風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡稱"風(fēng)電機(jī)組"）整機(jī)的疲勞壽命由其各關(guān)鍵部件疲勞壽命中最 短者決定。而通常，各關(guān)鍵部件在出廠時(shí)就通過在不同工況下進(jìn)行疲勞模擬仿真，得到不同 工況下的疲勞壽命。當(dāng)各關(guān)鍵部件在風(fēng)電機(jī)組上正常運(yùn)行時(shí)，通過記錄這些關(guān)鍵部件的運(yùn) 行數(shù)據(jù)，或是可影響其壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與之前的模擬仿真的工況進(jìn)行比對(duì)， 從而得到當(dāng)前各關(guān)鍵部件的疲勞壽命，進(jìn)而得到風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命。
[0003] 但是，上述現(xiàn)有技術(shù)由于參照的是模擬仿真工況，與實(shí)際的工況之間存在差距，因 此不能準(zhǔn)確的評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法和裝置，以實(shí)時(shí)快速、精 確的預(yù)測風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法，所述 方法包括:周期性獲取風(fēng)電機(jī)組中各關(guān)鍵部件處的原始載荷數(shù)據(jù)，并形成原始載荷時(shí)間序 列；對(duì)所述原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，并按線性損傷累積理論計(jì)算各周期內(nèi)所述原 始載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等效載荷;對(duì)各周期對(duì)應(yīng)的所述等效載荷以迭代方式進(jìn)行短時(shí)等效，生 成相應(yīng)周期內(nèi)的短時(shí)等效載荷;根據(jù)各周期對(duì)應(yīng)的所述短時(shí)等效載荷以及各所述關(guān)鍵部件 的設(shè)計(jì)壽命、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中推薦的等效周期數(shù)，計(jì)算得到各周期對(duì)應(yīng)的各所述關(guān)鍵部件的生 命周期等效載荷;根據(jù)所述生命周期等效載荷，預(yù)測各周期對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測裝置，所述裝置包括:原始 載荷獲取模塊，用于周期性獲取風(fēng)電機(jī)組中各關(guān)鍵部件處的原始載荷數(shù)據(jù)，并形成原始載 荷時(shí)間序列；等效載荷模塊，用于對(duì)所述原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，并按線性損傷累 積理論計(jì)算各周期內(nèi)所述原始載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等效載荷;短時(shí)等效模塊，用于對(duì)各周期對(duì) 應(yīng)的所述等效載荷以迭代方式進(jìn)行短時(shí)等效，生成相應(yīng)周期內(nèi)的短時(shí)等效載荷;生命周期 等效模塊，用于根據(jù)各周期對(duì)應(yīng)的所述短時(shí)等效載荷以及各所述關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)壽命、評(píng) 估標(biāo)準(zhǔn)中推薦的等效周期數(shù)，計(jì)算得到各周期對(duì)應(yīng)的各所述關(guān)鍵部件的生命周期等效載 荷;疲勞壽命預(yù)測模塊，用于根據(jù)所述生命周期等效載荷，預(yù)測各周期對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組的疲 勞壽命。
[0007] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法和裝置，從風(fēng)電機(jī)組中多 個(gè)關(guān)鍵部件處采集原始載荷數(shù)據(jù)形成原始載荷時(shí)間序列，通過對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì) 數(shù)，按線性損傷累積理論計(jì)算各周期內(nèi)所述原始載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等效載荷;然后對(duì)各周期 的等效載荷以周期迭代方式計(jì)算短時(shí)等效載荷，再由短時(shí)等效載荷推演到生命周期等效載 荷;最后由生命周期等效載荷預(yù)測各周期對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵部件的疲勞生命，進(jìn)而預(yù)測風(fēng)電機(jī)組 整機(jī)的疲勞壽命。本方案執(zhí)行過程嚴(yán)謹(jǐn)清晰，可快速準(zhǔn)確的評(píng)估出各周期下對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī) 組的疲勞壽命。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明提供的風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法一個(gè)實(shí)施例的流程圖；
[0009] 圖2為本發(fā)明提供的短時(shí)等效載荷求解方法一個(gè)實(shí)施例的流程圖；
[0010]圖3為本發(fā)明提供的風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測裝置一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0011] 圖4為本發(fā)明提供的等效載荷模塊一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0012] 圖5為本發(fā)明提供的短時(shí)等效模塊一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0013] 附圖標(biāo)記說明：310-原始載荷獲取模塊、320-等效載荷模塊、330-短時(shí)等效模塊、 340-生命周期等效模塊、350-疲勞壽命預(yù)測模塊、321-雨流計(jì)數(shù)單元、322-等效載荷單元、 331-等效均值單元、332-等效方差單元、333-概率函數(shù)構(gòu)建單元、334-等效載荷概率值單 元、335-各風(fēng)速段等效載荷單元、336-短時(shí)等效單元。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本方案的發(fā)明構(gòu)思，是先對(duì)原始載荷數(shù)據(jù)按線性損傷累積理論計(jì)算各周期對(duì)應(yīng)的 等效載荷，然后進(jìn)行短時(shí)等效得到短時(shí)等效載荷，再由短時(shí)等效載荷得到生命周期等效載 荷，最后根據(jù)生命周期等效載荷推演得到風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命。
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法和裝置進(jìn)行詳細(xì) 描述。
[0016] 實(shí)施例一
[0017] 圖1為本發(fā)明提供的風(fēng)電機(jī)組的疲勞壽命預(yù)測方法一個(gè)實(shí)施例的流程圖，該方法 的執(zhí)行主體可為設(shè)置在風(fēng)電場中的控制器，或者是個(gè)風(fēng)電機(jī)組的控制器。如圖1所示，該方 法包括如下步驟：
[0018] S110,周期性獲取風(fēng)電機(jī)組中各關(guān)鍵部件處的原始載荷數(shù)據(jù)，并形成原始載荷時(shí) 間序列。
[0019] 本實(shí)施例中，可通過在關(guān)鍵部件處，如葉片根部、風(fēng)電機(jī)組主軸、塔筒頂部、塔筒底 部等位置設(shè)置如加速度傳感器或應(yīng)變片，來檢測相應(yīng)位置上的原始載荷數(shù)據(jù)，包括:葉片根 部揮舞及擺振方向彎矩、主軸扭矩、主軸偏航方向彎矩、主軸俯仰方向彎矩、塔筒頂部扭矩、 塔筒頂部前后方向推力和彎矩、塔筒頂部側(cè)向推力和彎矩、塔筒底部前后和側(cè)向彎矩。
[0020] 具體地，傳感器直接檢測到的數(shù)據(jù)為電信號(hào)，對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行濾波處理后，還要再 將傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)被測物所承受載荷的物理量(如彎矩或力），最后，得到 指定格式的載荷數(shù)據(jù)，典型格式如:包含測量時(shí)間標(biāo)記的載荷數(shù)據(jù)時(shí)間序列。將多種載荷的 時(shí)間序列合并可形成一個(gè)矩陣，該矩陣的第一列是時(shí)間序列向量，之后的每列分別代表一 種載荷的數(shù)據(jù)向量。
[0021] 這里強(qiáng)調(diào)，本實(shí)施例采用的計(jì)算周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的采樣周期，也就是說，本步 驟中，周期性獲取風(fēng)電機(jī)組中各關(guān)鍵部件處的原始載荷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)是很多組而非一組原始 載荷數(shù)據(jù)。
[0022] S120,對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，并按線性損傷累積理論計(jì)算各周期內(nèi) 原始載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等效載荷。
[0023] 實(shí)際測量時(shí)得到的原始載荷，包括載荷幅值和循環(huán)次數(shù)都是無規(guī)律的，為了將其 等效為有規(guī)律的便于操作的具體數(shù)值，本實(shí)施例中，先對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)， 得到各周期內(nèi)載荷的大小以及數(shù)量，然后，再按照按線性損傷累積理論計(jì)算各周期內(nèi)原始 載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等效載荷。線性損傷累積理論(Palmgren-Miner)是進(jìn)行載荷等效時(shí)常常采 用的等效理論方法。
[0024] 具體地，本實(shí)施例中，先對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，得到各周期內(nèi)同類原 始載荷數(shù)據(jù)的頻次。如果按照上述周期對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，那么相應(yīng)的同 類原始載荷數(shù)據(jù)的頻次可理解為是在一個(gè)周期內(nèi)一種原始載荷數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)值出現(xiàn)的次 數(shù)。
[0025] 而在運(yùn)用線性損傷累積理論(Palmgren-Miner)進(jìn)行載荷等效時(shí)，本實(shí)施例是依據(jù) 同類別的原始載荷數(shù)據(jù)的頻次按線性損傷累積理論計(jì)算各周期內(nèi)原始載荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的變 化周期為1Hz的等效載荷ΔΜ(1Ηζ)。其含義為特指與變化周期為1Hz有相同損傷效果的等效載 荷，等效載荷AM (1Hz)的具體值即為一個(gè)周期為1Hz的完整載荷周期正弦波的峰谷值。
[0026]在實(shí)際場景中，風(fēng)電機(jī)組存在多種運(yùn)行工況，例如正常發(fā)電狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、限功 率狀態(tài)等，不同工況下，等效載荷的計(jì)算方式也有所不同，但總體說來主要分為兩種工況： 正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行。例如，在正常運(yùn)行的工況下以統(tǒng)計(jì)各載荷循環(huán)幅值及對(duì)應(yīng)周期數(shù) 為主，即主要計(jì)算時(shí)間歷程(Load Duration Data)，而在非正常工況下主要統(tǒng)計(jì)各載荷的 出現(xiàn)次數(shù)。因此，在對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)前，先對(duì)原始載荷時(shí)間序列按工況進(jìn) 行分類，對(duì)原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行劃分并依不同工況采用不同方法統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)生命周期的疲 勞載荷周期數(shù)。通常，在正常工況下，載荷產(chǎn)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組的壽命影響的主導(dǎo)占到85%以 上，因此，本方案中主要提取風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行工況下的原始載荷時(shí)間序列進(jìn)行上述載荷 等效。同時(shí)，為使載荷評(píng)估結(jié)果的精度盡可能高，會(huì)兼顧其他運(yùn)行工況一并進(jìn)行全面的評(píng)估 和計(jì)算。
[0027] S130,對(duì)各周期對(duì)應(yīng)的等效載荷以迭代方式進(jìn)行短時(shí)等效，生成相應(yīng)周期內(nèi)的短 時(shí)等效載荷。
[0028] 所謂短時(shí)等效載荷即為將上述得到的等效載荷綜合考慮不同條件如風(fēng)速、時(shí)間段 等因素后綜合得到的上述等效載荷在一段時(shí)間長度內(nèi)的等效值。
[0029] 本實(shí)施例中，采用的短時(shí)等效的方法的思路，是先求解上述各周期對(duì)應(yīng)的等效載 荷隨不同風(fēng)速的概率密度分布，以及不同風(fēng)速隨時(shí)間的概率密度分布，將二者的概率密度 分布聯(lián)合考慮后，最終求解等效載荷隨時(shí)間的概率密度分布，進(jìn)而依據(jù)各周期內(nèi)等效載荷 在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的概率值求解得到短時(shí)等效載荷。
[0030] 本實(shí)施例中，對(duì)上述各步驟中采用的各概率密度分布模型的具體形式不作限定。
[0031] 具體地，在按周期求解各周期對(duì)應(yīng)的短時(shí)等效載荷時(shí)，可將各周期得到的等效載 荷、短時(shí)等