CN114169197A - 一种风电机组在环仿真系统及方法 - Google Patents
一种风电机组在环仿真系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114169197A CN114169197A CN202111438163.4A CN202111438163A CN114169197A CN 114169197 A CN114169197 A CN 114169197A CN 202111438163 A CN202111438163 A CN 202111438163A CN 114169197 A CN114169197 A CN 114169197A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- wind turbine
- impeller
- load
- turbine generator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 81
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 93
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 47
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 33
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 33
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 19
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 13
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 9
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000025518 detection of mechanical stimulus involved in sensory perception of wind Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 33
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 241001499740 Plantago alpina Species 0.000 description 1
- 238000012356 Product development Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
本发明涉及风力发电机组试验检测技术领域，具体提供了一种风电机组在环仿真系统及方法，包括：前处理模块和载荷仿真与机舱在线测试模块；所述前处理模块，用于模拟风电机组的环境基础参数；所述载荷仿真与机舱在线测试模块，用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。本发明提供的技术方案实现了风电机组从最初设计、到试验、到最终结果分析的一体化评估。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组试验检测技术领域，具体涉及一种风电机组在环仿真系统及方法。
背景技术
风电机组传动链位于机舱中，传动链主要由主轴、轴承、齿轮箱、发电机、变流器等部件构成，其对于整机性能的优劣至关重要。随着海上风电的发展，风电机组容量越来越大，整机的现场测试难度也随之增加。在风电事故的统计中，传动链及其齿轮箱、变流器等部件的故障发生率较高，对传动链部件进行测试非常必要。由于海上环境恶劣，现场测试难以开展。对海上风电机组进行地面全尺寸测试已成为行业发展趋势。机舱全尺寸地面试验,又叫传动链全尺寸地面试验，可以快速有效地对新技术、新设计、新产品进行试验、验证和测试，及早发现设计问题及安全隐患，达到降低技术风险、减少产品开发费用、缩短研发周期等目的。
为了发展新一代的高可靠性的海上风电机组，缩短海上风电机组的研发周期，近年来，科研人员研发了多种风力发电机组整机仿真方面的技术，例如，申请号202010663096.5的发明专利，公开了一种基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法，该方法首先建立风电机组传动链地面试验系统虚拟仿真模型，进一步建立包含风速模型、机组状态及电网条件的单一或组合虚拟地面试验工况，并在传动链地面试验系统虚拟模型相应位置进行工况输入，最后进行传动链虚拟地面试验仿真分析，基于仿真结果对传动链载荷特性与动态响应特性、以及试验平台模拟控制特性等进行分析评估。但其存在如下缺点：
1、该技术实际上完全是虚拟的仿真技术，不涉及试验硬件，其原理、模型及算法过程与风电机组行业的模型、控制和仿真方法基本相同，所得结果均为仿真和计算结果，与风电机组设计过程产生的计算结果无明显不同，其数据有效性不如真实试验。传动链地面试验的目的是对风电机组传动链在试验台上进行加载，验证真实产品与设计方案的一致性，并对不一致的原因进行分析，从而对设计方案进行改进，达到最终优化风电机组产品设计方案与制造技术的目的，该发明无法达到这一目的。
2、该方法实际上仅能应用于单一部件的动力学建模和求解，其坐标的建立和动力学的求解，均建立在部件质心的坐标系上。传动链系统实际上是一个多部件耦合的动力学系统，各部件之间有刚性连接、弹性连接、齿轮箱传动等方式，该方法的模型无法表现各部件之间的相互作用关系。
3、该方法求解结果均为各部件的刚体运动，例如风轮气动转矩与发电机电磁转矩作用下的主轴刚体转动和发电机转子转动。风电机组传动链六自由度加载试验的目的，除了计算传动链各部件的刚体运动之外，还考察传动链关键部件本身的变形。
4、该方法实际上得到的是单只叶片根部载荷，没有考虑叶片自重，没有考虑叶片的气动载荷分布引起的叶片变形。该技术只考虑了叶轮离心力在主轴上的作用，而叶轮离心力在主轴上的作用近似为零，意义不大。也没有考虑叶片长度上离心力分布带来的叶片变形。
再例如：申请号202010662261.5的发明专利，公开了一种基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法，该方法首先进行被试风电机组载荷计算，并对传动链上六自由度载荷进行提取和转换。进一步的，建立传动链地面试验平台刚柔耦合动力学模型，将提取和转换后的传动链六自由度载荷作为传动链地面试验平台动力学模型的外部载荷输入。最后，进行传动链虚拟地面试验仿真，基于仿真结果，分析不同外部载荷对传动链系统及其关键部件动力学特性的影响机理，并以此建立地面试验工况。其存在如下缺点：
1、该方法是完全的虚拟仿真计算方法，已经在开始通过风电机组载荷计算得到了传动链的载荷特性，又将载荷特性施加到地面试验台的动力学模型上，再次计算传动链的载荷特性，没有必要计算两次。
2、该方法没有考虑不适用海上风电机组，没有考虑海况载荷引起的支撑结构顶端振动对风轮载荷的影响。该方法需要建立机组动力学模型以及电气与控制模型，得出的结果完全是仿真计算结果，不如直接获取试验结果可靠。
3、该方法没有考虑风轮及叶片自重的影响，没有考虑叶片离心力的影响。
4、该方法的传动链地面试验平台及传动链组成的系统均采用动力学模型建立，所得结果均为仿真结果，其模型的结构参数和材料参数与实际机组均存在一定差距，仿真的结果与试验结果相比也不够准确。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出了一种风电机组在环仿真系统及方法。
第一方面，提供一种风电机组在环仿真系统，所述风电机组在环仿真系统包括：前处理模块和载荷仿真与机舱在线测试模块；
所述前处理模块，用于模拟风电机组的环境基础参数；
所述载荷仿真与机舱在线测试模块，用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
优选的，所述前处理模块包括：生风模块、翼型模块、叶轮与机舱模块、结构模块、模态计算模块和海况模块；
所述生风模块，用于模拟生成风电机组轮毂高度处的风速矢量，并输入到气动载荷模块；
所述翼型模块，用于采用叶素理论，基于风电机组叶片长度方向的翼型参数生成叶素气动参数，并输入到气动载荷模块，其中，所述叶素气动参数包括升力、阻力系数、弦长、攻角；
所述叶轮与机舱模块，用于将风电机组的机舱和叶轮整体等效为1个质点，以偏航轴承为原点获取该质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将该质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到机舱动力学模块；
所述结构模块，用于搭建风电机组的叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型，获取叶轮和支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将叶轮的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到叶轮动力学模块，支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到支撑结构动力学模块；
所述模态计算模块，用于基于叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型对叶轮和支撑结构进行模态分析；
所述海况模块，用于模拟生成风电机组支撑结构水下部分的流速矢量场，并输出到水动力计算模块。
进一步的，所述载荷仿真与机舱在线测试模块包括：气动载荷模块、水动力计算模块、叶轮动力学模块、机舱动力学模块、支撑结构动力学模块和风电机组机舱全尺寸试验装置；
所述气动载荷模块，用于所述基于风速矢量和叶素气动参数，使用叶素理论计算每只叶片每个叶素的气动载荷，将叶素的气动载荷进行空间坐标变换后在叶轮坐标系上进行集成，得到叶轮整体六自由度等效载荷向量，并将所述六自由度等效载荷向量输出到叶轮动力学模块；
所述水动力计算模块，用于基于流速矢量场计算风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力；
所述叶轮动力学模块，用于基于所述叶轮的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵以及所述六自由度等效载荷向量，采用求解算法分析叶轮整体、轮毂及叶片各截面在叶轮坐标系中的动力学响应；
所述机舱动力学模块，用于基于所述质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵和测试样机输出的磁阻扭矩和五自由度非扭载荷向量组成的动力学方程采用求解算法分析机舱整体平动和转动的动力学响应；
所述支撑结构动力学模块，用于基于所述支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵、支撑结构顶端的载荷、风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力采用求解算法分析支撑结构各个节点的动力学响应；
所述风电机组机舱全尺寸试验装置由依次连接的电动机、扭矩限制器、联轴器、加载装置、适配器和测试样机组成；
其中，所述动力学响应包括：位移、速度、加速度以及载荷。
进一步的，所述五自由度非扭载荷向量为预先构建的坐标系中沿x、y、z轴方向的力、绕y轴弯矩以及z轴弯矩；
其中，所述预先构建的坐标系的中心点位于测试样机的风轮的轮毂中心位置，x轴方向为测试样机的主轴方向，y轴方向为相对于地面的水平方向，z轴方向为垂直x轴和y轴组成平面方向。
进一步的，所述六自由度为叶轮整体的笛卡尔坐标系中x轴、y轴、z轴方向，以及绕x轴、y轴、z轴方向。
所述求解算法包括下述中的至少一种：Newmark-β法、Runge-Kutta法和Wilson-θ法。
进一步的，所述风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布的计算式如下：
上式中，
为风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力，Cd为拖拽力系数，ρw为水密度，D为构件直径，U为由波浪海流作用产生的水流在垂直于构件方向上的流速分布，Cm为惯性力系数，A为构件截面积，
为水流在垂直于构件方向上的加速度。
优选的，所述系统还包括：后处理模块，用于基于所述风电机组的动力学响应参数对所述风电机组进行仿真分析。
第二方面，提供一种基于所述的风电机组在环仿真系统的方法，所述方法包括：
利用前处理模块模拟风电机组的环境基础参数；
利用载荷仿真与机舱在线测试模块基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
原有的风电机组传动链试验前，需要对整机先进性仿真计算，在单独提取传动链载荷进行加载。而本发明提供了一种风电机组在环仿真系统及方法，包括：前处理模块和载荷仿真与机舱在线测试模块；所述前处理模块，用于模拟风电机组的环境基础参数；所述载荷仿真与机舱在线测试模块，用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。直接将风电机组最初始的设计条件在前处理部分进行输入，直接在传动链地面试验环节得到机舱系统的实际载荷，实现了风电机组从最初设计、到试验、到最终结果分析的一体化评估。
附图说明
图1是本发明实施例的风电机组在环仿真系统的主要结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的风电机组在环仿真系统的主要结构示意图。
如图1所示，本发明实施例中的风电机组在环仿真系统主要包括：
前处理模块和载荷仿真与机舱在线测试模块；
所述前处理模块，用于模拟风电机组的环境基础参数；
所述载荷仿真与机舱在线测试模块，用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
本实施例中，所述前处理模块包括：生风模块、翼型模块、叶轮与机舱模块、结构模块、模态计算模块和海况模块；
所述生风模块，用于模拟生成风电机组轮毂高度处的风速矢量，并输入到气动载荷模块；
具体的，所述生风模块可基于不同的轮毂高度处平均风速，生成正常风况和极端风况，正常风况包括：正常风廓线模型、正常湍流模型，极端风况包括：极端风速模型、极端阵风模型、极端湍流模型、极端风向变化、极端相干阵风、极端风切变等模型。并得到上述风况随时间变化的风速矢量场，并输入到气动载荷模块。
所述翼型模块，用于采用叶素理论，基于风电机组叶片长度方向的翼型参数生成叶素气动参数，并输入到气动载荷模块，其中，所述叶素气动参数包括升力、阻力系数、弦长、攻角；
具体的，所述翼型模块具体用于输入风电机组叶片长度方向的翼型参数，根据叶素理论，沿长度方向划分多个单元，记录每个单元上的升力、阻力系数、弦长、攻角等参数，并输入到气动载荷模块。
所述叶轮与机舱模块，用于将风电机组的机舱和叶轮整体等效为1个质点，以偏航轴承为原点获取该质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将该质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到机舱动力学模块；
所述结构模块，用于搭建风电机组的叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型，获取叶轮和支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将叶轮的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到叶轮动力学模块，支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到支撑结构动力学模块；
具体的，所述结构模块主要用于输入叶轮、支撑结构的动力学参数。叶片结构的动力学参数方面，对应翼型模块的叶素划分，建立梁单元，输入截面属性和结构参数，梁单元可采用六自由度欧拉梁或铁摩辛柯梁，质量矩阵采用集中质量矩阵或一致质量矩阵，三支叶片的梁单元模型按空间坐标进行变换，集成为叶轮模型整体矩阵，轮毂以集中质量的型式附加到叶轮中心位置，阻尼矩阵采用等效瑞利阻尼，从而得到叶轮的整体质量,刚度,阻尼矩阵，坐标系原点位于叶轮中心，并随叶轮旋转。支撑结构包括塔架和基础结构。塔架方面，输入塔架的高度、外径、壁厚等参数，以及法兰位置、厚度、内外圈直径等参数，塔架划分为多个梁单元，可采用六自由度欧拉梁或铁摩辛柯梁，质量矩阵矩阵采用集中质量矩阵或一致质量矩阵。法兰可以用梁单元处理后集成在塔架整体质量和刚度矩阵中，也可以按集中质量块处理直接附加在塔架整体质量和刚度矩阵对应的自由度上。基础结构的处理与塔架相同，采用梁单元建模，基础结构的桩土作用力模型，可采用M法，也可采用p-y曲线法进行等效。所有梁单元矩阵按其空间坐标进行变换并集成为支撑结构整体质量矩阵和刚度矩阵，结构阻尼矩阵采用瑞利阻尼进行计算。叶轮的质量、刚度和阻尼矩阵输入到叶轮动力学模块，支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到支撑结构动力学模块，用于计算叶轮和支撑结构的动力学响应。叶轮和支撑结构的质量和刚度矩阵输入到模态计算模块。
所述模态计算模块，用于基于叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型对叶轮和支撑结构进行模态分析；
具体的，所述模态计算模块主要用于叶轮结构和支撑结构的模态分析。叶轮和支撑结构的模态分析可采用相同或不同的方法，可采用的方法有反跌代法、子空间迭代法、Ritz法和Lanczos法等。
所述海况模块，用于模拟生成风电机组支撑结构水下部分的流速矢量场，并输出到水动力计算模块。
具体的，所述海况模块主要用于用于输入波浪、海流和水位等海况参数。波浪方面，使用随机波浪模型描述波浪情况，波浪使用波谱模型、有义波高、谱峰周期和平均波向共同描述。风生海浪模型中，对于以充分发展的海浪，常采用Pierson-Moskowitz(PM)波谱。对于正在发展的海浪，常采用Jonswap波谱。海况模块计算得到风电机组支撑结构水下部分的流速矢量场，输出到水动力计算模块。
进一步的，所述载荷仿真与机舱在线测试模块包括：气动载荷模块、水动力计算模块、叶轮动力学模块、机舱动力学模块、支撑结构动力学模块和风电机组机舱全尺寸试验装置；
所述气动载荷模块，用于所述基于风速矢量和叶素气动参数，使用叶素理论计算每只叶片每个叶素的气动载荷，将叶素的气动载荷进行空间坐标变换后在叶轮坐标系上进行集成，得到叶轮整体六自由度等效载荷向量，并将所述六自由度等效载荷向量输出到叶轮动力学模块；
具体的，所述气动载荷模块主要用于计算风电机组在运行过程中的风轮载荷，风轮载荷的作用点在轮毂中心，由叶片气动载荷、叶片重力、轮毂重力、叶片旋转离心力及其弯矩组成。使用叶素理论计算每只叶片每个叶素的气动载荷，然后将叶素载荷进行空间坐标变换后在叶轮坐标系上进行集成，得到叶轮整体六自由度等效载荷向量，并将六自由度等效载荷向量输出到叶轮动力学模块。计算过程中，风速矢量来自生风模块，叶素气动参数来自翼型模块，叶片的桨距角、叶轮的方位角来自测试样机控制器输出的控制信号，机舱的整体位移和速度来自机舱动力学模块。
所述水动力计算模块，用于基于流速矢量场计算风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力；
具体的，所述风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布的计算式如下：
上式中，
为风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力，Cd为拖拽力系数，ρw为水密度，D为构件直径，U为由波浪海流作用产生的水流在垂直于构件方向上的流速分布，Cm为惯性力系数，A为构件截面积，
为水流在垂直于构件方向上的加速度。
所述叶轮动力学模块，用于基于所述叶轮的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵以及所述六自由度等效载荷向量，采用求解算法分析叶轮整体、轮毂及叶片各截面在叶轮坐标系中的动力学响应；
具体的，所述叶轮动力学模块主要在叶轮坐标系中对叶轮的动力学响应进行求解，叶轮的六自由度等效载荷向量来自于气动载荷模块，有限元的动力学模型来自结构模块，同时将测试样机输出的发电机磁阻转矩作用在轮毂中心处，对叶轮进行瞬态动力学计算，可得到叶轮整体、轮毂及叶片各截面在叶轮坐标系中的动力学响应，包括位移、速度、加速度以及载荷。求解方法可采用有Newmark-β法、Runge-Kutta法、Wilson-θ法等。该模块将轮毂中心的磁阻转矩和五自由度非扭载荷向量传递给机舱动力学模块，将气动载荷模块的转矩传递给电动机，将五自由度非扭载荷向量传递给五自由度加载装置。并将位移和速度计算结果反馈给气动模块，以进行下一时间步的计算。
所述机舱动力学模块，用于基于所述质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵和测试样机输出的磁阻扭矩和五自由度非扭载荷向量组成的动力学方程采用求解算法分析机舱整体平动和转动的动力学响应；
具体的，所述机舱动力学模块基于叶轮与机舱模块输出的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，利用测试样机输出的磁阻扭矩和五自由度非扭载荷向量组成动力学方程，利用Newmark-β法、Runge-Kutta法或Wilson-θ法等进行求解，得到机舱整体平动和转动的动力学响应，包括位移、速度和加速度。并将计算位移、速度和加速度结果反馈给叶轮动力学模块，以进行下一时间步的计算。
所述支撑结构动力学模块，用于基于所述支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵、支撑结构顶端的载荷、风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力采用求解算法分析支撑结构各个节点的动力学响应；
具体的，所述支撑结构动力学模块的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵来自于结构模块，海况载荷向量来自于水动力计算模块，支撑结构顶端的载荷来自于测试样机的磁阻转矩和五自由度非扭载荷向量，利用Newmark-β法、Runge-Kutta法或Wilson-θ法等进行求解，得到支撑结构各个节点的位移、速度、加速度以及载荷分布。并将计算位移、速度和加速度结果反馈给机舱动力学模块，以进行下一时间步的计算。
所述风电机组机舱全尺寸试验装置由依次连接的电动机、扭矩限制器、联轴器、加载装置、适配器和测试样机组成；
具体的，电动机根据风电机组设计参数，提供相应的转速和转矩，并将转速和转矩经由传动轴施加到测试验机主轴上。五自由度加载装置主要向测试样机主轴端施加五自由度非扭载荷。载荷的大小来自于叶轮动力学模块传递过来的等效载荷向量。测试样机是试验对象，是风电机组除风轮和支撑结构以外的主要部分，包括机舱罩、主机架、传动链系统、发电机、变流器、控制系统以及其他附件组成，发电机的磁阻转矩由控制系统根据其自身的控制策略进行控制。
其中，所述动力学响应包括：位移、速度、加速度以及载荷。
在一个实施方式中，所述五自由度非扭载荷向量为预先构建的坐标系中沿x、y、z轴方向的力、绕y轴弯矩以及z轴弯矩；
其中，所述预先构建的坐标系的中心点位于测试样机的风轮的轮毂中心位置，x轴方向为测试样机的主轴方向，y轴方向为相对于地面的水平方向，z轴方向为垂直x轴和y轴组成平面方向。所述六自由度为叶轮整体的笛卡尔坐标系中x轴、y轴、z轴方向，以及绕x轴、y轴、z轴方向。
在一个实施方式中，所述求解算法包括下述中的至少一种：Newmark-β法、Runge-Kutta法和Wilson-θ法。
更进一步的，所述系统还包括：后处理模块，用于基于所述风电机组的动力学响应参数对所述风电机组进行仿真分析。
在一个实施方式中，所述后处理模块具体可以进行统计分析、极大载荷分析、叶片及支撑结构变形分析、疲劳分析、功率特性分析、故障诊断、模型线性化。该模块的数据来源为载荷仿真与在线测试部分输出的仿真与试验的时许结果。
具体的，统计分析：对仿真和试验的数据进行统计分析，包括：最大值、最小值、平均值、标准差、偏度、峰度等。
极大载荷分析：对载荷时序结果进行分析，获得仿真和试验过程中关键部件的载荷极值，包括叶片、轮毂、主轴、偏航轴承、支撑结构等关键部件的载荷。
叶片及支撑结构变形分析：基于叶片和支撑结构的运动时序结构进行分析，计算叶片与支撑结构之间的距离，避免发生撞击。
雨流计数分析：雨流循环计数法是结构疲劳分析最常用的方法。主要功能是把仿真和试验载荷时序数据简化为若干个载荷循环，供疲劳寿命估算。也可根据S-N曲线的不同斜率m和特定的频率计算等效疲劳载荷。
疲劳分析：根据雨流计数分析结果和关键部件材料的S-N曲线，按照线性累积损伤理论Palmgren-Miner准则，对风电机组关键部件进行疲劳分析。疲劳分析的输出包括由载荷时序数据引起的累积损伤，以及累积损伤比例在雨流计数结果上的二维分布。
功率特性分析：获得测试样机输出功率和设计风速的对应曲线，样机输出功率从风电机组机舱全尺寸试验装置获得，风速从前处理部分的生风模块获得，两者按时间顺序进行对应。
故障诊断：根据测试样机传动链部件运行的振动信号，提取其特征曲线，与关键部件故障特征库进行匹配分析，进行故障诊断。
基于所述的风电机组在环仿真系统，本发明还提供了一种基于所述的风电机组在环仿真系统的方法，所述方法包括：
利用前处理模块模拟风电机组的环境基础参数；
利用载荷仿真与机舱在线测试模块基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种风电机组在环仿真系统，其特征在于，所述系统包括：前处理模块和载荷仿真与机舱在线测试模块；
所述前处理模块，用于模拟风电机组的环境基础参数；
所述载荷仿真与机舱在线测试模块，用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前处理模块包括：生风模块、翼型模块、叶轮与机舱模块、结构模块、模态计算模块和海况模块；
所述生风模块，用于模拟生成风电机组轮毂高度处的风速矢量，并输入到气动载荷模块；
所述翼型模块，用于采用叶素理论，基于风电机组叶片长度方向的翼型参数生成叶素气动参数，并输入到气动载荷模块，其中，所述叶素气动参数包括升力、阻力系数、弦长、攻角；
所述叶轮与机舱模块，用于将风电机组的机舱和叶轮整体等效为1个质点，以偏航轴承为原点获取该质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将该质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到机舱动力学模块；
所述结构模块，用于搭建风电机组的叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型，获取叶轮和支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并将叶轮的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到叶轮动力学模块，支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵输入到支撑结构动力学模块；
所述模态计算模块，用于基于叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型对叶轮和支撑结构进行模态分析；
所述海况模块，用于模拟生成风电机组支撑结构水下部分的流速矢量场，并输出到水动力计算模块。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述载荷仿真与机舱在线测试模块包括：气动载荷模块、水动力计算模块、叶轮动力学模块、机舱动力学模块、支撑结构动力学模块和风电机组机舱全尺寸试验装置；
所述气动载荷模块，用于所述基于风速矢量和叶素气动参数，使用叶素理论计算每只叶片每个叶素的气动载荷，将叶素的气动载荷进行空间坐标变换后在叶轮坐标系上进行集成，得到叶轮整体六自由度等效载荷向量，并将所述六自由度等效载荷向量输出到叶轮动力学模块；
所述水动力计算模块，用于基于流速矢量场计算风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力；
所述叶轮动力学模块，用于基于所述叶轮的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵以及所述六自由度等效载荷向量，采用求解算法分析叶轮整体、轮毂及叶片各截面在叶轮坐标系中的动力学响应；
所述机舱动力学模块，用于基于所述质点的六自由度的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵和测试样机输出的磁阻扭矩和五自由度非扭载荷向量组成的动力学方程采用求解算法分析机舱整体平动和转动的动力学响应；
所述支撑结构动力学模块，用于基于所述支撑结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵、支撑结构顶端的载荷、风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力采用求解算法分析支撑结构各个节点的动力学响应；
所述风电机组机舱全尺寸试验装置由依次连接的电动机、扭矩限制器、联轴器、加载装置、适配器和测试样机组成；
其中，所述动力学响应包括：位移、速度、加速度以及载荷。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述五自由度非扭载荷向量为预先构建的坐标系中沿x、y、z轴方向的力、绕y轴弯矩以及z轴弯矩；
其中，所述预先构建的坐标系的中心点位于测试样机的风轮的轮毂中心位置，x轴方向为测试样机的主轴方向，y轴方向为相对于地面的水平方向，z轴方向为垂直x轴和y轴组成平面方向。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述六自由度为叶轮整体的笛卡尔坐标系中x轴、y轴、z轴方向，以及绕x轴、y轴、z轴方向；
所述求解算法包括下述中的至少一种：Newmark-β法、Runge-Kutta法和Wilson-θ法。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布的计算式如下：
上式中，
为风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力，Cd为拖拽力系数，ρw为水密度，D为构件直径，U为由波浪海流作用产生的水流在垂直于构件方向上的流速分布，Cm为惯性力系数，A为构件截面积，
为水流在垂直于构件方向上的加速度。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：后处理模块，用于基于所述风电机组的动力学响应参数对所述风电机组进行仿真分析。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的风电机组在环仿真系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用前处理模块模拟风电机组的环境基础参数；
利用载荷仿真与机舱在线测试模块基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响应参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111438163.4A CN114169197A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种风电机组在环仿真系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111438163.4A CN114169197A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种风电机组在环仿真系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114169197A true CN114169197A (zh) | 2022-03-11 |
Family
ID=80481588
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111438163.4A Pending CN114169197A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种风电机组在环仿真系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114169197A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114997076A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-02 | 中山大学 | 一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置 |
| CN115202328A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-10-18 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 考虑多场耦合的大容量海上风电机组并网性能分析方法 |
| CN115525988A (zh) * | 2022-08-22 | 2022-12-27 | 大唐可再生能源试验研究院有限公司 | 一种风电机组自主载荷仿真计算与修正系统 |
| CN116880241A (zh) * | 2023-08-04 | 2023-10-13 | 山东大学 | 海上风电机组地面试验平台的多层级控制集成系统及方法 |
| CN117108445A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-24 | 华北电力大学 | 一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法 |
| CN117473906A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-30 | 浙江远算科技有限公司 | 一种基于流体动力学仿真的风电机舱后处理方法和介质 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111438163.4A patent/CN114169197A/zh active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114997076A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-02 | 中山大学 | 一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置 |
| CN114997076B (zh) * | 2022-04-15 | 2024-03-29 | 中山大学 | 一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置 |
| CN115525988A (zh) * | 2022-08-22 | 2022-12-27 | 大唐可再生能源试验研究院有限公司 | 一种风电机组自主载荷仿真计算与修正系统 |
| CN115525988B (zh) * | 2022-08-22 | 2023-07-21 | 大唐可再生能源试验研究院有限公司 | 一种风电机组自主载荷仿真计算与修正系统 |
| CN115202328A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-10-18 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 考虑多场耦合的大容量海上风电机组并网性能分析方法 |
| CN117108445A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-24 | 华北电力大学 | 一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法 |
| CN117108445B (zh) * | 2023-07-25 | 2024-05-03 | 华北电力大学 | 一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法 |
| CN116880241A (zh) * | 2023-08-04 | 2023-10-13 | 山东大学 | 海上风电机组地面试验平台的多层级控制集成系统及方法 |
| CN117473906A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-30 | 浙江远算科技有限公司 | 一种基于流体动力学仿真的风电机舱后处理方法和介质 |
| CN117473906B (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-19 | 浙江远算科技有限公司 | 一种基于流体动力学仿真的风电机舱后处理方法和介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114169197A (zh) | 一种风电机组在环仿真系统及方法 | |
| Li et al. | Coupled multi-body dynamics and CFD for wind turbine simulation including explicit wind turbulence | |
| Quarton | The evolution of wind turbine design analysis—a twenty year progress review | |
| Bachynski et al. | Real-time hybrid model testing of a braceless semi-submersible wind turbine: Part II—Experimental results | |
| Heinz et al. | Fluid–structure interaction computations for geometrically resolved rotor simulations using CFD | |
| Bachynski et al. | Real-time hybrid model testing of floating wind turbines: sensitivity to limited actuation | |
| Jin et al. | Optimization of tuned mass damper parameters for floating wind turbines by using the artificial fish swarm algorithm | |
| CN109543258B (zh) | 一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法 | |
| CN108694277A (zh) | 基于多平台联合仿真的风力发电机动力响应分析方法 | |
| Lupton | Frequency-domain modelling of floating wind turbines | |
| Høeg et al. | The influence of gyroscopic effects on dynamic responses of floating offshore wind turbines in idling and operational conditions | |
| CN106777499B (zh) | 一种双馈异步风力发电机组的整机动态建模方法 | |
| CN107748830A (zh) | 一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法 | |
| Vita et al. | Comparison of numerical models and verification against experimental data, using Pelastar TLP concept | |
| Tang et al. | Nonlinear effects and dynamic coupling of floating offshore wind turbines using geometrically-exact blades and momentum-based methods | |
| Han et al. | Optimization design of multiple tuned mass dampers for semi-submersible floating wind turbine | |
| KR101413565B1 (ko) | 풍력터빈 피치제어기의 성능 평가장치 및 그 방법 | |
| Cao et al. | Experimental and numerical analysis of wind field effects on the dynamic responses of the 10 MW SPIC floating wind turbine concept | |
| CN111859649A (zh) | 基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法 | |
| Perdrizet et al. | Fully coupled floating wind turbine simulator based on nonlinear finite element method: Part II—Validation Results | |
| Sun et al. | A real-time hybrid simulation framework for floating offshore wind turbines | |
| Han et al. | On the hydrodynamic responses of a multi-column TLP floating offshore wind turbine model | |
| Men et al. | Aeroelastic instability analysis of floating offshore and onshore wind turbines under extreme conditions | |
| Xu et al. | The influence of rotation on natural frequencies of wind turbine blades with pre-bend | |
| CN108491644B (zh) | 一种风力发电机叶片翼型颤振临界风速计算方法及设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |