专利汇可以提供一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于Matlab的Bladed 风 机 载荷 处理系统,具体为基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理 软件 ,区分有四大模 块 ,分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块。本发明将常见的载荷前后处理过程通过计算程序实现自动化,减少载荷计算人员人工处理的时间与重复性工作,提高载荷前后处理的效率。本发明可实现自动生成基于自定义工况表的载荷计算模型文件,各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出,基于整机系统的各部件设计及流程归纳总结,完成各部件设计载荷的输出,通过程序依据各种工况的评价指标自动对工况进行评价判定,快速判定各工况仿真模型与仿真时序是否正常。,下面是一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统专利的具体信息内容。
1.一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于:所述系统为基于MATLAB开发的风机BLADED载荷计算前后处理软件,区分有四大模块,分别为Bladed载荷计算前处理模块、Bladed常规载荷后处理模块、Bladed部件载荷处理模块、Bladed载荷工况自评价模块;其中:
所述Bladed载荷计算前处理模块,包括载荷计算工况文件的自动生成,极端与疲劳后处理文件的自动生成;其中,所述Bladed载荷计算前处理模块中载荷计算工况文件的自动生成流程如下:
1)用户基于风机载荷计算设计规范在Excel中使用预设的方法进行工况定义,在该方法中,程序定义了各种工况仿真中可能需要更改的20种外部条件或自身故障设置,而载荷计算中任何一个工况定义都能够看作是对基准模型进行其中一项或多项设置更改,这20项设置如下:①规则波定义;②不规则波定义,不包含约束波;③不规则波定义,包含约束波;
④洋流定义;⑤水深定义;⑥方位角定义;⑦安全链回路定义;⑧正常停机定义;⑨永久卡死定义;⑩固定速率变桨定义; 突然卡死定义; 准静态仿真; 控制器dll路径; 控制器参数表路径; 稳态风定义; 无风切变; 有风切变; 由风文件设置湍流强度;
ETM湍流强度; 自定义湍流强度;每个工况定义指定了这20项的一项或多项,最终形成了用户欲仿真计算所用工况表模板;
2)基于同一个标准规范,边界条件不同,每个工况的参数定义不同,因此针对某一个特定边界条件,需要生成真正具有明确参数值的可仿真工况表,基于上述的工况表模板,在Matlab前处理程序中读取该工况表,同时结合界面中输入基准模型,风文件路径,以及仿真边界条件Excel,得到xml格式的可仿真工况表,在该工况表中包含了基准模型路径,风文件路径;同时将原表征边界条件的替代符替换为边界条件中指定的边界条件,这样得到的工况表中所有工况的参数设置具有了明确的数值;
3)上述工况表生成后,调用工况生成程序,以工况表为其输入,自动生成对应的工况定义模型文件,其过程为程序依次读取每个工况定义中的特性设置,具体是前述20项设置中一种或几种,使用对应的子函数进行对应的特性更改,原理为Bladed模型文件格式为文本文件,同时其划分为很多模块,每个模块中每一行定义了一个特性设置,每一行的头一个单词指明了对应的特性,依次读取基准模型文件中的每一行,当发现该特性为工况定义表中存在的特性,即对该行进行修改,如此对工况表中每个特性均修改完成后,该工况定义模型文件即生成了,就能够进行仿真计算;
所述Bladed载荷后处理模块,包括Bladed计算结果的时序批量输出,各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出;
所述Bladed部件载荷处理模块,基于整机系统的各部件设计及流程归纳总结,完成各部件设计载荷的输出,包括变桨系统载荷、偏航系统载荷、传动链系统载荷、部件分方向极限载荷;
所述Bladed载荷工况自评价模块,通过程序依据各种工况的评价指标自动对工况进行评价判定,快速判定各工况仿真模型与仿真时序是否正常,提高仿真模型与仿真时序校对的效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于:
所述Bladed载荷计算前处理模块中极端与疲劳后处理文件自动生成原理与流程如下:
1)Bladed载荷计算完成后,生成大量载荷数据,不同类型的载荷存储的不同后缀名文件中;
2)自动生成后处理程序界面输入载荷计算时序所在目录,程序使用递归方法遍历该文件夹及其其下的所有子目录,在每个子目录下搜寻Bladed模型文件,若发现即将该目录存储同时存储对应的文件名,该文件名表征了对应的工况名称;
3)得到所有工况目录列表与定义工况名称后,自动生成程序即依照Bladed后处理文件格式构造对应的后处理文件,其中极限载荷后处理需要用户提供每个工况类别的安全系数,疲劳载荷后处理需要提供每个工况1年发生的小时数。
3.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于:
所述Bladed载荷后处理模块中时序批量输出流程如下:
Bladed载荷计算中输出的各种类型载荷均有其特定后缀,时序输出程序依据用户指定的载荷类型,查找对应的后缀,再依据该后缀在用户指定的目录下进行搜索,查找到一个该后缀的文件,即认为查找到一个工况,再读取该载荷文件,该文件格式为二进制格式,使用matlab的二进制文件读取函数fread数据类型选择single即可读取,读取载荷文件中载荷数据前,程序会读取该时序对应的时间列,获取完时间列以及用户指定的载荷数据列,该载荷时序即导出为Excel或txt文件之中,依次循环每个目录进行工况查找时序导出,直至所有目录遍历完毕,时序导出结束。
4.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于:
所述Bladed载荷后处理模块中各部件极端与疲劳载荷的自动提取并输出流程如下:
Bladed后处理计算完成后,极限载荷存储所需后缀名文件中,等效疲劳载荷存储在相应后缀名文件中,载荷提取程序遍历每个目录,查找对应的后缀的文件,一旦发现,即读取该后处理结果数据,同时依据该文件名可判定该载荷类型,读取完数据后,依据该载荷类型,填充到预先定义好的Excel模板中的指定位置,该Excel模板中,定义有主要部件极限载荷,主要部件等效疲劳载荷,塔架极限与疲劳载荷。
5.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于,所述Bladed部件载荷处理模块中变桨系统载荷处理包括:
1)变桨轴承极限与疲劳载荷,该载荷即为叶片叶根坐标系下的极限与疲劳载荷,使用前述载荷后处理过程提取对应变量的载荷即可,相关变量名为Blade root Mx,Blade root My,Blade root Mz,Blade root Mxy,Blade root Fx,Blade root Fy,Blade root Fxy,Blade root Fz其中Blade root Mxy为变桨轴承承受的弯矩,Blade root Mz为变桨驱动承受的扭矩,风机有3个叶片,极限载荷取3个叶片中对应载荷最大值输出,疲劳载荷对疲劳时序进行雨流后计算出其等效疲劳载荷,等效疲劳载荷计算公式为:
其中,Tf为等效循环次数,Si为雨流后载荷幅值,ni为对应cycle数目,m为SN曲线斜率倒数;
2)变桨轴承平均载荷,该变桨轴承平均载荷由疲劳载荷工况时序结合每个工况在一年中发生的小时数构成持续20年的总时序,最终统计出各Blade root相关变量在20年风机寿命内的平均值即为变桨轴承平均载荷;
3)变桨轴承内齿圈LDD载荷,对应载荷变量为Blade root Mz,LDD载荷包含各个载荷区间中平均载荷、持续时间与平均速度,处理方法为:将该载荷时序由载荷最小值到最大值分割成50等分,统计载荷分别出现在每个等分区间的时间与占比,结合桨叶变桨角度,统计出载荷分别出现在每个等分区间时桨叶变桨角度的累加值,由桨叶变桨角度累加值/持续时间得到载荷在每个区间出现时的平均变桨速度,单位转为转/秒;
4)变桨轴承滚道LDD载荷,处理方法与上述类似,只是对应载荷变量为Blade root Mxy;
5)变桨小齿轮扭矩LDD载荷与等效疲劳载荷,变桨小齿轮扭矩与变桨轴承扭矩之间的关系为:
其中,Tpinion为变桨小齿轮承受扭矩,Tbearing为变桨轴承承受扭矩,在z1为变桨轴承内齿圈齿数,z2为变桨小齿轮齿数,基于此关系,变桨小齿轮LDD载荷中平均载荷与平均速度由变桨轴承扭矩LDD平均载荷经过上式相同比例变换即可,变桨小齿轮LDD中持续时间与变桨轴承扭矩LDD载荷持续时间相同;
6)变桨电机正常运行时平均扭矩与极限扭矩,该载荷由风力机在正常发电状态下的时序提取得到,平均载荷处理方法为首先计算每个风速段时序中变桨摩擦扭矩,变桨摩擦扭矩的计算公式如下:
Tf=0.006/2*(4.4*Mxy+D*Fz+2.2*1.73*D*Fxy)
其中,D为变桨轴承滚珠中心直径;
包含摩擦扭矩后,考虑变桨轴承内齿圈与变桨小齿轮之间的齿轮传动比,变桨减速箱传动比,基于变桨齿轮箱与变桨电机效率,得到变桨电机力矩,公式如下:
Tdrive=(Mz+Tf)/(z1/z2)/ratio/η
其中,ratio为变桨减速箱传动比,η为变桨系统效率;
得到变桨电机扭矩时序后,统计其最大值,即得其极限扭矩,统计其平均值与标准偏差,计算其RMS值即为其平均载荷,公式如下:
其中,Tmean为载荷平均高值,Tstd为载荷标准差;
7)变桨电机削峰扭矩,由于实际变桨电机在承受短时尖峰扭矩,因此有必要对扭矩载荷进行削峰处理,削峰处理的过程为:对每个工况时序,首先查找其最大载荷出现的时刻,再依据削峰时间,统计相应RMS值,即得其削峰载荷,依次对每个工况以上述方法进行处理,取最大值即得该变桨电机削峰扭矩;
所述Bladed部件载荷处理模块中偏航系统载荷处理包括:
1)偏航轴承极限与疲劳载荷,与变桨轴承极限与疲劳载荷处理过程类似,偏航轴承载荷对应变量为Yaw Bearing Mx,Yaw Bearing My,Yaw Bearing Mxy,Yaw Bearing Mz,Yaw Bearing Fx,Yaw Bearing Fy,Yaw Bearing Fxy,Yaw Bearing Fz,其中Yaw Bearing Mxy为变桨轴承滚道承受弯矩,Yaw Bearing Mz为变桨驱动承受扭矩;
2)偏航扭矩与偏航轴承滚道LDD载荷,与变桨轴承处理过程类似;
3)偏航驱动小齿轮LDD载荷与等效疲劳载荷,与变桨轴承处理过程类似;
所述Bladed部件载荷处理模块中传动链系统载荷处理包括:
1)传动链扭矩极限与疲劳载荷,传动链扭矩对应变量为旋转坐标系的Mx载荷,变量为LSS Torque,极限与疲劳载荷处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同;
2)传动链低速轴端与高速轴端LDD载荷与载荷谱,传动链低速轴端扭矩对应变量为LSS Torque,高速轴端扭矩对应变量为HSS Torque,LDD载荷与载荷谱处理方法与变桨轴承极限与疲劳载荷相同;
3)传动链高速轴端马尔科夫矩阵,计算等效疲劳过程中,雨流得到了每个载荷时序对应的载荷幅值,平均值与雨流循环次数,将载荷幅值与平均值为坐标轴,雨流循环次数作为对应值,得到的二维表即为马尔科夫矩阵;
所述Bladed部件载荷处理模块中部件分方向极限载荷处理具体如下:
将一圈360度平均分割为15度区间,即0-15度为第一个区间,15-30度为第二个区间依次类推,能够得到24个等分区间,再将载荷存储在对应的位置,将时序中每一个时刻依次分配到24个区间中的一个,最终统计得到24个区间中每个区间的最大值;
另需要将时序中轮毂中心坐标系下的载荷转移到轮毂与主轴端面位置,公式如下:
其中,My,Mz,Fy,Fz为轮毂中心处载荷,My’,Mz’为轮毂与主轴端面中心位置载荷,d为两点之间距离。
6.根据权利要求1所述的一种基于Matlab的Bladed风机载荷处理系统,其特征在于:
所述Bladed载荷工况自评价模块通过对载荷计算模型与最终计算时序依据模型与时序中一些关键指标进行程序自动评价判断,提高载荷计算结果校对的效率;
其中,模型评估部分主要的评价指标参数有:叶片Flapwise,Edgewise各阶频率,塔架for-aft,side-to-side各阶频率,齿轮箱变比,发电机转动惯量,低速轴扭转刚度,控制器通讯步长,安全链变桨速率;程序评估的过程为:首先将以上参数值定义在Excel表中,再评估程序依次读取每个工况中后缀为$VE的文件中特定项,若发现有某一项与正确的参数有异,即认为模型定义有误;
其中,工况时序评估部分主要评价方法为评估该工况的运行逻辑时候与控制策略一致,具体包括,正常发电控制逻辑是否一致,正常停机控制逻辑是否一致,偏航超限停机逻辑是否一致,软件超速停机逻辑是否一致,硬件超速停机逻辑是否一致,电网掉电停机逻辑是否一致,方法如下:
1)正常发电控制逻辑评估,正常发电工况必须符合正常发电控制逻辑,具体指标为整个时序过程中发电机转速与功率须大于0,发电机转速不能超过软件超速设定值,机械刹车不能启动,桨叶变桨速率不能超过最大变桨速率;
2)正常停机控制逻辑评估,正常停机工况须符合正常停机逻辑,具体指标为停机完成风轮转速须降到1rpm之下,发电机转速不能超过软件超速设定值,机械刹车不启动,桨叶最终须顺桨完,桨叶角度在88-92度之间,最终变桨停机速率与正常停机变桨速率相同;
3)偏航超限停机逻辑评估,偏航超限运行工况须符合偏航超限停机逻辑,具体指标为整个时序,停机完成风轮转速须降到1rpm之下,机械刹车不启动,桨叶最终须顺桨完成,桨叶角度在88-92度之间,最终变桨停机速率为偏航超限停机变桨速率;
4)软件超速停机逻辑评估,在阵风工况,软件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑,判定方法为发电机转速是否超过软件超速设定值,此时须满足停机完成风轮转速须降到1rpm之下,机械刹车不启动,桨叶最终须顺桨完成,桨叶角度在88-92度之间,最终变桨停机速率为快速停机变桨速率;
5)硬件超速停机逻辑评估,在阵风工况或硬件超速模拟工况可能会出现该停机逻辑,判定方法为发电机转速是否超过硬件超速设定值,此时须满足停机完成风轮转速须降到
1rpm之下,机械刹车需要启动,桨叶最终须顺桨完成,桨叶角度在88-92度之间,最终变桨停机速率为安全链停机变桨速率;
6)电网掉电停机逻辑评估,在发电机转速未超过硬件超速设定值时,电网掉电工况须符合电网掉电停机逻辑,具体指标为:停机完成后风轮转速须降到1rpm之下,机械刹车不能启动,桨叶最终须顺桨完成,桨叶角度在88-92度之间,最终变桨停机速率为电网掉电变桨速率。
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