摆振方向应变极大值与极小值确定摆振应变桥路交互作用系数，再通过坐标反变换，即可得到叶片摆振弯矩和挥舞方向弯矩/>
b.主轴载荷标定。主轴弯矩可通过叶轮自重标定，假定叶轮重量为mr，应变桥路所对应最大弯矩值为
式中，l3为主轴弯矩测量截面位置。主轴弯矩标定系数，可通过读取主轴旋转一周时应变极大值与极小值确定，应变桥路的标定弯矩可写为
My＝slopey*εy+offsety (8)
Mz＝slopez*εz+offsetz (9)
主轴扭矩可通过发电机功率和转速进行标定。通过读取低转速下几个功率值和转速值来计算出相应主轴扭矩，从而确定主轴扭矩标定系数。主轴应变桥路标定扭矩可写为
Mx＝slopexx*εxx+offsetxx (10)
c.塔筒载荷标定。塔筒载荷斜率采用旁路电阻法进行标定，通过在应变桥路中一个电阻旁并入一系列电阻来改变桥路应变输出，从而来等效载荷作用。其中，等效桥路应变采用下式求得
其中，Rs为桥路并联电阻。通过式(7)可求得不同并联电阻下的弯矩值，再结合相应桥路输出应变便即可求得塔筒载荷斜率slopet。塔筒载荷截距offsett通过偏航一圈找到最大和最小桥路输出应变求得，如下式
(2)关键部位载荷测试。根据捕获矩阵(参见图3)，实时测量各关键部位载荷，并将对应时刻的风速、风向、偏航角度、桨距角、发电机转速及功率等信息一同以10分钟为间隔打包输出。
(3)测试载荷序列相关性验证。根据各部分测试载荷，进行如下相关性验证，如捕获矩阵中测试序列满足相关性要求，则保留该测试序列，反之亦然。
a.叶根载荷与主轴载荷相关性验证，如下：
1)使用叶根两截面处测试载荷，通过式(13)～(15)导出主轴处近似载荷。
其中，为主轴导出扭矩，/>和/>为主轴导出弯矩，θ为桨距角。
2)通过式(16)确定主轴测试载荷与导出载荷的相关性，如相关性高，则保留捕获矩阵中该测试结果，反之亦然。
式中，{Mi}d为主轴导出载荷序列，{Mi}为主轴测试载荷序列。
即通过将各关键部位导出载荷与各自实际的测试载荷进行对比，如果相关性低于某一阈值，则去除捕获矩阵中相应测试载荷序列，如果相关性高于某一阈值，则保留捕获矩阵中相应测试载荷序列，相关性验证后的测试载荷序列用于作为与仿真载荷进行对比的数据来源。
上述实施例中采用了主轴(第一关键部位)的测试载荷与主轴导出载荷进行对比；反过来，也可以采用主轴的载荷推导叶根(第二关键部位)的载荷，然后叶根的推导载荷与测试载荷进行对比，或是也可采用塔筒的载荷与其它载荷的关系来进行推导对比。
第二部分：仿真载荷的获取
(4)仿真模型搭建。依据设计图纸和相关数据，使用气弹程序(如GH Bladed、FAST和FLEX5等)建立风电机组整机气-弹-控耦合仿真模型。
(5)仿真模型修正。采用图4所示流程对仿真模型进行修正，主要包括以下步骤。
a.对仿真模型进行模态分析，获得叶片、塔筒和传动链的模态频率与振型。
b.对叶片、塔筒、传动链进行模态测试，获得这些部件的模态频率和振型。
c.对叶片仿真模型模态与实测模型模态进行相关性分析，如下：
1)求解仿真模态频率与实测模态频率误差。
其中，fi a为部件i阶仿真模态频率，fi x为部件i阶实测模态频率。对于叶片和塔筒，i通常取1-4，对于传动链，i通常取1。
2)求解仿真模态振型与实测模态振型的模态置信值，即MAC值。
其中，{ψi}a为i阶仿真模态振型，{ψi}x为i阶实测模态振型。
3)确定相关性指数。
d.不断更新迭代仿真模型的动力学参数，使所求得的相关性指数R最小，此时所对应的模型即为更新后的仿真模型。
(6)模型仿真。根据测试最终确定的捕获矩阵中风速等数据，使用更新后的仿真模型进行相关工况仿真，并得到相应部件的仿真载荷数据。
第三部分：测试载荷与仿真载荷对比
(7)载荷对比。进行各关键部位测试载荷和仿真载荷比对，如对比结果偏差小于某一设定阈值，则结束对比；如对比结果偏差大于某一设定阈值(如5％)，则更新仿真模型参数并对仿真模型进行修正，直至判定仿真载荷和测试载荷之间的偏差小于某一设定阈值，则结束比对。
另外，本实施例还提供了一种与上述获取方法对应的风电机组测试载荷的获取装置，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据上述的风电机组测试载荷获取方法。
本实施例还提供了一种与上述对比方法对应的风电机组测试载荷与仿真载荷的比对装置，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据上述的风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法。
综上所述，本发明通过在测试载荷获取过程中加入相关性验证环节，提高了测试载荷的可信度，进一步通过在仿真载荷的获取过程中对仿真模型进行修正，多关联对比，提高了测试与仿真载荷比对的准确性，进而提高了机组设计的安全性和经济性，适于推广应用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.风电机组测试载荷获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、初步获取风电机组的测试载荷序列：
根据捕获矩阵，获取用于型式试验的风电机组的各关键部位的测试载荷序列，并将对应时刻的信息输出；
S2、对各测试载荷序列进行相关性验证：
S21、根据第一关键部位的测试载荷、第二关键部位的测试载荷以及两者之间的理论推导关系,计算出第二或第一关键部位的导出载荷；
S22、将第一或第二关键部位的导出载荷与各自实际的测试载荷进行对比，如果相关性低于某一阈值，则去除捕获矩阵中相应测试载荷序列，如果相关性高于某一阈值，则保留捕获矩阵中相应测试载荷序列，所述相关性验证后的测试载荷序列用于作为与仿真载荷进行对比的数据来源；
所述S2中，第一关键部位和第二关键部位分别为叶根和主轴；
所述S1中：各关键部位的测试载荷序列通过对风电机组的关键部位的应变传感器安装及标定获取；要测试的关键部位载荷包括三只叶片叶根截面位置l1处的摆阵载荷和挥舞载荷/>三只叶片叶根截面位置l2处的摆阵载荷/>和挥舞载荷/>主轴扭矩Mx,主轴弯矩My和Mz；
所述S21中：
通过使用叶根两截面处测试载荷，通过式(13)～(15)导出主轴处近似载荷；
其中，为主轴导出扭矩，/>和/>为主轴导出弯矩，θ为桨距角；
所述S22中：
通过式(16)确定主轴测试载荷与主轴导出载荷的相关性，如相关性高，则保留捕获矩阵中该测试结果，反之亦然；
式中，{Mi}d为主轴导出载荷序列，{Mi}为主轴测试载荷序列。
2.根据权利要求1所述的风电机组测试载荷获取方法，其特征在于，所述S1中，所述各关键部位包括叶根、主轴、塔筒；要测定的塔筒载荷包括塔顶俯仰弯矩Mttn和倾覆弯矩Mttl，塔底俯仰弯矩Mtbn和倾覆弯矩Mtbl。
3.根据权利要求1所述的风电机组测试载荷获取方法，其特征在于，所述S1中，所述对应时刻的信息包括：风速、风向、偏航角度、桨距角、发电机转速及功率信息，间隔一定时间打包输出。
4.风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法，其特征在于，包括：
将各关键部位测试载荷和仿真载荷比对；所述测试载荷的来源为：采用权利要求1-3任一项所述的获取方法得到各关键部位的测试载荷。
5.根据权利要求4所述的风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法，其特征在于，所述仿真载荷的来源为：采用测试模态修正仿真模型，根据测试最终确定的捕获矩阵中的输出信息，使用修正后的仿真模型进行相关工况仿真，得到相应各关键部位的仿真载荷数据；
所述各关键部位测试载荷和仿真载荷比对，如对比结果偏差小于某一设定阈值，则结束对比；
如对比结果偏差大于某一设定阈值，则更新仿真模型参数并对仿真模型进行修正，直至判定仿真载荷和测试载荷之间的偏差小于某一设定阈值，则结束比对。
6.根据权利要求5所述的风电机组测试载荷与仿真载荷的对比方法，其特征在于，所述采用测试模态修正仿真模型包括：
a.对仿真模型进行模态分析，获得叶片、塔筒和传动链的模态频率与振型；
b.对真实结构的叶片、塔筒、传动链进行模态测试，获得这些部件的模态频率和振型；
c.对仿真模态与测试模态进行相关性分析，如下：
1)求解仿真模态频率与测试模态频率误差：
其中，fi a为部件i阶仿真模态频率，fi x为部件i阶实测模态频率；对于叶片和塔筒，i取1-4，对于传动链，i取1；
2)求解仿真模态振型与测试模态振型的模态置信值，即MAC值：
其中，{ψi}a为i阶仿真模态振型，{ψi}x为i阶测试模态振型；
3)确定相关性指数：
d.不断更新迭代仿真模型的动力学参数，使所求得的相关性指数R最小，此时所对应的模型即为修正后的仿真模型。
7.风电机组测试载荷的获取装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至3任意一项所述的风电机组测试载荷获取方法。
8.风电机组测试载荷与仿真载荷的比对装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求4至6任意一项所述的风电机组测试载荷与仿真载荷对比方法。
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Title
基于IEC 标准的风力发电机组机械载荷测量的研究;李荣国;硕士电子期刊工程科技II辑(第3期);11-14，17-18，36，40-45 *

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