一种极端海况下风力发电仿真方法、系统及电子设备

1.本发明涉及风电仿真领域，特别是涉及一种极端海况下风力发电仿真方法、系统及电子设备。


背景技术：

2.海上风力发电机组的结构和陆上风力发电机组相似，是一种将空气动能转化为电能的复杂机械设备，由机械、液压、电气和控制等子系统构成。海上风电具有风力资源稳定、风能强劲的优势，但同时需要克服强风载荷、波浪冲击等特殊运行环境的影响，因此对海上风力发电机组仿真更需要考虑运行环境对风机运行的影响，提高仿真的真实性，为海上风力发电机组的安全性、稳定性提供保障。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种极端海况下风力发电仿真方法、系统及电子设备，可提高风力发电机实际运行仿真的精确性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种极端海况下风力发电仿真方法，包括：
6.获取风力发电机处的环境信息；所述环境信息包括：风速、风向、浪高及海浪频率；
7.将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据；所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面；
8.将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速；
9.根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。
10.可选地，将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速，具体包括：
11.将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，确定机舱的受力大小及塔筒的受力大小；
12.根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的姿态信息；
13.根据所述风力发电机的姿态信息，计算空间直角坐标系中风力发电机的位移速度；
14.根据所述风力发电机的位移速度确定修正风速。
15.可选地，采用以下公式计算机舱的受力大小：
16.fc＝ρ(cosθvh)2sc1；
17.其中，fc为机舱的受力大小，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹
角，vh为机舱处的风速，s为机舱的正向迎风面积，c1为第一修正系数。
18.可选地，采用以下公式计算塔筒高度h处的受力大小：
19.f
t
(h)＝0.5h2ρ(cosθvh)2dhdh；
20.其中，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，c2为第二修正系数，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，vh为塔筒高度h处的风速，dh为塔筒高度h处的直径，dh为高度的微分项。
21.可选地，根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的姿态信息，具体包括：
22.根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的转矩；
23.根据所述风力发电机的转矩计算风力发电机的姿态信息。
24.可选地，采用以下公式计算风力发电机的转矩：
[0025][0026]
其中，t为风力发电机的转矩，h为塔筒高度，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，fc为机舱的受力大小，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，mh为塔筒高度h处的质量微分，g为重力加速度，m
t
为机舱的总质量。
[0027]
可选地，所述风力发电机的姿态信息包括：风力发电机在xoz平面摇摆的加速度及角速度；
[0028]
采用以下公式计算风力发电机的姿态信息：
[0029][0030]
其中，j为风力发电机以塔筒底端旋转的转动惯量，a为风力发电机在xoz平面摇摆的加速度，t为风力发电机的转矩，t
′
为风力发电机受到海水和固定平台提供的转矩，ω为风力发电机在xoz平面摇摆的角速度，θ为塔筒在xoz平面投影与z轴的夹角。
[0031]
可选地，采用以下公式计算修正风速：
[0032]v′
＝|v
h-v
t
|；
[0033]
其中，v
′
为修正风速，vh为机舱处的风速，v
t
为风力发电机的位移速度。
[0034]
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
[0035]
一种极端海况下风力发电仿真系统，包括：
[0036]
信息获取单元，用于获取风力发电机处的环境信息；所述环境信息包括：风速、风向、浪高及海浪频率；
[0037]
工况分解单元，与所述信息获取单元连接，用于将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据；所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面；
[0038]
姿态风速计算单元，与所述工况分解单元连接，用于将分解后的工况数据分别作
用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速；
[0039]
运行状态确定单元，与所述姿态风速计算单元连接，用于根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。
[0040]
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
[0041]
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的极端海况下风力发电仿真方法。
[0042]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0043]
本发明将复杂的环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，之后将分解后的工况数据作用于风机模型解算风力发电机的姿态信息，并对风速进行修正，完成对风机发电功率的计算，实现了环境因素和风机发电功率的耦合，提高了对风力发电机实际运行仿真的精确性。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明提供的极端海况下风力发电仿真方法的流程图；
[0046]
图2为本发明提供的极端海况下风力发电仿真系统的示意图。
[0047]
符号说明：
[0048]
1-信息获取单元，2-工况分解单元，3-姿态风速计算单元，4-运行状态确定单元。
具体实施方式
[0049]
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，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
本发明的目的是提供一种极端海况下风力发电仿真方法、系统及电子设备，通过将海上风电机组的运行环境分解为可以进行结构化的单一工况数据，方便计算机储存和调用，可以使用单一工况叠加组成新的复杂工况，将风电机组的发电功率和环境风浪影响相耦合，便于模拟风浪对于风电机组发电功率的影响。
[0051]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0052]
实施例一
[0053]
如图1所示，本实施例提供了一种极端海况下风力发电仿真方法，包括：
[0054]
步骤100：获取风力发电机处的环境信息。所述环境信息包括：风速、风向、浪高、海浪频率等。其中风速和风向指在机舱附近测量到的风况。
[0055]
步骤200：将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的
加权叠加，得到分解后的工况数据。具体地，将风力发电机运行的复杂环境信息分解为单一工况的加权叠加，并进行数据结构化。
[0056]
所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面。本发明首先以无环境干扰状态下的稳定风力发电机的机舱中心为坐标系原点o建立空间直角坐标系。空间直角坐标系在后续步骤中不随风力发电机机舱位置变化而变化。
[0057]
静止状态下，风机风轮和机舱的姿态信息视作质点位于空间直角坐标系原点，塔筒的姿态信息视作一条一端点为原点，另一端点为塔筒和地平面的连接处位于z轴负半轴的直线线段。机舱姿态信息视为质点，静止状态在(0，0，0)，在后续步骤中根据受力而发生变化。塔筒姿态信息视为线段，静止状态从(0，0，0)到(0，0，-h)，(0，0，-h)为定点，在后续步骤不发生变化，h为塔筒高度。
[0058]
基于已建立的空间直角坐标系，根据从环境信息提取的风况信息(包括风向、风速、空气密度)分别分解为空间直角坐标系xyz轴上三种两两正交的风浪工况的加权叠加。每种风浪特征信息对应一组正交风浪工况的加权叠加，对分解得到的正交风浪工况进行数据结构化，用于后续的工况模拟。
[0059]
例如：在某时刻，风力发电机受到xoy平面内与x轴正向和y轴负向均成45
°
，方向由原点向外延伸，风速为v的稳定风作用，且假设海面无海浪影响。将稳定风视为方向为(1，-1，0)，长度为v的向量，可以根据公式1，0)，长度为v的向量，可以根据公式将稳定风分解为空间直角坐标系xyz轴上三个正交风的加权叠加。其中v为实际稳定风的风速，v
x
、vy、vz为三个正交稳定风的风速。根据稳定风向量的坐标可以分解为v
x
＝0.707v，vy＝-0.707v，vz＝0的三个作用在机舱上的正交风的叠加。
[0060]
由于风切效应的影响，作用于塔架上的风方向和机舱处的风向一致，但风速不同于机舱处的风速，可以通过风切公式计算得到塔筒上每一高度处的风速，其中vh为高度h处的风速，v为原点处施加的风速，α为风剪切系数。在数据结构化时可以仅记录原点处的风速和风向。
[0061]
步骤300：将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速。
[0062]
进一步地，步骤300包括：
[0063]
步骤301：将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，确定机舱的受力大小及塔筒的受力大小。即将分解后的风工况(包括风速和风向)，分别作用于风机模型，求解得到各部件受力情况，并根据动力学方程计算风力发电机的姿态信息。
[0064]
具体地，采用以下公式计算机舱的受力大小：
[0065]
fc＝ρ(cosθvh)2sc1；
[0066]
其中，fc为机舱的受力大小，即作用于机舱的力，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，vh为机舱处的风速，可以根据风切公式得出，s为机舱的正向迎风面积，c1为第一修正系数。
[0067]
本实施例中，将将塔筒视作圆台，采用以下公式计算塔筒高度h处的受力大小：
[0068]ft
(h)＝0.5c2ρ(cosθvh)2dhdh；
[0069]
其中，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，即作用于塔筒的力，c2为第二修正系数，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，vh为塔筒高度h处的风速，dh为塔筒高度h处的直径，dh为高度的微分项。
[0070]
步骤302：根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的姿态信息。
[0071]
具体地，先根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的转矩。假设风力发电机和塔筒刚性连接，忽略风力发电机的平移运动，只考虑以塔筒底端为旋转中心的摇摆旋转动作，根据相关动力学公式将塔筒受力转化为塔筒转矩：矩：其中，t为风力发电机的转矩，h为塔筒高度，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，fc为机舱的受力大小，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，mh为塔筒高度h处的质量微分，g为重力加速度，m
t
为机舱的总质量。再根据所述风力发电机的转矩计算风力发电机的姿态信息。
[0072]
所述风力发电机的姿态信息包括：机舱的位置坐标、俯仰角、偏航角、滚转角、速度矢量、加速度矢量、塔筒与z轴所成的夹角矢量、夹角变化的角速度矢量、风力发电机在xoz平面摇摆的加速度及角速度。
[0073]
采用以下公式计算风力发电机的姿态信息：
[0074][0075]
其中，j为风力发电机以塔筒底端旋转的转动惯量，a为风力发电机在xoz平面摇摆的加速度，t为风力发电机的转矩，t
′
为风力发电机受到海水和固定平台提供的转矩，ω为风力发电机在xoz平面摇摆的角速度，θ为塔筒在xoz平面投影与z轴的夹角。
[0076]
步骤303：根据所述风力发电机的姿态信息，计算空间直角坐标系中风力发电机的位移速度。
[0077]
具体地，每一仿真步长均根据以上步骤解算风力发电机的姿态信息，并通过公式v
t
＝ωh求得空间直角坐标系中风力发电机的位移速度v
t
。当风力发电机向x轴负方向运动时，v
t
为负。
[0078]
步骤304：根据所述风力发电机的位移速度确定修正风速：
[0079]v′
＝|v
h-v
t
|；
[0080]
其中，v
′
为修正风速，用于输入风机气动模型，vh为机舱处的风速，v
t
为风力发电机的位移速度。
[0081]
步骤400：根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。
[0082]
具体地，将修正风速代入风机捕获风能的原理公式pr＝0.5ρπr2v
′3c
p
(λ,β)和tr＝0.5ρπr3v
′2c
p
(λ,β)/λ，计算风轮功率pr和风轮机械转矩tr，其中，c
p
(λ,β)为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比，r为风力发电机的叶片长度。
[0083]
使用双质块模型，对风机传动链进行建模，得到以下动力学方程：
[0084][0085]
其中，jr为风轮的转动惯量，c为传动链的刚度系数，ng为齿轮箱变速比，θr为风轮转子的角位移，θg为发电机的角位移，d为传动链的阻尼系数，jg为发电机的转动惯量，tg为发电机的电磁转矩。
[0086]
使用永磁同步发电机(也可以使用其他发电机)在dq同步旋转坐标系下数学模型，可以计算得到发电机的电磁转矩以及发电机功率等。
[0087]
永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的数学模型如下：
[0088][0089]
其中，ψs为定子磁链矢量，ld定子电感在d轴的分量，i
sd
为d轴电流矢量，j为虚数，lq为定子电感在q轴的分量，i
sq
为q轴电流矢量，ψf为转子永磁体在定子中感应的磁链矢量，vs为定子电压矢量，rs为定子电阻，is为定子电流矢量，ωr为永磁同步发电机的角速度，ps为永磁同步发电机的定子侧有功功率，qs为永磁同步发电机的定子侧无功功率，tg为永磁同步发电机的电磁转矩，pn为永磁同步发电机的极对数，im表示虚部。
[0090]
联立风机传动链模型和永磁同步发电机模型，可以计算得到风力发电机输出的有功和无功功率、发电机转速等状态信息。
[0091]
本发明将复杂的环境工况分解为简单的工况的加权叠加，之后根据风力发电机的受力情况，解算风力发电机的姿态信息，对输入风机仿真模型的风速和风向进行修正，完成对风力发电机发电功率的计算。有效实现了环境因素和风力发电机发电功率的耦合，提升了对风力发电机实际运行仿真的精确性，对研究海上风力发电机在不同工况下的运行情况有重要意义。
[0092]
实施例二
[0093]
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种极端海况下风力发电仿真系统。
[0094]
如图2所示，本实施例提供的极端海况下风力发电仿真系统包括：信息获取单元1、
工况分解单元2、姿态风速计算单元3及运行状态确定单元4。
[0095]
其中，信息获取单元1用于获取风力发电机处的环境信息；所述环境信息包括：风速、风向、浪高及海浪频率。
[0096]
工况分解单元2与所述信息获取单元1连接，工况分解单元2用于将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据。所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面。
[0097]
姿态风速计算单元3与所述工况分解单元2连接，姿态风速计算单元3用于将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速。
[0098]
运行状态确定单元4与所述姿态风速计算单元3连接，运行状态确定单元4用于根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。
[0099]
相对于现有技术，本实施例提供的极端海况下风力发电仿真系统与实施例一提供的极端海况下风力发电仿真方法的有益效果相同，在此不再赘述。
[0100]
实施例三
[0101]
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的极端海况下风力发电仿真方法。
[0102]
可选地，上述电子设备可以是服务器。
[0103]
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的极端海况下风力发电仿真方法。
[0104]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0105]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，所述极端海况下风力发电仿真方法包括：获取风力发电机处的环境信息；所述环境信息包括：风速、风向、浪高及海浪频率；将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据；所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面；将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速；根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。2.根据权利要求1所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速，具体包括：将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，确定机舱的受力大小及塔筒的受力大小；根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的姿态信息；根据所述风力发电机的姿态信息，计算空间直角坐标系中风力发电机的位移速度；根据所述风力发电机的位移速度确定修正风速。3.根据权利要求2所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，采用以下公式计算机舱的受力大小：f
c
＝ρ(cosθv
h
)2sc1；其中，f
c
为机舱的受力大小，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，v
h
为机舱处的风速，s为机舱的正向迎风面积，c1为第一修正系数。4.根据权利要求2所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，采用以下公式计算塔筒高度h处的受力大小：f
t
(h)＝0.5c2ρ(cosθv
h
)2d
h
dh；其中，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，c2为第二修正系数，ρ为空气密度，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，v
h
为塔筒高度h处的风速，d
h
为塔筒高度h处的直径，dh为高度的微分项。5.根据权利要求2所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的姿态信息，具体包括：根据所述机舱的受力大小及所述塔筒的受力大小，采用动力学方程，计算风力发电机的转矩；根据所述风力发电机的转矩计算风力发电机的姿态信息。6.根据权利要求5所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，采用以下公式计算风力发电机的转矩：
其中，t为风力发电机的转矩，h为塔筒高度，f
t
(h)为塔筒高度h处的受力大小，f
c
为机舱的受力大小，θ为塔筒在xoz平面的投影与z轴的夹角，m
h
为塔筒高度h处的质量微分，g为重力加速度，m
t
为机舱的总质量。7.根据权利要求5所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，所述风力发电机的姿态信息包括：风力发电机在xoz平面摇摆的加速度及角速度；采用以下公式计算风力发电机的姿态信息：其中，j为风力发电机以塔筒底端旋转的转动惯量，a为风力发电机在xoz平面摇摆的加速度，t为风力发电机的转矩，t
′
为风力发电机受到海水和固定平台提供的转矩，ω为风力发电机在xoz平面摇摆的角速度，θ为塔筒在xoz平面投影与z轴的夹角。8.根据权利要求2所述的极端海况下风力发电仿真方法，其特征在于，采用以下公式计算修正风速：v
′
＝|v
h-v
t
|；其中，v
′
为修正风速，v
h
为机舱处的风速，v
t
为风力发电机的位移速度。9.一种极端海况下风力发电仿真系统，其特征在于，所述极端海况下风力发电仿真系统包括：信息获取单元，用于获取风力发电机处的环境信息；所述环境信息包括：风速、风向、浪高及海浪频率；工况分解单元，与所述信息获取单元连接，用于将所述环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据；所述空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面；姿态风速计算单元，与所述工况分解单元连接，用于将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速；运行状态确定单元，与所述姿态风速计算单元连接，用于根据所述修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至8中任一项所述的极端海况下风力发电仿真方法。

技术总结
本发明提供了一种极端海况下风力发电仿真方法、系统及电子设备，属于风电仿真领域，方法包括：获取风力发电机处的环境信息；将环境信息分解为空间直角坐标系xyz轴上两两正交的风浪工况的加权叠加，得到分解后的工况数据；空间直角坐标系的原点为风力发电机的机舱中心，x轴平行于风力发电机传动链轴线，y轴平行于地平线，z轴垂直于xoy平面；将分解后的工况数据分别作用于预先建立的风机模型，并计算风力发电机的姿态信息及修正风速；根据修正风速，基于预先建立的风机传动链模型及永磁同步发电机模型，确定风力发电机的运行状态，以模拟风浪对于风力发电机发电功率的影响。本发明提高了风力发电机实际运行仿真的精确性。提高了风力发电机实际运行仿真的精确性。提高了风力发电机实际运行仿真的精确性。


技术研发人员：肖峰 刘臻逸 刘智杰 冯谦 岳丹丹
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11