[论文解读] Fatigue Estimation Methods Comparison for Wind Turbine Control

J. J. Barradas Berglind, Rafael Wisniewski|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2014

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文比较了四种用于风力涡轮机控制的疲劳估算方法——雨流计数法、谱方法、随机方法和滞后算子法，评估其在实时控制回路中的适用性。研究发现，尽管雨流计数法是标准的后处理方法，但基于滞后算子的估算方法可实现在线实施，尽管控制复杂度较高；谱方法在控制设计中提供了可行的替代方案，尽管在宽带载荷场景下存在局限性。

ABSTRACT

Fatigue is a critical factor in structures as wind turbines exposed to harsh operating conditions, both in the design stage and control during their operation. In the present paper the most recognized approaches to estimate the damage caused by fatigue are discussed and compared, with special focus on their applicability for wind turbine control. The aim of this paper is to serve as a guide among the vast literature on fatigue and shed some light on the underlying relationships between these methods.

研究动机与目标

• 评估并比较在风力涡轮机控制背景下最广泛使用的疲劳估算方法。
• 识别哪些方法可直接集成到实时控制回路中，而非仅限于后处理。
• 评估每种方法在准确性、计算复杂度和物理解释性之间的权衡。
• 阐明在风力涡轮机动态运行中疲劳估算技术的内在关系与实际局限性。
• 为控制系统设计人员在控制器综合与载荷降低策略中选择合适的疲劳估算方法提供指导。

提出的方法

• 以塔架弯矩的时间序列数据作为疲劳损伤估算的输入。
• 采用雨流计数法（RFC）结合Palmgren-Miner累积损伤规则，从载荷循环中计算累积损伤。
• 基于统计矩（如零穿越率、方差）的谱方法，近似雨流密度并估算损伤率。
• 利用马尔可夫链（MC）随机建模方法，表征载荷转换并利用转移概率估算损伤。
• 应用滞后算子理论，建模闭环应力-应变行为，实现在线损伤估算。
• 通过随时间变化的归一化累积损伤曲线对比所有方法，以RFC为参考标准。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些疲劳估算方法适用于风力涡轮机控制系统的实时实现？
• RQ2 在控制背景下，雨流计数法、谱方法、随机模型和基于滞后算子的估算方法在准确性和计算复杂度方面如何比较？
• RQ3 后处理方法（如雨流计数法）在反馈控制回路中使用时存在哪些关键局限性？
• RQ4 谱方法或随机方法能否提供可靠的损伤估算，以支持控制器设计，而无需依赖循环计数？
• RQ5 在风力涡轮机载荷动力学背景下，这些方法的物理解释与数学公式之间有何关联？

主要发现

• 雨流计数法是最广泛使用且标准化的方法，但由于其算法性、非线性循环识别过程，本质上是一种后处理技术。
• 谱方法通过使用统计矩估算损伤率，为控制提供了计算高效的替代方案，但依赖窄带近似，在宽带或不规则载荷下准确性较低。
• 基于滞后算子的估算方法可通过直接从瞬时测量中建模应力-应变回线，实现在线损伤跟踪，适用于实时控制，但因其非线性特性，给控制设计带来显著挑战。
• 随机方法（如马尔可夫链模型）可处理随机载荷序列并提供预测性损伤估算，但需要复杂的参数识别，且涉及SDE或PDE等高级数学公式。
• 谱方法可通过传递函数间接用于控制回路，但缺乏基于直接测量的实现方式，仍属于黑箱方法。
• 没有任何一种方法能完全捕捉所有疲劳效应（尤其是序列效应和相互作用效应）而不做简化假设，凸显了在控制系统中准确性与可实施性之间的权衡。