一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法

本发明涉及海上风力发电，尤其涉及一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法。

背景技术：

1、海上风能资源丰富，相较于陆上风电具有更大的开发潜力。浮式风力发电机作为海上风电的重要发展方向，因其能够部署在深海区域，不受海底地质条件限制，受到越来越多的研究和应用关注。

2、浮式风力发电机在海上环境中运行时，受风、浪、流等多种复杂环境因素的共同作用。气动载荷是浮式风机设计和性能分析的重要参数，直接影响其结构安全性和发电效率。然而，由于海上环境条件复杂多变，实际测量和评估气动载荷存在诸多困难。因此，如何通过试验和模拟手段精确获得浮式风机的气动载荷，成为研究的重点和难点。

3、传统的风洞试验和数值模拟方法在气动载荷评估中发挥了重要作用，但由于浮式风机的动态特性和环境条件的复杂性，常规方法存在一定的局限性。例如，水池试验难以实现缩尺准则的匹配，不能精确的模拟海上浮式风机的工作状态和环境条件；而数值模拟方法则依赖于复杂的数学模型和计算资源，且模拟结果的准确性受限于模型的精确程度，从而导致浮式风力发电机的气动载荷评估不准确。

技术实现思路

1、本发明提供一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，用以解决现有技术中浮式风力发电机的气动载荷模拟不准确的缺陷，实现提高浮式风力发电机的气动载荷评估与模拟准确性，提升试验系统的可靠性与精准度。

2、本发明提供一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，包括：

3、建立数值风机系统，并离线计算数值风机的气动载荷；

4、建立基于浮体运动反馈的气动载荷修正方法；

5、建立多通路气动载荷复现器气动载荷分配方法，作为气动载荷执行机构；

6、多通路气动载荷复现器执行实时修正的气动载荷，作用于浮式风机模型系统。

7、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，所述离线计算数值风机的气动载荷包括：

8、建立并数值风机模型，并对在运行工况气动载荷、停机气动载荷以及风轮、塔筒的气动载荷等工况下不同偏航角的纯气动载荷进行计算，数值风机气动载荷可表示为：

9、f＝fr+ft

10、其中f为数值风机的气动载荷，fr为风轮部分气动载荷，ft为塔筒部分气动风载荷；

11、数值风机的风轮部分气动载荷使用openfast的aerodyn模块算，其计算方法采用经典的叶素动量理论，计算中考虑了气动弹性模拟；

12、数值风机的塔架气动载荷通过计算塔架直径、气动载荷系数等来求解，塔筒的等效风载荷的计算公式如下：

13、

14、

15、其中，l为所述塔筒的几何中心到塔底的距离，h为所述塔筒的高度或所述塔底到所述多通路气动载荷复现器的距离，ρ表示空气密度，a表示所述塔筒的投影面积，cd表示预设风荷载系数，v表示风速；

16、数值风机的气动载荷离线计算过程的时间步长为δt，风轮载荷和塔筒载荷均按照时间步长为δt计算，并将计算的时间序列结果保存在气动载荷输入文件。

17、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，所述气动载荷修正方法包括：风轮气动载荷修正和塔筒气动载荷修正：

18、以单点系泊双叶轮浮式风机为例，运行工况下不同偏航角的风轮气动载荷修正方法，通过以下公式计算表示：

19、fr,x(θ)＝fr,x(0°)×cosn(θ)

20、fr,y(θ)＝0

21、其中，θ为所述数值风机的偏航角度，fr,x(θ)和fr,y(θ)分别为风的空气动力载荷在轴向和侧向的分量；

22、停机工况下不同偏航角下风轮气动载荷，可根据离线计算结果通过插值方法得到；

23、不同偏航角下，塔筒气动载荷计算方法通过如下公式表示：

24、

25、其中ft,x是风轮局部坐标下轴向塔筒气动载荷分量，ft,y风轮局部坐标下侧向塔筒气动载荷分量；

26、不同偏航角的气动载荷，通过以下公式计算得到：

27、

28、其中fx为沿风机局部坐标轴向气动载荷分量，fy为沿风机局部坐标侧向气动载荷分量。

29、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，所述多通路气动载荷复现器包括：

30、支撑结构，为所述多通路气动载荷复现器的支撑框架，所述支撑框架留设有压载调节系统，通过调整压载大小和位置，使复现器整体重量、重心与试验原型系统相匹配；

31、驱动系统，为所述多通路气动载荷复现器的气动载荷执行结构，所述驱动系统包括旋翼、电机和电子调速器，每组旋翼安装在一一对应的电机上，组装好的旋翼通过悬臂与所述支撑结构连接，所述电子调速器根据接收到的pwm波的占空比调节所述电机的转速，使得每组旋翼在每路pwm信号的控制下产生不同的推力；

32、控制系统，包括上位机和微控器，所述上位机用于计算所需气动载荷的控制信号，所述微控器用于接收相应的控制信号产生对应的pwm波，以供所述电子调速器根据所述pwm波的占空比调节所述电机的转速，所述占空比越大则所述转速越大。

33、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷评估方法，所述驱动系统包括六组旋翼；

34、其中，前部四组旋翼中，左上和右下旋翼按顺时针旋转，右上和左下旋翼按逆时针旋转，相邻两旋翼旋转方向相反，以此来抵消单个旋翼旋转时产生的力矩，前部四组旋翼均产生朝正前方的气流，以此给所述支撑框架的中心施加向后的推力，模拟所述浮式风力发电机的风轮轴向气动推力，后部二组旋翼用于模拟所述浮式风力发电机的侧向气动载荷。

35、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷模拟方法，所述利用多通路气动载荷复现器，通过气动推力分配算法复现浮式风力发电机的气动载荷，包括：

36、确定为每个电机分配的推力输出；

37、根据预先建立的所述控制信号和每个电机的推力输出之间的映射关系，确定每个电机的推力输出对应的控制信号；

38、利用多通路气动载荷复现器根据每个电机的推力输出对应的控制信号复现气动载荷；

39、将复现的所述气动载荷与目标气动载荷进行对比，以评估所述多通路气动载荷复现器的气动载荷复现性能。

40、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷评估方法，通过以下公式确定为每个电机分配的推力输出：

41、

42、

43、其中，fx、fy、mz和my分别是每个气动载荷复现器的四自由度载荷，f1、f2、f3、f4、f5和f6是六个风机的气动推力，wi是权重参数，d1、d2和d3为所述风机到所述支撑框架的中心的力臂。根据试验对象和试验要求的不同，可调整六个旋翼的布置方式，实现对不同自由度气动载荷的模拟。

44、根据本发明提供的一种浮式风力发电机的气动载荷评估方法，所述利用实时修正气动并执行气动载荷包括：

45、据漂浮式平台原型，设计制作浮式平台和风电机组实验模型，并将多通路气动载荷执行系统安装在风机平台模型，进行水池实验；

46、取当前时间步气动载荷输入文件的气动载荷和监测并读取平台实时运动姿态，如首摇角根据风机气动载荷在不同偏航角度的计算方法，对当前偏航角度的气动载荷进行修正，计算下一时间步的修正后的气动载荷

47、

48、针对不同的浮式风机类型和试验要求，可设计制定不同的气动载荷修正律。

49、将修正后的气动载荷作为所述微控器的输入数据，按照气动载荷分配方法，确定为每个电机分配的推力输出；

50、由所述微控器将修正后的气动载荷转换为pwm波；

51、通过所述电子调速器根据所述pwm波的占空比调节所述电机的转速，以改变所述电机的推力，再次复现所述气动载荷，将再次复现的气动载荷作用于塔筒的顶部。

52、本发明提供的双风轮浮式风力发电机的气动载荷计算修正和模拟方法，通过利用数值风机离线计算气动载荷的计算以及根据平台首摇角度对气动载荷进行修正，利用多通路气动载荷复现器通过气动推力分配算法，复现浮式风机在不同工况下的气动载荷，试验中考虑双风轮单点系泊浮式风机的实时首摇运动，通过修正模型参数校准数值模拟结果，实现气动载荷的精确评估，为风机的设计和优化提供重要支持。