CN115828701A - 一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法及平台装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法及平台装置，本方案根据风电机组气动、结构和水动力参数建立一体化仿真模型，且基于定义的仿真工况矩阵和一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，并对得到的风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，根据校核结果判断是否满足强度要求，若不满足，则更新塔筒和基础结构参数、控制策略中的至少一种，进行仿真迭代优化，直到得到满足强度要求的校核结果后，输出适用于目标场址的塔筒和基础的最优设计参数，与传统方式相比，在相同硬件资源条件下，塔筒和基础设计效率提升50％，大幅缩短项目开发周期，同时基础载荷至少降低5％，极大的节约了支撑结构成本。

Description

一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法及平台装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法及平台装置。

背景技术

深远海风能资源丰富，已成为风能开发又一主战场，然而开发深远海风资源面临开发成本高、效率低等问题。当前海上固定式风电机组中的风轮机舱组件和塔筒由整机厂家完成迭代设计，设计院基于整机厂家提供的塔基载荷作为边界条件对基础进行设计和校核，在此过程中由于风电领域和海工领域针对基础设计校核采用的标准和工况不一致、波浪载荷重复加载等问题，导致风电机组的基础成本居高不下(基础成本占总体建设成本30％以上)。而且，通常设计院采用目标场址的环境数据和主机厂商提供的塔基载荷或基础截面载荷作为基础设计的校核边界，将会丢失风电机组寿命周期内的运行状态、工况组合等信息，同时设计院采用的基础设计校核规范与整机厂商的塔筒校核规范不完全一致，此外设计院对基础进行强度校核时重复加载波浪力(主机厂商提供的边界载荷已包含波浪载荷的贡献)，导致基础载荷放大、基础重量偏重、设计院与主机厂来回迭代周期较长。

因此，为高效低成本开发丰富的深远海风资源，需针对目标场址开展海上固定式风轮机舱组件、塔筒和基础的一体化仿真设计来降本增效，支撑我国海上风电大规模平价上网。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法及平台装置，以解决现有技术中存在的由于标准和工况不一致导致的迭代次多、项目开发周期长、基础成本高、仿真设计效率低的技术问题。

一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法，包括：根据风电行业标准定义目标场址环境的边界条件和仿真工况矩阵；根据风电机组气动、结构和水动力参数建立一体化仿真模型；基于所述仿真工况矩阵和所述一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，得到风电机组仿真结果，所述风电机组包括风轮机舱组件、塔筒和基础；根据风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，得到校核结果；判断所述校核结果是否满足极限和疲劳强度要求；若是，则输出所述仿真结果对应的目标参数；若否，则选择更新塔筒和基础结构参数、控制策略中的至少一种，迭代重复上述建模、仿真、校核以及判断步骤，直至所述校核结果满足强度要求为止。

在其中一个实施例中，所述一体化仿真模型包括空气动力学模块、结构动力学模块、控制***模块、水动力模块及桩土模块。

在其中一个实施例中，基于所述工况矩阵和所述一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，得到风电机组仿真结果，所述风电机组包括风轮机舱组件、塔筒和基础，包括：基于所述工况矩阵和所述一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中求解风电机组的特征频率和气动特征参数；在每一个时间步长内，基于上一时刻的叶片位置状态，调用空气动力学模块计算风轮气动载荷及运动参数；根据所述风轮气动载荷和所述运动参数，求解并更新结构动力学模块中的载荷和运动参数；获取控制***模块中的变桨和转矩信号，分别作用于空气动力学模块和结构动力学模块中，作为下一个时间步长求解的初始边界条件。

在其中一个实施例中，所述仿真结果包括：风轮机舱组件的六自由度载荷和运动时序、塔筒的六自由度载荷和运动时序、基础的六自由度载荷和运动时序和波浪时序。

在其中一个实施例中，根据所述风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，得到校核结果，包括：根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的风轮机舱组件载荷进行设计校核；根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核；根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的基础载荷进行设计校核；根据上述三类校核，得到校核结果。

在其中一个实施例中，根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核，包括：提取所述仿真结果中的不同截面的塔筒载荷特征值和时序载荷或马科夫矩阵数据，基于预设软件完成塔筒结构的极限和疲劳强度分析。

在其中一个实施例中，根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的基础载荷进行设计校核，包括：提取所述仿真结果中不同截面的基础时序载荷、六自由度运动时序和波浪时序，在特定软件中完成基础的极限和疲劳强度分析。

在其中一个实施例中，所述仿真结果对应的目标参数至少包括整机结构参数、塔筒结构参数、基础结构参数和控制参数。

一种固定式海上风电机组一体化仿真分析平台装置，包括一体化仿真单元、数据传输及指令执行单元、校核单元，其中：所述一体化仿真单元用于，风轮机舱组件、塔筒和基础参数化建模、仿真工况自动生成、无人值守的自动化仿真、载荷和运动的特征值自动提取；所述数据传输及指令执行单元用于，接收和传递所述一体化仿真单元、所述校核单元的数据和指令；所述校核单元，其内集成有限元分析软件、水动力分析软件以及整机零部件的工程算法，用于评估风电机组的零部件强度。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各个实施例中所述的一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.根据风电机组气动、结构和水动力参数建立一体化仿真模型，且基于定义的仿真工况矩阵和一体化仿真模型在风电机组动力学分析软件中进行仿真，并对得到的风轮机舱组件、塔筒和基础仿真结果进行设计校核，根据校核结果判断是否满足强度要求，若不满足，则更新塔筒和基础结构参数、控制策略中的至少一种，进行仿真迭代，直到得到满足强度要求的校核结果后；通过多轮快速的一体化仿真迭代优化，输出适用于目标场址的最优设计参数，与传统方式相比，在相同硬件资源条件下，塔筒和基础设计效率提升50％，大幅缩短项目开发周期，同时基础载荷至少降低5％，极大的节约了支撑结构成本。

2.本发明采用的一体化仿真平台装置，含有风轮机舱组件、塔筒和基础的一体化建模、仿真、校核等功能，实现无人值守的海上固定式风轮机舱组件、塔筒和基础的一体化仿真及校核，大幅缩短风轮机舱组件、塔筒和基础的设计和校核周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一个实施例中一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法的流程示意图；

图2为一个实施例中一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法的另一流程示意图；

图3为一个实施例中风电机组动力学仿真时程分析的原理结构框图；

图4为一个实施例中一种固定式海上风电机组一体化仿真分析平台装置的结构框图；

图5为一个实施例中计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在一个实施例中，如图1和图2所示，提供了一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法，包括一下步骤：

S1根据风电行业标准定义目标场址环境的边界条件和仿真工况矩阵。

具体地，目标场址环境边界需包括，50年一遇、1年一遇的风浪流数据、潮位数据及风浪流的联合分布，需满足IEC规范中规定环境条件最低要求。这里的风电行业标准包括但不限于IEC61400-1 IEC61400-3 DNV相关标准。其中，IEC标准即国际电工委员会(International Electrical Commission)，是由各国电工委员会组成的世界性标准化组织，其目的是为了促进世界电工电子领域的标准化。此处的行业标准即为IEC规范。仿真工况矩阵(工况，是指风电机组在风浪流和其动作有直接关系的条件下的工作状态)：满足IEC规范中规定的工况类别最低要求，需涵盖风电机组全寿命周期内可能遇到的状态组合，涉及不同的风模型、波浪模型、流模型和水位模型及其他故障和维护状态，包括正常发电工况、故障工况、启停机工况、空转工况、停机兼故障工况、运输维护吊装工况。

S2根据风电机组气动、结构和水动力参数建立一体化仿真模型。

具体地，根据风电机组气动参数、结构参数以及水动力参数完成一体化仿真模型的建立，一体化仿真模型则是风轮机舱组件、塔筒和基础的一体化模型。

在其中一个实施例中，一体化仿真模型包括空气动力学模块、结构动力学模块、控制***模块、水动力模块及桩土模块。

具体地，空气动力学模块：基于叶素动量理论或自由涡尾迹方法或CFD方法计算风电机组风轮气动载荷，需涵盖叶片结构参数、气动参数、叶尖损失模型、塔影模型、尾流模型等。结构动力学模块：基于传动链、塔筒、基础的尺寸参数和质量矩阵，建立梁单元或有限元模型。控制***模块：基于风电机组控制理论和风电机组的实际参数，建立适用于风电机组全寿命周期内的闭环控制策略。水动力模块：结合基础结构参数和风电机组安装场址的波浪环境数据，建立基于莫里森方程或势流理论的基础水动力模型。桩土模块：结合场址地勘数据，建立基于P-y曲线或等效刚度矩阵的基础与土壤相互作用的桩土数学模型。

S3基于仿真工况矩阵和一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，得到风电机组仿真结果，风电机组包括风轮机舱组件、塔筒和基础。

具体地，只有基于预先定义的仿真工况矩阵进行仿真，才不会出现背景技术中提及的现有技术会丢失风电机组寿命周期内的运行状态、工况组合等信息的情况。这样的仿真结果才会更加准确。

在其中一个实施例中，步骤S3包括：基于工况矩阵和一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中求解风电机组的特征频率和气动特征参数；在每一个时间步长内，基于上一时刻的叶片位置状态，调用空气动力学模块计算风轮气动载荷及运动参数；根据风轮气动载荷和运动参数，求解并更新结构动力学模块中的载荷和运动参数；获取控制***模块中的变桨和转矩信号，分别作用于空气动力学模块和结构动力学模块中，作为下一个时间步长求解的初始边界条件。

具体地，风电机组动力学仿真时程分析的原理如图3所示，固定式风电机组一体化耦合仿真流程：1)在一体化仿真单元中建立固定式风轮机舱组件、塔筒和基础的详细模型，需包括空气动力学模块、结构动力学模块、控制***模块、水动力模块和桩土模块，求解风电机组的特征频率及气动特征参数；2)在每一个时间步长内，首先，基于上一时刻的叶片桨距位置状态，调用空气动力学模块计算风轮气动载荷及运动参数；其次，将载荷和运动参数经耦合求解器传递给传动链、机架、塔筒、基础等结构，求解塔筒和基础结构在风轮气动力和水动力作用下的载荷和运动，并更新***当前时刻的载荷和运动；然后，控制***的变桨和转矩等信号指令经耦合求解器分别反馈给空气动力学模块和结构动力学模块。

在其中一个实施例中，仿真结果包括：风轮机舱组件的六自由度载荷和运动时序、塔筒的六自由度载荷和运动时序、基础的六自由度载荷和运动时序和波浪时序。

S4根据风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，得到校核结果。

具体地，根据IEC标准，提取风电机组中的风轮机舱组件、塔筒和基础载荷和运动进行设计校核。

在其中一个实施例中，步骤S4包括：根据风电行业标准，提取仿真结果中的风轮机舱组件载荷进行设计校核；根据风电行业标准，提取仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核；根据风电行业标准，提取仿真结果中的基础载荷进行设计校核；根据上述三类校核，得到校核结果。

具体地，风轮机舱组件载荷和运动结果、塔筒载荷和运动结果以及基础载荷和运动结果，均是需要校核的内容，通常整机和塔筒的载荷校核由主机厂商完成，而基础的校核多数情况由设计院完成校核，而对于基础校核，本案提供两种高效、精确的评估方法，具体见下两个实施例。

在其中一个实施例中，根据风电行业标准，提取仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核，包括：提取仿真结果中的不同截面的塔筒载荷特征值和时序载荷或马科夫矩阵数据，基于预设软件完成塔筒结构的极限和疲劳强度分析。

具体地，提取基于一体化仿真结果的基础不同截面的特征值和时序载荷或马科夫矩阵数据，可在第三方软件如SACS、ANSYS、ABAQUS等软件中完成基础的强度分析。SACS，海上结构分析软件。ANSYS，美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。ABAQUS，是一套功能强大的工程模拟的有限元软件。

在其中一个实施例中，根据风电行业标准，提取仿真结果中的基础载荷进行设计校核，包括：提取仿真结果中不同截面的基础时序载荷、六自由度运动时序和波浪时序，在特定软件中完成基础的极限和疲劳强度分析。

具体地，提取塔基位置的时序载荷、六自由度运动时序和波浪时序，可在海工软件(如Sesam/SACS等软件)中完成基础的强度分析。SESAM是DNV于1969年发布的一款强度分析软件，是全世界海工行业优选的结构设计分析工具。

S5判断校核结果是否满足极限和疲劳强度要求。

具体地，是判断校核结果是否满足预设的强度以及运动指标要求。

S6若是，则输出仿真结果对应的目标参数。

具体地，最后输出的是适用于目标场址的塔筒和基础的最优设计参数。

在其中一个实施例中，步骤S6中的仿真结果对应的目标参数至少包括整机结构参数、塔筒结构参数、基础结构参数和控制参数。具体地，文中提及的对应的目标参数包括风轮机舱组件、基础和塔筒的结构参数，以及一些控制参数，比如风电机组中风轮机舱组件的重心和惯量、轮毂中心高度、塔筒的壁厚和外径及高度、基础的壁厚和外径及高度，机组安全稳定运行所需的控制参数。

S7若否，则选择更新塔筒和基础结构参数、控制策略中的至少一种，迭代重复上述建模、仿真、校核以及判断步骤，直至校核结果满足强度要求为止。

具体地，若否，则至少需要新定义塔筒和基础结构参数，或者新定义控制策略，然后将新定义的两者中的至少一个带入步骤S1中，然后重复步骤S1-S5，一直到最后的校核结果满足强度要求为止。强度要求是预设的风电叶片的塔筒和基础的极限和疲劳强度要求。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种固定式海上风电机组一体化仿真分析平台装置，其特征在于，包括一体化仿真单元、数据传输及指令执行单元、整机-塔筒-基础校核单元，其中：

一体化仿真单元用于，风轮机舱组件、塔筒和基础参数化建模、仿真工况自动生成、无人值守的自动化仿真、载荷和运动的特征值自动提取；

数据传输及指令执行单元用于，接收和传递一体化仿真单元、校核单元的数据和指令；

校核单元，其内集成有限元分析软件、水动力分析软件以及整机零部件的工程算法，用于评估风电机组的零部件强度。

具体地，数据传输及指令执行单元特征在于：基于一体化仿真单元的载荷和运动结果文件，按照预定义的工作流程，数据文件的传递依赖于内网或网盘的形式自动进行交互，自动调用强度和水动力分析模块开展强度相关分析。该平台装置可实现一键式无人值守的风轮机舱组件、塔筒和基础的一体化仿真迭代优化，当整机、塔筒、基础校核不满足安全性要求时，通过调整整机控制参数、优化塔筒和基础结构参数，开展下一轮迭代优化，直至风轮机舱组件、塔筒和基础满足安全性要求，输出塔筒和基础结构参数。

在其中一个实施例中，一体化仿真单元功能模块不仅限于上述提到的空气动力学模块、结构动力学模块、水动力学模块、控制***模块、桩土模块，根据建模需要，可增加相应模块，如地震模块等，实现建模功能的软件不仅限于Bladed、HAWC2、OpenFast。整机-塔筒-基础校核单元可实现相关部件的强度和水动力分析，实现该校核功能的软件不仅限于Ansys、ABAQUS、Sesam、SACS、Orcaflex。数据传输及指令执行单元作为一体化仿真平台装置的核心单元，数据传输不仅限于局域网和网盘，该单元对一体化仿真单元和校核单元全程实时监控，待上一流程完成后，分发相应指令执行下一流程，最终实现无人值守的海上固定式风轮机舱组件-塔筒-基础的一体化仿真分析和校核(其中风轮机舱组件、塔筒、基础之间的“-”为和的关系)。其中，Bladed是一款行业标准的用于陆上和海上风力机设计及认证的设计软件。HAWC2(水平轴风力机模拟程序第二代)是一个用于计算风力机时域响应的气动弹性程序。OpenFast为风力机气弹仿真软件。OrcaFlex是世界领先的海洋动力分析软件包，以其广泛的技术能力和用户友好性而闻名。

在一个实施例中，提供一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储配置模板，还可用于存储目标网页数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种固定式海上风电机组一体化仿真分析方法，其特征在于，包括：

根据风电行业标准定义目标场址环境的边界条件和仿真工况矩阵；

根据风电机组气动、结构和水动力参数建立一体化仿真模型；

基于所述仿真工况矩阵和所述一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，得到风电机组仿真结果，所述风电机组包括风轮机舱组件、塔筒和基础；

根据风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，得到校核结果；

判断所述校核结果是否满足极限和疲劳强度要求；

若是，则输出所述仿真结果对应的目标参数；

若否，则更新塔筒和基础结构参数、控制策略中的至少一种，迭代重复上述建模、仿真、校核以及判断步骤，直至所述校核结果满足强度要求为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一体化仿真模型包括空气动力学模块、结构动力学模块、控制***模块、水动力模块及桩土模块。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述工况矩阵和所述一体化仿真模型在风电机组动力学仿真软件中进行仿真，得到风电机组仿真结果，所述风电机组包括风轮机舱组件、塔筒和基础，包括：

基于所述工况矩阵和所述一体化仿真模型，在风电机组动力学仿真软件中求解风电机组的特征频率和气动特征参数；

在每一个时间步长内，基于上一时刻的叶片位置状态，调用空气动力学模块计算风轮气动载荷及运动参数；

根据所述风轮气动载荷和所述运动参数，求解并更新结构动力学模块中的载荷和运动参数；

获取控制***模块中的变桨和转矩信号，分别作用于空气动力学模块和结构动力学模块，作为下一个时间步长求解的初始边界条件。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真结果包括：风轮机舱组件的六自由度载荷和运动时序、塔筒的六自由度载荷和运动时序、基础的六自由度载荷和运动时序和波浪时序。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述风轮机舱组件、塔筒和基础的仿真结果进行设计校核，得到校核结果，包括：

根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的风轮机舱组件载荷进行设计校核；

根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核；

根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的基础载荷进行设计校核；

根据上述三类校核，得到校核结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的塔筒载荷进行设计校核，包括：

提取所述仿真结果中的不同截面的塔筒载荷特征值和时序载荷或马科夫矩阵数据，基于预设软件完成塔筒结构的极限和疲劳强度分析。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据风电行业标准，提取所述仿真结果中的基础载荷进行设计校核，包括：

提取所述仿真结果中不同截面的基础时序载荷、六自由度运动时序和波浪时序，在特定软件中完成基础的极限和疲劳强度分析。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真结果对应的目标参数至少包括整机结构参数、塔筒结构参数、基础结构参数和控制参数。

9.一种固定式海上风电机组一体化仿真分析平台装置，其特征在于，包括一体化仿真单元、数据传输及指令执行单元、校核单元，其中：

所述一体化仿真单元用于，风轮机舱组件、塔筒和基础参数化建模、仿真工况自动生成、无人值守的自动化仿真、载荷和运动的特征值自动提取；

所述数据传输及指令执行单元用于，接收和传递所述一体化仿真单元、所述校核单元的数据和指令；

所述校核单元，其内集成有限元分析软件、水动力分析软件以及整机零部件的工程算法，用于评估风电机组的零部件强度。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

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