CN117454594A - 一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法 - Google Patents

一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法，该系统包括参数变量定义模块，用于定义多个参数；数据提取与转化模块，用于提取风电机组测试数据，以及遍历风电机组仿真数据；载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块，根据风电机组测试数据及风电机组仿真数据，分别计算两者对应风速段的最大值、最小值、平均值和标准差，以及计算两者对应的等效疲劳载荷；载荷对比模块，用于对计算得到的数据进行平滑处理及对比数据；对比报告生成模块，将对比结果生成到对比报告模板中，实现对比报告自动出具；本发明解决了海量数据处理难度大的问题，实现批量化处理载荷数据，提升计算效率，实现自动输出对比报告，缩短研发周期，改善设计的经济性。

Description

一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法
技术领域
本发明涉及风电机组载荷评估分析的技术领域，尤其是指一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法。
背景技术
准确的载荷评估是保证风电机组安全性和可靠性的重要前提。根据IEC61400风力发电机组设计规范，需将载荷测试得到的实测风况数据作为输入条件开展仿真工作，计算风电机组在不同环境条件和不同运行工况下的结构载荷，与相应工况下的载荷测试数据进行对比分析，评估结构强度、极限载荷、疲劳寿命、固有频率、功率等各项参数是否存在较大差异，根据对比结果，分析差异产生的原因，优化机组设计；即将载荷测试与模拟仿真的结果相互校核，对模型进行修正，完成风电机组的闭环设计验证流程。
在现有技术中，如CN111859679A风电机组测试载荷获取方法、与仿真载荷对比方法及装置的中国专利申请，公开了一种风电机组的载荷对比方法，但没有实现数据处理与报告出具自动化。目前载荷测试和仿真数据的处理和报告出具都依靠研发人员手动完成，样机载荷测试的时间一般会长达几个月，其测试统计文件TABLE.mat包含测试风况、功率、转速、桨叶角度、塔筒叶片等关键部位弯矩等诸多数据，研究人员需要统计每个工况的最大值、最小值、平均值、标准差，对每个风速段内数据点进行风速Bin处理，计算俘获矩阵，应用雨流计数法计算各载荷分量的1Hz等效疲劳载荷，风电机组20年寿命等效疲劳载荷，提取和处理这些数据的工作量巨大。
载荷仿真工作的主要流程是依据设计图纸，使用仿真软件搭建风电机组模型，将实测的风切变、空气密度、湍流度、风速、偏航误差等数据作为输入开展仿真，生成计算工况，计算的过程使用高性能的仿真计算平台来完成，计算结果的时序文件会被分割为多个10min文件以二进制的格式分类保存，数据量通常会达到100-200GB，这些数据全都需要研究人员手动转换合并，十分枯燥且耗时，给研究人员的工作制造了很多麻烦；而且对比报告也需要研发人员整理测试和仿真统计数据，绘制图表，手动编辑报告，效率极低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统及方法，通过开发风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，解决海量数据后处理难度大的问题，实现批量化处理载荷数据，提升计算效率和计算结果的可靠性，实现自动输出对比分析报告，缩短研发周期，改善机组设计的经济性。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，包括：
参数变量定义模块，用于定义多个参数，并将各参数作为运行的初始变量；
数据提取与转化模块，用于提取风电机组测试数据，以及遍历风电机组仿真数据，将风电机组仿真数据转换为十进制数据；
载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块，根据风电机组测试数据及风电机组仿真数据，分别计算两者对应风速段的最大值、最小值、平均值和标准差，以及计算两者对应的等效疲劳载荷；
载荷对比模块，用于载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块中计算得到的数据进行平滑处理并进行对比；
对比报告生成模块，根据风电机组测试数据、风电机组仿真数据以及平滑处理数据，进行绘制图表及偏差计算，将结果生成到对比报告模板中，实现对比报告自动出具。
进一步，所述参数变量定义模块执行以下步骤：
定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，并将各参数作为运行的初始变量。
进一步，所述数据提取与转化模块执行以下步骤：
从保存风电机组测试数据的TABLE.mat文件中提取湍流数据，对介于要求湍流区间的数据行返回逻辑值1，提取出相应行的风况和载荷数据，保存到excel表格当中；自动遍历风电机组仿真数据路径下存储发电机转速的.$05、.％05文件，存储功率的.$07、.％07文件，存储桨叶角度的.$08、.％08文件，存储塔筒弯矩的.$025、.％025文件，分别存储风电机组各个叶片弯矩的.$041、.％041；.$042、.％042；.$043、.％043文件，将风电机组仿真数据中的二进制数据转化为十进制后保存到excel表格中。
进一步，所述载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块执行以下步骤：
计算测试数据和仿真数据中各弯矩在对应风速段的最大值、最小值、平均值及标准差；并应用雨流计数法将时域载荷转换为不同均值、不同幅值下的Markov矩阵；同时不考虑均值载荷，将各个截面载荷转换为各分量1Hz等效疲劳载荷，等效疲劳载荷的计算公式如下：
式中，ni表示在载荷幅值为SRi时的循环次数，T为原始时间序列的持续时间，f为采样频率；
根据仿真与测试各风速下1Hz等效疲劳载荷，计算机组20年寿命等效疲劳载荷，其计算公式为：
式中，Rj为10min数据中的幅值，nj为10min数据中的次数，N为在1Hz的采样频率下10min的数据点数；
根据风频分布：不同风速下，出现10min数据20年累积次数为Nk；
则20年累积所有幅值m次方与次数乘积求和：
对于20年等效疲劳载荷：
进一步，所述载荷对比模块执行以下步骤：
基于Bin方法对数据进行平滑处理，即在所测得的整个风速段之间划分出若干个风速区间，将所有数据点按照风速大小划归各个风速区间，然后对各区间内的有效数据点进行统计分析，得到各个测试参数的统计值，最终以这些区间统计值来表征不同区间的散点统计值；对机组的塔筒及叶片等关键部位的载荷进行参数对比，对比的参数包括：1Hz等效疲劳载荷、载荷统计值、固有频率、20年等效疲劳载荷及瞬态工况，自动计算载荷对比偏差表格，并设定偏差阈值，如果对比偏差大于阈值，则对偏差产生的原因进行判别，根据原因修正模型，直至对比偏差小于阈值。
进一步，所述对比报告生成模块执行以下步骤：
根据测试和仿真时序数据，编辑机组正常运行参数表，绘制不同载荷对应的平滑处理数据的折线图和统计数据的散点图，编辑与之对应的统计表，计算数据偏差百分比，绘制固有频率、瞬态工况对比图，不同风电机组部位的20年等效疲劳载荷统计对比表，并自动输出到标准格式报告中，实现对比报告自动出具。
一种风电机组载荷测试与仿真数据分析方法，该方法通过处理器调用上所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析系统中的参数变量定义模块、数据提取与转化模块、载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块、载荷对比模块以及对比报告生成模块实现，包括以下步骤：
S1、定义参数变量；
S2、提取风电机组测试数据与风电机组仿真数据；
S3、分别针对风电机组测试数据与风电机组仿真数据，计算各自的载荷统计值与等效疲劳载荷；
S4、平滑处理风电机组测试数据及风电机组仿真数据的载荷统计值与等效疲劳载荷并将处理后的数据进行对比；
S5、根据步骤S4得到的对比数据，自动出具对比报告；
S6、计算风电机组测试数据及风电机组仿真数据的各参数偏差，若偏差小于预设的阈值，则完成测试与仿真数据分析，若偏差大于预设的阈值，则更新仿真数据，返回步骤S2。
进一步，所述步骤S1包括以下步骤：
在系统集成的GUI页面中定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，并将各参数作为运行的初始变量。
一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据上述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法的步骤。
一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明所述的系统遍历读取测试和仿真数据，批量化计算载荷统计值与等效疲劳载荷，输出结果文件，显著提高了数据后处理效率，降低了计算结果出错的概率，提高了新型机组设计的可靠性。
2、本发明能够通过集成化的GUI页面直接定义参数，无需研究人员修改后台程序，功能完善，操作简单，实时更新的进度条可以将程序运行情况可视化，便于研究人员及时了解后处理进度。
3、本发明能够根据设定的偏差对比阈值来控制风电机组关键部位载荷对比的误差，识别偏差类型，给出与之对应的解决方案，修正模型，保证载荷对比数据的准确性。
4、本发明能够自动绘制图表并输出对比结果到指定模板当中，便于研究人员快速出具对比报告，分析异常产生的原因，及时反馈，对仿真模型进行修正。
附图说明
图1为风电机组载荷测试与仿真数据分析系统的GUI页面的示意图。
图2为对比报告中的塔底前后方向载荷统计值折线对比图。
图3为对比报告中的叶片1挥舞方向等效疲劳载荷折线对比图。
图4为风电机组载荷测试与仿真数据分析方法的流程图。
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。
实施例1
参见图1至图3所示，本实施例所提供的风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，包括：
参数变量定义模块，用于定义多个参数，并将各参数作为运行的初始变量，执行以下步骤：
定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，后台会识别这些参数，并将各参数作为运行的初始变量，系统左下角进度条会实时显示数据处理进度。
数据提取与转化模块，用于提取风电机组测试数据，以及遍历风电机组仿真数据，将风电机组仿真数据转换为十进制数据，执行以下步骤：
从保存风电机组测试数据的TABLE.mat文件中提取湍流数据，对介于要求湍流区间的数据行返回逻辑值1，提取出相应行的风况和载荷数据，保存到标准格式的excel表格当中；自动遍历风电机组仿真数据路径下存储发电机转速的.$05、.％05文件，存储功率的.$07、.％07文件，存储桨叶角度的.$08、.％08文件，存储塔筒弯矩的.$025、.％025文件，分别存储风电机组3只叶片弯矩的.$041、.％041；.$042、.％042；.$043、.％043文件，将风电机组仿真数据中的二进制数据转化为十进制后参照测试数据的格式保存到excel表格中；由于载荷测试变量与载荷仿真数据变量不统一，需要把仿真载荷变量转换为与测试载荷分量具有相同物理意义的GL坐标系：
1)叶根载荷
应变片安装在距离叶根1.5m位置，叶根载荷转化为balde_angle位置，采用RootAxes坐标系下0m和1m截面插值得到。
Mbe＝Mx(R＝1.5m,Root Axes)
Mbf＝My(R＝1.5m,Root Axes)
2)塔顶载荷
应变片安装在塔筒高度88.75m处。
TT_roll＝Mx(@88.75m)
TT_till＝My(@88.75m)
Mttz＝Mz(@88.75m)
3)塔底载荷
应变片安装在塔筒高度9.36m处。
TB_roll＝Mx(@9.36m)
TB_till＝My(@9.36m)
载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块，根据风电机组测试数据及风电机组仿真数据，分别计算两者对应风速段的最大值、最小值、平均值和标准差，以及计算两者对应的等效疲劳载荷，执行以下步骤：
计算测试数据和仿真数据中各弯矩在对应风速段的最大值、最小值、平均值及标准差；并应用雨流计数法将时域载荷转换为不同均值、不同幅值下的Markov矩阵；同时不考虑均值载荷，将各个截面载荷转换为各分量1Hz等效疲劳载荷，旨在预测风电机组的疲劳寿命，计算机组20年寿命循环1.0E8次等效疲劳载荷，采用年平均风速为9.39m/s威布尔分布(k＝1.753)，进一步评估其是否能够按照设计的20年的寿命周期内安全稳定运行。
载荷对比模块，用于载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块中计算得到的数据进行平滑处理并进行对比，执行以下步骤：
对载荷统计值和等效疲劳载荷进行平滑处理，每个bin区间取1m/s为中心，左右各为0.5m/s的连续区间，将整个风速段之间划分为21个风速区间，将所有数据点按照风速大小归入各个风速区间，统计每个区间的样本数量，最终以这些区间统计值来表征不同区间的散点统计值，GUI页面会实时更新计算进度；设定偏差阈值为5％，如载荷偏差超出阈值，则判别偏差类型，并给出解决方案，例如叶片疲劳和塔筒疲劳对比偏差，则调整仿真的湍流度；塔筒频率对比偏差，则调整仿真的基础刚度，直至各部位偏差小于设定的阈值要求。
对比报告生成模块，根据风电机组测试数据、风电机组仿真数据以及平滑处理数据，进行绘制图表及偏差计算，将结果生成到对比报告模板中，实现对比报告自动出具，执行以下步骤：
根据测试和仿真时序数据，编辑机组正常运行参数表，绘制不同载荷对应的平滑处理数据的折线图和统计数据的散点图，编辑与之对应的统计表，计算数据偏差百分比，绘制固有频率、瞬态工况对比图，不同风电机组部位的20年等效疲劳载荷统计对比表，并自动输出到标准格式报告中，实现对比报告自动出具。
实施例2
参见图4所示，本实施例公开了风电机组载荷测试与仿真数据分析方法，该方法通过处理器调用实施例1所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析系统中的参数变量定义模块、数据提取与转化模块、载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块、载荷对比模块以及对比报告生成模块实现，包括以下步骤：
S1、定义参数变量，包括以下步骤：
在系统集成的GUI页面中定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，并将各参数作为运行的初始变量。
S2、提取风电机组测试数据与风电机组仿真数据；
S3、分别针对风电机组测试数据与风电机组仿真数据，计算各自的载荷统计值与等效疲劳载荷；
S4、平滑处理风电机组测试数据及风电机组仿真数据的载荷统计值与等效疲劳载荷并将处理后的数据进行对比；
S5、根据步骤S4得到的对比数据，自动出具对比报告；
S6、计算风电机组测试数据及风电机组仿真数据的各参数偏差，若偏差小于预设的阈值，则完成测试与仿真数据分析，若偏差大于预设的阈值，则更新仿真数据，返回步骤S2。
实施例3
本实施例公开了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据实施例2所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法的步骤。
本实施例中的非暂时性计算机可读介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。
实施例4
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例2所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法。
本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。
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 (10)

1.一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，包括：
参数变量定义模块，用于定义多个参数，并将各参数作为运行的初始变量；
数据提取与转化模块，用于提取风电机组测试数据，以及遍历风电机组仿真数据，将风电机组仿真数据转换为十进制数据；
载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块，根据风电机组测试数据及风电机组仿真数据，分别计算两者对应风速段的最大值、最小值、平均值和标准差，以及计算两者对应的等效疲劳载荷；
载荷对比模块，用于载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块中计算得到的数据进行平滑处理并进行对比；
对比报告生成模块，根据风电机组测试数据、风电机组仿真数据以及平滑处理数据，进行绘制图表及偏差计算，将结果生成到对比报告模板中，实现对比报告自动出具。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，所述参数变量定义模块执行以下步骤：
定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，并将各参数作为运行的初始变量。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，所述数据提取与转化模块执行以下步骤：
从保存风电机组测试数据的TABLE.mat文件中提取湍流数据，对介于要求湍流区间的数据行返回逻辑值1，提取出相应行的风况和载荷数据，保存到excel表格当中；自动遍历风电机组仿真数据路径下存储发电机转速的.$05、.％05文件，存储功率的.$07、.％07文件，存储桨叶角度的.$08、.％08文件，存储塔筒弯矩的.$025、.％025文件，分别存储风电机组各个叶片弯矩的.$041、.％041；.$042、.％042；.$043、.％043文件，将风电机组仿真数据中的二进制数据转化为十进制后保存到excel表格中。
4.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，所述载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块执行以下步骤：
计算测试数据和仿真数据中各弯矩在对应风速段的最大值、最小值、平均值及标准差；并应用雨流计数法将时域载荷转换为不同均值、不同幅值下的Markov矩阵；同时不考虑均值载荷，将各个截面载荷转换为各分量1Hz等效疲劳载荷，等效疲劳载荷ΔSm的计算公式如下：
式中，ni表示在载荷幅值为SRi时的循环次数，T为原始时间序列的持续时间，f为采样频率；
根据仿真与测试各风速下1Hz等效疲劳载荷，计算机组20年寿命等效疲劳载荷，其计算公式为：
式中，Rj为10min数据中的幅值，nj为10min数据中的次数，N为在1Hz的采样频率下10min的数据点数；
根据风频分布：不同风速下，出现10min数据20年累积次数为Nk；
则20年累积所有幅值m次方与次数乘积求和：
对于20年等效疲劳载荷：
5.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，所述载荷对比模块执行以下步骤：
基于Bin方法对数据进行平滑处理，即在所测得的整个风速段之间划分出若干个风速区间，将所有数据点按照风速大小划归各个风速区间，然后对各区间内的有效数据点进行统计分析，得到各个测试参数的统计值，最终以这些区间统计值来表征不同区间的散点统计值；对机组的塔筒及叶片等关键部位的载荷进行参数对比，对比的参数包括：1Hz等效疲劳载荷、载荷统计值、固有频率、20年等效疲劳载荷及瞬态工况，自动计算载荷对比偏差表格，并设定偏差阈值，如果对比偏差大于阈值，则对偏差产生的原因进行判别，根据原因修正模型，直至对比偏差小于阈值。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析系统，其特征在于，所述对比报告生成模块执行以下步骤：
根据测试和仿真时序数据，编辑机组正常运行参数表，绘制不同载荷对应的平滑处理数据的折线图和统计数据的散点图，编辑与之对应的统计表，计算数据偏差百分比，绘制固有频率、瞬态工况对比图，不同风电机组部位的20年等效疲劳载荷统计对比表，并自动输出到标准格式报告中，实现对比报告自动出具。
7.一种风电机组载荷测试与仿真数据分析方法，其特征在于，该方法通过处理器调用权利要求1-6任一项所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析系统中的参数变量定义模块、数据提取与转化模块、载荷统计值与等效疲劳载荷计算模块、载荷对比模块以及对比报告生成模块实现，包括以下步骤：
S1、定义参数变量；
S2、提取风电机组测试数据与风电机组仿真数据；
S3、分别针对风电机组测试数据与风电机组仿真数据，计算各自的载荷统计值与等效疲劳载荷；
S4、平滑处理风电机组测试数据及风电机组仿真数据的载荷统计值与等效疲劳载荷并将处理后的数据进行对比；
S5、根据步骤S4得到的对比数据，自动出具对比报告；
S6、计算风电机组测试数据及风电机组仿真数据的各参数偏差，若偏差小于预设的阈值，则完成测试与仿真数据分析，若偏差大于预设的阈值，则更新仿真数据，返回步骤S2。
8.根据权利要求7所述的一种风电机组载荷测试与仿真数据分析方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
在系统集成的GUI页面中定义数据通道名称、湍流度、数据测试时间、设计使用寿命、疲劳载荷等效循环次数、塔筒和叶片截面高度编号以及数据存储路径，并将各参数作为运行的初始变量。
9.一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求7所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法的步骤。
10.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求7所述的风电机组载荷测试与仿真数据分析方法。
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