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申请/专利权人：华北电力大学

摘要：本发明涉及风电机组仿真测试技术领域，具体是指一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法。包括如下步骤：S1：多模块集成建立数字孪生仿真架构；S2：前后风轮串列连接反向旋转，耦合安装在同一个塔筒上；S3：由入流风模块实现前后风轮风速模拟与计算；S4：由空气动力模块实现前后风轮气动性能分析；S5：由结构动力学模块实现载荷计算和耦合；S6：由空气动力学与结构动力学模块结合实现前后风轮气动载荷干涉；S7：由控制模块实现协调控制，多控制器间可进行信息交互；S8：使用神经网络动态补偿得到双风轮机组的数字孪生体。本发明提供一种能降低成本并缩短设计周期，实时监测关键部件状态，准确描述双风轮间气动载荷干涉特性的数字孪生仿真方法。

主权项：1.一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：一种串列式双风轮风电机组数字孪生仿真方法，包含以下功能：前后风轮风速模拟与计算、前后风轮气动载荷计算、塔筒结构载荷计算和耦合、前后风轮气动载荷干涉、前后风轮协调控制、整机关键部件状态监测、误差动态补偿，各功能由入流风、空气动力学、结构动力学和控制模块有机结合实现，多模块集成建立双风轮风电机组的数字孪生仿真架构；多模块集成建立了双风轮风电机组的仿真架构；调用入流风、空气动力学、控制和结构动力学进行多领域、全工况的仿真；通过入流风模块模拟或计算得到前后风轮的输入风速，传递给空气动力学模块计算得到前后风轮和塔筒的气动载荷，计算得到的风轮气动推力叠加在塔筒上，通过结构动力学模块计算塔筒的载荷和结构运动信息，塔筒载荷反馈给前风轮改变其气动载荷，塔筒结构运动信息传递给后风轮改变其输入风速，进一步改变其气动力和气动载荷，控制模块可随时读取机组的运行状态，并进行前后风轮控制器之间的信息交互；S2：所述串列式双风轮风电机组由塔筒、前后风轮、前后传动轴、前后发电机、轮毂组成，前后风轮串列连接反向旋转，经各自的传动轴连接至发电机，耦合安装在同一个塔筒上；S3：所述前后风轮风速模拟与计算由入流风模块实现，其中前风轮输入风速使用统计模型模拟得到矢量时间序列，包括全风速范围内稳态风、阶跃风、湍流风，后风轮的输入风速使用尾迹计算模型求解方法处理后得到；前后风轮风速模拟与计算由入流风模块实现；前风轮输入风速由统计模型模拟得到，包括全风速范围内稳态风、阶跃风、湍流风，后风轮的输入风速由尾迹计算模型求解得到；使用流场计算方法中的涡流理论方法得到前风轮的尾流，使用的涡流理论方法包括如自由涡尾迹FVW、预定尾迹方法、刚性尾迹方法；首先将叶片中弧面沿弦向和展向分别划分为多个网格，在每个网格的14弦向宽度处沿展向放置附着涡线，该涡线的强度代表了对应网格展向分布涡片的涡量总和；在附着涡线两端，沿弦向往下游拖出半无限长的自由涡线，其强度与附着涡强度相同；该自由涡线可进一步分为两个部分：叶片部分和尾迹部分；叶片上拖出的自由涡线经过一段时间的发展，将分别向叶根和叶尖方向卷起而形成叶根和叶尖涡，叶根处拖出的尾涡很快消散，但叶尖涡的影响一直存在；基于这种情况，同时也为了降低计算量，将上述尾迹部分的自由涡进一步分成两个部分：近场尾迹和远场叶尖涡线，近场尾流的长度常为一到两倍的风轮直径，故后风轮位于近场尾流区中，选取前风轮尾流中的近场尾流速度v1设置为后风轮的初始输入风速，塔筒振动造成的后风轮输入风速变化量为vt，故后风轮的最终输入风速Vrear为：Vrear＝V1+Vt在相同或相邻的两个时间步长内，前风轮首先计算其尾流，计算完成后处理并通过glue-code传递给后风轮，作为其输入风速；S4：所述气动载荷计算由空气动力学模块实现，采用气动特性精细化建模方法进行前后风轮的气动性能分析；S5：所述结构载荷计算和耦合由结构动力学模块实现，将风机结构认为刚体与柔体结合的多体系统，采用动力学特性分析和谐响应分析对风机系统进行建模，动力学特性分析和谐响应分析包括模态叠加法、完全法、缩减法；采用动力学特性分析和谐响应分析对风机系统进行建模，动力学特性分析和谐响应分析包括模态叠加法、完全法、缩减法；前后风轮叶片的塔筒和叶片的结构动力学响应用谐响应分析进行描述，结构动力学响应用谐响应分析包括模态叠加法、完全法、缩减法，与动力学特性分析方法结合建立其动力学方程；叶片和塔筒简化为两个自由度的柔性悬臂梁，叶片与刚性的轮毂连接，塔筒与大地连接；基于正交单位向量建立了坐标系统以定义刚性结构参考系，各个部件坐标系之间可以由坐标转移矩阵实现转化，根据塔筒的分布式特性参数，塔筒的分布式特性参数包括直径、密度和刚度，沿塔架的中心从下到上用n个广义坐标描述，风力机上任何一点的受力情况和位移都可以由公式来进行表示；前后风轮的传动链被模拟成连接轮毂和发电机的等效扭转弹簧系统，有线性的扭转弹性和阻尼，同时对发电机、机舱做了简化近似处理；S6：所述前后风轮气动载荷干涉结合空气动力学与结构动力学模块实现，前后风轮的气动载荷影响其传动系统和塔筒，塔筒的结构动力学载荷和响应传递给另一风轮以影响其气动载荷；风轮气动载荷干涉结合空气动力学与结构动力学模块实现：首先，根据前后风轮入流风速计算各风轮的初步气动推力Ff和Fr，计算入流风作用而产生的塔筒初步气动载荷Lt1包括受入流风作用产生的塔顶剪切力Ftt、弯矩Btt，将前后风轮的初步气动推力传递至塔筒；其次，塔筒受前后风轮气动推力影响产生塔筒次生载荷Lt2，塔筒次生载荷Lt2包括次生塔顶剪切力Ftb、次生弯矩Btb，在初步气动载荷和次生载荷的作用下产生结构响应，由结构动力学模块计算以下结构运动信息：整体塔顶剪切力Ft、弯矩Bt以及位移xt、速度vt和加速度at； 最后，分别计算前后风轮受塔筒结构运动影响后的整体气动载荷Lfore和Lrear； 式中，前风轮的整体载荷Lfore受到自身的初步气动载荷、后风轮的气动载荷以及塔筒载荷影响；Fr*为塔筒运动导致后风轮输入风速变化后的气动力，塔筒运动与其初步载荷和次生载荷均有关，即后风轮也同时受到其入流风造成的初步气动载荷、前风轮气动载荷和塔筒载荷影响S7：所述协调控制功能由控制模块实现，控制模块包括前后风轮控制器，每个控制器可以读取整机的实时运行状态，控制器之间可进行信息交互；S8：所述整机关键部件状态监测和误差动态补偿由结构动力模块实现，使用虚拟传感器实时计算关键部件状态，使用机器学习方法对计算结果进行神经网络动态补偿，得到双风轮风电机组的数字孪生体，使用虚拟传感器实时计算关键部件状态，使用机器学习方法对计算结果进行神经网络动态补偿；所述虚拟传感器在结构动力学模块中实现，使用动力学特性分析和谐响应分析可得到机组任意一点处的动力学响应和载荷；所述关键部件包括但不限于：叶根、塔顶、塔底、传动轴，关键部件状态包括但不限于如下较难测量或测量成本较高的载荷：叶根弯矩、叶片净空距离、塔顶剪切力、塔顶位移、塔底弯矩；使用机器学习方法建立多输入多输出神经网络补偿模型，机器学习方法包括递归神经网络、循环神经网络，实现对风机模型的全工况补偿；定义状态误差补偿向量exk和输出误差补偿向量eyk为输出向量，误差补偿回归向量Ek为输入向量；eyk＝yk-yrk，exk＝xk-xrk，xr和yr为实际值；Ek＝[exTk-1,exTk-2,…,exTk-nex,eyTk-1,eyTk-2,…,eyTk-ney,yTk-1,yTk-2,…,yTk-ny,uTk-1,uTk-2,…,uTk-nu]T，nex、ney、ny、nu为各对应向量的自回归阶次；使用得到的状态误差补偿向量和输出误差补偿向量，对机组状态和载荷进行动态补偿，实现了该机组的数字孪生： 其中，xk是机组状态向量，包括前后风轮转速、前后风轮气动推力、高速轴弯矩、低速轴弯矩；uk为控制量，包括前后风轮桨距角和前后发电机电磁转矩；wk为扰动项，包括前后风轮输入风速；yk为关键部件载荷；fxk和fyk为多输入多输出非线性函数，表示所建立的高精度复杂模型。

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