本發明涉及海上風電機組領域，尤其涉及風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法及系統、設備及存儲介質。

背景技術：

1、海上風電機組在運行過程中承受著復雜多變的載荷，包括風、浪以及機組自身的運動產生的復合載荷。長期的載荷累積會對塔筒的結構產生疲勞損傷，影響機組的運行壽命和安全性。

2、傳統的塔筒載荷監測方法依賴于大量傳感器的布置，這不僅增加了風電機組的制造和維護成本，還存在傳感器壽命短、安裝復雜等問題。由于海上風電機組受海洋環境影響較大，傳感器在惡劣環境下的長期使用會導致頻繁故障。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題在于，提供一種涉及風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法及系統、設備及存儲介質。

2、本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法，包括以下步驟：

3、s1：獲取目標塔筒上多個節點的形函數；所述多個節點沿目標塔筒高度方向均勻劃分而成；

4、s2：獲取目標風電機組的運行數據；

5、s3：將所述運行數據和每個節點上的所述形函數輸入至預設的風電機組模型，以得到目標塔筒上對應于每個節點的彎矩時間序列；

6、s4：根據每個節點的所述彎矩時間序列，確定每個節點的累計損傷程度；

7、s5：根據至少一個節點的所述累計損傷程度，輸出目標塔筒的結構疲勞評估結果。

8、在一些實施例中，在步驟s1中，每個節點上的所述形函數表示為：

9、

10、式中，為第個節點對應于塔筒的相對高度；a1―a5為與塔筒的形狀相關聯的關聯參數，lt為塔筒加上剛性基礎的總體高度，lb為剛性基礎高度。

11、在一些實施例中，每個節點的所述關聯參數a1―a5的獲取方法，包括以下步驟：

12、s11：獲取作為參考的參考關聯參數；

13、s12：根據所述參考關聯參數，得到目標塔筒在對應節點處的預估關聯參數；

14、s13：根據所述預估關系參數，得到對應節點處的預估彎矩；

15、s14：獲取對應節點處的真實彎矩，并將所述真實彎矩與所述預估彎矩進行比較；其中，在所述預估彎矩與所述真實彎矩之間的差異在預設誤差范圍內時，將所述預估關聯參數作為用于計算對應節點處的彎矩的關聯參數；在所述預估彎矩與所述真實彎矩之間的差異不在預設誤差范圍內時，調整所述預估關聯參數，直至所述預估彎矩與所述真實彎矩之間的差異在預設誤差范圍內。

16、在一些實施例中，任一節點的所述彎矩時間序列的獲得步驟，具體包括：

17、將所述運行數據和每個節點上的所述形函數輸入至預設的風電機組模型，得到塔筒在時刻t下、高度z的位置的位移量；

18、根據以下公式，計算得到塔筒在時刻t下、高度z的位置的所述塔筒彎矩；

19、m(z，t)＝ei(z)κ(z，t)??(4)

20、

21、式中，κ(z，t)為塔筒在時刻t下、高度z的位置的曲度：q(z，t)為塔筒在時刻t下、高度z的位置的位移量；ei(z)為塔筒在高度z位置下的剛度系數；m(z，t)為塔筒在時刻t下、高度z的位置的塔筒彎矩；

22、以此類推，計算連續時刻下的所述塔筒彎矩，得到任一節點的所述彎矩時間序列。

23、在一些實施例中，所述風電機組模型為2自由度的風電機組模型，與塔筒軸向位移與傳動軸旋轉相關。

24、在一些實施例中，所述風電機組模型表示為：

25、

26、式中，ta為氣動推力，qa為氣動轉矩，qg為等效發電機轉矩，q為塔筒軸向位移距離，為塔筒軸向位移速度，為塔筒軸向位移加速度，ψ為傳動軸旋轉角度，為傳動軸旋轉角速度，為傳動軸旋轉角加速度，m為風電機組的廣義質量，jx，r為傳動軸繞x軸方向的轉動慣量，d為塔筒軸向彎曲廣義阻尼系數，k為塔筒軸向彎曲廣義剛度系數；

27、或者，所述風電機組模型表示為：

28、

29、式中，fq為塔筒所受到的廣義推力，qa為氣動轉矩，qg為等效發電機轉矩，m為風電機組的廣義質量，為塔筒軸向位移加速度，為傳動軸旋轉角加速度，jx，r為傳動軸繞x軸方向的轉動慣量。

30、在一些實施例中，所述廣義推力fq可以通過以下公式得到，具體為：

31、

32、

33、d＝2ζmeωe??(14)

34、

35、

36、k＝ke+kg??(17)、

37、

38、kg＝kgt+kgw??(19)

39、

40、

41、

42、

43、在式中，fe為外力作用在塔筒上產生的彈性載荷，ke為塔筒的彈性剛度，kg為塔筒的幾何形變系數，d為塔筒軸向彎曲廣義阻尼系數，為塔筒軸向位移速度，ta為氣動推力，mn為機艙質量，mr為轉子質量，xng為機艙重心與機艙中心點在x軸投影上的距離，xnr為轉子重心與機艙中心點在x軸投影上的距離，zng為機艙重心與機艙和塔筒的連接處的中心點在z軸投影上的距離，znr為轉子重心與機艙和塔筒的連接處的中心點在z軸投影上的距離，q為塔筒軸向位移，vy為角度系數，θt為機艙在t時刻的靜態攻角；p(z，t)表示塔筒在高度z的位置、時刻t下所受到的軸向外力；(為塔筒軸向彎曲阻尼系數，ωe為塔筒軸向彎曲自然頻率，me為塔筒的質量；k為塔筒軸向彎曲廣義剛度系數，ei(z)為塔筒在高度z位置下的剛度系數，kgt為轉子、機艙的形變系數，kgw為塔筒的形變系數，g為重力加速度，m(z)為塔筒在高度z的質量面密度；ρa為空氣密度，ar為扇葉的掃風面積，v為入流風速，ct(λ，β)為推力系數，其為葉尖速比λ和槳矩角β的二元映射；cdt為塔筒阻尼系數，dt(z)為塔筒在高度z位置下的截面直徑。

44、在一些實施例中，所述風電機組廣義質量m可以通過以下公式得到，具體為：

45、

46、

47、在式中，me為塔筒質量，mn為機艙質量，mr為發電機的轉子質量，xng為機艙重心與機艙中心點在x軸投影上的距離，xnr為轉子重心與機艙中心點在x軸投影上的距離，zng為機艙重心與機艙和塔筒的連接處的中心點在z軸投影上的距離，znr為轉子重心與機艙和塔筒的連接處的中心點在z軸投影上的距離；jy,n為機艙繞y軸方向的轉動慣量，jy，r為轉子繞y軸方向的轉動慣量，vy為角度系數；q為塔筒軸向位移。

48、在一些實施例中，所述氣動轉矩qa可以通過以下公式得到，具體為：

49、

50、在式中，ρa為空氣密度，ar為扇葉的掃風面積，v為入流風速，r為風輪的半徑，cq(λ，β)為扭矩系數，其為葉尖速比λ和槳矩角β的二元映射；

51、所述等效發電機轉矩可以通過以下公式得到，具體為：

52、

53、在式中，為發電機電磁轉矩；ng為齒輪箱速比。

54、在一些實施例中，所述根據每個節點的彎矩時間序列，確定每個節點的累計損傷程度，包括：

55、根據雨流計數法，在每個節點的所述彎矩時間序列中，提取出每個完整的應力循環，以得到與所述應力循環關聯的相關數據；

56、根據所述與應力循環關聯的相關數據，得到每個節點的所述累計損傷程度。

57、在一些實施例中，任一節點的所述累計損傷程度可以通過以下公式得到，具體為：

58、

59、

60、

61、在式中，表示單個對應節點的累計損傷程度；n表示應力循環的總種類數；i表示第i種應力循環；fi表示第i種應力循環發生的概率；ti表示第i種應力循環的運行時間；neq，i表示第i種應力循環下的疲勞壽命；ni*表示單個對應節點在第i種應力循環下能夠承受的循環次數；ksn表示單個對應節點的s-n曲線常數；meq表示單個對應節點的等效載荷；m表示單個對應節點的s-n曲線斜率；mi表示第i種應力循環的幅值，ni表示第i種應力循環的次數；t表示總的載荷時間長度。

62、在一些實施例中，所述根據至少一個節點的累計損傷程度，輸出目標塔筒的結構疲勞評估結果，包括以下步驟：

63、s51：將每個節點中的所述累計損傷程度與預設閾值進行比較；

64、s52：在比較結果為至少有一個節點的所述累計損傷程度大于所述預設閾值時，輸出目標塔筒結構超過疲勞極限的結果；在比較結果為每個節點的所述累計損傷程度均小于所述預設閾值時，輸出目標塔筒結構良好的結果；在比較結果為每個節點的所述累計損傷程度均不大于所述預設閾值，并且存在至少一個節點的所述累計損傷程度等于所述預設閾值時，輸出目標塔筒結構達到疲勞極限的結果。

65、在一些實施例中，在步驟s5中，還包括：

66、在比較結果為每個節點的所述累計損傷程度均小于所述預設閾值時，確定在所有節點中，最接近預設閾值的累計損傷程度所處的預設區間范圍，并輸出與所述預設區間范圍所對應的疲勞壽命預估結果。

67、本發明還構造一種風電機組的塔筒的結構疲勞評估系統，其包括：

68、第一獲取模塊，用于獲取目標塔筒各個節點的形函數；所述多個節點沿目標塔筒高度方向均勻劃分而成；

69、第二獲取模塊，用于獲取目標風電機組的運行數據；

70、第一運算模塊，用于將所述運行數據和每個節點上的所述形函數輸入至預設的風電機組模型，以得到目標塔筒上對應于每個節點的彎矩時間序列；

71、第二運算模塊，用于根據每個節點的所述彎矩時間序列，確定每個節點的累計損傷程度；

72、輸出模塊，用于根據至少一個節點的所述累計損傷程度，輸出目標塔筒的結構疲勞評估結果。

73、本發明還構造一種風電機組的塔筒的結構疲勞評估設備，所述設備包括：存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序配置為實現上述的風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法的步驟。

74、本發明還構造一種計算機可讀存儲介質，其存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執行時，實現上述的風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法。

75、實施本發明具有以下有益效果：本風電機組的塔筒的結構疲勞評估方法可以在不依賴外部傳感器的情況下，準確地估算出塔筒的結構疲勞情況。