(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111527682.8 (22)申请日 2021.12.14 (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人 胡伟飞　陈炜镒　方健豪　程锦　 刘振宇　谭建荣　 (74)专利代理 机构 杭州浙科专利事务所(普通 合伙) 33213 代理人 孙孟辉 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 考虑雨滴侵蚀的风力发电机涂层疲劳寿命 优化设计方法 (57)摘要 本发明公开一种考虑雨滴侵蚀的风力发电 机涂层疲劳寿命优化设计方法， 包括： 基于克里 金法的风力发电机叶片涂层疲劳寿命代理模型 的构建； 考虑实际服役环境的风场风速与雨场降 雨强度概率 分布构建； 以风力发电机最大发电量 为目标函数进行风力发电机转速设计； 结合不同 降雨强度叶片涂层疲劳寿命变化特性进行约束 方程构建； 采用风能利用系数特性构建初始优化 点进行优化； 通过传统优化计算方法获得不同降 雨强度与风速下的风力发电机最优转速。 该方法 可以在保证风力发电机年发电量降低最少的情 况下， 有效提高风力发电机的叶片涂层疲劳寿 命， 为风力发电机涂层疲劳寿命优化提供了一种 新思路。 权利要求书4页 说明书10页 附图8页 CN 114239168 A 2022.03.25 CN 114239168 A 1.一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机涂层疲劳寿命优化设计方法， 其特征在于， 该方法 包括如下步骤： 步骤S1： 建立基于克里金法的风力发电机叶片涂层在不同转速ω与不同降雨强度I下 的疲劳寿命代理模型； 步骤S2： 构建考虑实际服役环境的风场风速与雨场降雨强度概 率分布； 步骤S3： 建立使风力发电机发电量最大化的目标函数fAEP(ω)进行风力发电机转速设 计： 式中， 8760表示一年中的小时数， N0表示风机设计的服役寿命(年)， Pr(vj,ωij)为风速 vj与风机转速ωij下的风机发电功率(W)， PI(Ii)为降雨强度Ii的出现概率， Pv(vj)为风速vj 的出现概率。 将 各个降雨强度下Ii与风速vj的风机转速ωij作为设计变量的分量， 设计变量 ω的表达式为： ω＝[ω00,ω01,...,ω0(n‑1),ω0n,ω10,ω11,...,ωm(n‑1),ωmn]； 步骤S3.1:根据Betz理论可知， 风力发电机从风能中获得的发电功率计算公式为： 式中， ρ 为空气的密度(kg/m3)， 一般为1.25kg/m3， R为风机叶轮半径， λ为叶尖速比， β 为 桨距角(根据风速大小由风机变桨系统决定)， Cp( λ, β )为风能利用系数计算公式， 根据不同 类型的风机 选用不同的Cp计算公式； 叶尖速比λ计算公式为 式中， ω为风机转速(转/分钟， r/mi n) 步骤S4： 结合 不同降雨强度叶片涂层寿命变化特性进行约束方程构建； 步骤S5.1:由于整体设计空间较大， 为了防止陷入局部最优、 减少优化搜索步数， 需要 在设计空间中选取与最优点较为接近的优化初始点。 根据风能利用系 数特性可知， 在同一 风速与变桨角度下， 随着风机转速的增加风机功 率不断增加。 当风机功 率达到最高值后， 再 增加风机转速会使得风机功率下降。 对于不 同风速vj， 总存在一个使得风机功率最大化的 最优转速ω0_best_j， 运用优化方法计算在切入转速与额定转速范围内， 每个风速vj下使得风 机功率最大化的最优转速 ω0_best_j， 优化模型如下式所示: Find ω0_best_j Min Cp(ω0_best_j) S.T ω切 入≤ω0_best_j≤ω额定 步骤S5.2： 将不同降雨强度Ii与风速vj下的设计变量风机转速ωij的优化初始值 设置为 ω0_best_j， 整体表达式如下 所示：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114239168 A 2其中， 不同风速vj中对应的最大功率 风机转速 ω0_best_j为优化初始点； 步骤S6： 根据步骤S4所述方法获得考虑雨滴侵蚀的风力发电机转速优化模型， 如下所 示 Find ω＝[ω00,ω01,...,ω0(n‑1),ω0n,ω10,ω11,...,ωm(n‑1),ωmn] ω切 入≤ω≤ω额定 运用步骤S5中计算得到优化初始点， 在MATLAB中运用求解器对问题进行求解， 便可得 到设计变量相对应的最优解。 2.根据权利要求1所述的一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机涂层疲劳寿命优化设计方 法， 其特征在在于： 所述 步骤S1具体为： S1.1： 结合均匀采样方法， 对于不同转速ω与不同降雨强度I运用疲劳寿命计算方法， 获得对应风机叶片涂层疲劳寿命tf； 疲劳寿命计算方法包括但不限于： 运用有限元法与光 滑粒子流体动力学方法进行雨滴撞击叶片仿真获得疲劳寿命、 通过水锤 ‑压力方程与疲劳 损伤计算公式计算 疲劳寿命等； S1.2： 通过对风机叶片涂层疲劳寿命 对数化处 理， 减少样本响应值的量级差； S1.3： 通过 下述公式， 构建克 里金代理模型； tf(ω,I)＝fT(ω,I)β +z(ω,I) 其中， tf(ω,I)为代理模型的响应函数， β 为回归系数， f(ω,I)为2阶多项式， fT(ω,I)β 为响应的均值近似值， z(ω,I)为高斯平稳随机过程， 其期望为E、 方差为Var、 协方差为Cov， σz2为方差， (ωi,Ii)和(ωj,Ij)为训练样本点中的任意两点， R( θ,ωi,Ii,ωj,Ij)是带有参 数θ 的相关函数 方程式； S1.4： 通过S1.1的方法与代 理模型分别计算得到特定转速与降雨强度下的叶片涂层疲 劳寿命作为真实值与预测值， 结合相对误差对S1.3构建的克里金代理模型进行验证， 在不权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114239168 A 3