[发明专利]一种综合气流因素下的海上风机的仿真方法及系统

说明书

本申请提出一种综合气流因素下的海上风机的仿真方法及系统，所述方法包括：基于时域风模型获取海上风机对应的各时刻的风矢量；将所述风矢量、风载时间序列和风流形状变化的修正系数输入空气动力学模型中进行求解，得到风压分布的时间序列；将所述风压分布的时间序列和海上风机转矩的时间序列输入结构动力学模型中进行求解，得到海上风机中风叶的形变量和所述形变量对应的风流形状变化的修正系数；根据所述风叶的形变量和所述形变量对应的风流形状变化的修正系数进行迭代计算，确定海上风机的控制信号，然后基于所述控制信号对所述海上风机进行仿真。本申请提出的技术方案，可以快速精确的对风机进行一体化的仿真求解。

技术领域

本申请涉及风机仿真技术领域，尤其涉及一种综合气流因素下的海上风机的仿真方法及系统。

背景技术

由于风能资源丰富，风电产业在近十几年来迅速发展，装机容量逐年攀升。相比于陆上风电，海上风电凭借其资源丰富、利用效率高、环境友好等优势，有望成为未来风电产业的主力军。海上风电正逐渐朝着规模化、深远海化、平价化趋势发展。

面对广阔的发展前景，海上风电开发面临的技术挑战仍旧不容小觑。风力发电机叶片是风力发电机的关键部件，其性能好坏直接影响整机运行的效率和稳定性。同时它又是受力最复杂的部件，它展向长、弦向短，柔性较好，是一个容易发生变形的细长弹性体，涉及到空气动力学、结构动力学、机械动力学等多学科强耦合，在复杂时变风况影响因素下，对风机本体的机电特性进行建模仿真需要极大的占用运算单元，且求解此类含多非线性边界复杂方程组模型时间长，无法满足实时仿真需求。

目前针对海上风机在综合风况下的气动传动复杂流固耦合特性的计算主要进行风资源生成和叶片应力分布两部分。首先针对风资源生成，包括基于测风塔观测数据建立不同的数学模型，将气象站和测风塔的观测数据转化为风能、风功率等风能资源评估参数的数理统计评估方法，以及利用计算机模拟技术结合测风塔观测数据、中尺度数据实现对近地层风能资源进行分析的数值模拟评估方法。应用以上两种风资源模型，采用叶素动量理论或计算流体动力学得出风机叶片上的风压分布，利用此结果进行流固耦合，得出风机叶片的应力应变和型变量分布，分析其最大应力、应变和形变发生部位，为疲劳寿命分析和断裂分析提供了数据参考，并对风机叶片的改进和选型、风机主控逻辑的编写提供了一定参考依据。但是现有的方法无法同时兼顾建模准确度和求解快速性。

发明内容

本申请提供一种综合气流因素下的海上风机的仿真方法及系统，以至少解决现有的方法无法同时兼顾建模准确度和求解快速性的技术问题。

本申请第一方面实施例提出一种综合气流因素下的海上风机的仿真方法，所述方法包括：

基于时域风模型获取海上风机对应的各时刻的风矢量；

将所述风矢量、风载时间序列和风流形状变化的修正系数输入空气动力学模型中进行求解，得到风压分布的时间序列；

将所述风压分布的时间序列和海上风机转矩的时间序列输入结构动力学模型中进行求解，得到海上风机中风叶的形变量和所述形变量对应的风流形状变化的修正系数；

根据所述风叶的形变量和所述形变量对应的风流形状变化的修正系数进行迭代计算，确定海上风机的控制信号，然后基于所述控制信号对所述海上风机进行仿真。

优选的，所述将所述风矢量、风载时间序列和风流形状变化的修正系数输入空气动力学模型中进行求解，得到风压分布的时间序列，包括：

基于所述风矢量和所述风流形状变化的修正系数，并利用空气动力学BEM算法或空气动力学CFD算法进行计算，得到海上风机对应的扭矩；

利用风载时间序列将所述扭矩与所对应的风速时刻对应，得到所述海上风机对应的风压分布的时间序列。

优选的，所述根据所述风叶的形变量和所述形变量对应的风流形状变化的修正系数进行迭代计算，确定海上风机的控制信号，包括：