(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211004599.7 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 大唐可再生能源试验研究院有限公 司 地址 100052 北京市西城区菜市口大街西 砖胡同2号大唐可再生能源试验研究 院有限公司 申请人 中国大唐集团科 学技术研究总院有 限公司 (72)发明人 高伟　张家铭　郭鹏　刘洋广　 赖如辉　郭强　任超宇　陈明轩　 王玉莹　 (74)专利代理 机构 北京中南长风知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11674 专利代理师 陈自科(51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种风电机组自主载荷仿真计算与修正系 统 (57)摘要 本发明涉及一种风电机组自主载荷仿真计 算与修正系统， 其特征在于， 包括空气动力学仿 真系统、 风电机组多体动力学系统、 人机界面与 并行批处理系统、 典型工况研究系统； 所述空气 动力学仿真系统包括改进式非定常叶素 ‑动量理 论模型。 本发 明能够提高风电机组载荷仿真计算 的精确性， 使得计算结果更加精确， 从而提高风 电机组的安全性， 通过人机界面与并行批处理系 统， 实现对自主 载荷仿真软件的方便、 快捷操作， 可以提高载荷仿真计算的效率， 降低载荷仿真计 算系统的CP U/IO负荷， 满足风电机组载荷仿真计 算的实时性与高效性的需求。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 115525988 A 2022.12.27 CN 115525988 A 1.一种风电机组自主载荷仿真计算与修正系统， 其特征在于， 包括空气动力学仿真系 统、 风电机组多体动力学系统、 人机界面与并行批处 理系统、 典型工况研究系统； 所述空气动力学仿真系统包括改进式非定常叶素 ‑动量理论模型； 所述改进式非定常叶素 ‑动量理论模型用于对风力机叶片 气动载荷进行 预测， 包括： 确定风轮上诱 导速度： 对于非定常工况， 认为每个叶片的局部效应影响区域为以叶片为中心的风轮平面上角 度为2/B的扇形区域， 此时推力T和诱 导速度Wn之间的关系式为： 式中n为风轮平面法向的单位矢量， V ’为尾迹中的速度， |V ′|＝|V0+n(n.W)|； 通过将速度按照风轮的法向与切向分解， 再结合叶尖修正以及大诱导因子下的推力 ‑ 速度关系修 正， 得到法向与切向诱 导速度的表达式如下： 在工况变化的情况 下， 得到最终的诱 导速度W， 即 式中Wqs为准定常值， τ1和 τ2为计算中使用的时间常数； 针对在偏航工况 下运行的风轮， 对诱 导速度做出的修 正为： 式中， χ为尾流偏向角， θ0为对应尾流偏转方向的叶片方位角值； 所述风电机组多体动力学系统包括基于几何精确梁理论的叶片变形计算模块； 所述于几何精确梁理论的叶片变形计算模块用于： 针对具有初始弯曲、 初始扭角的梁结构， x1表示某点沿参考轴线的长度， 初始构型的参 考轴线上的任一点的位置矢量用r(x1)表示； 定义惯性参考坐标系i1， i2， i3， 并定义截面坐 标系使得b1与初始参 考轴线切向平行， b2， b3确定叶片平截面， 并有以下关系： 其中， CbI表示由初始弯扭构型引起的转动张量， 为其在惯性坐标系下的对应矩阵 元素； 梁截面上任意一点经过平动、 转动和翘曲， 到达新的位置； 定义另一个截面坐标系， 使 得B2， B3确定新的叶片平截面； 变形 前后截面 坐标系之间的关系表示 为： 其中， CBb表示由于变形引起的平均截面的转动张量， 为对应矩阵元 素；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115525988 A 2梁上任意一点的位置矢量可以用参考轴线的平动位移u(x1)、 平截面的转动CBb以及翘 曲函数表示 为： R(x1， x2， x3)＝r(x1)+u(x1)+x2B2+x3B3+wiBi ＝r(x1)+u(x1)+CBb.(x2b2+x3b3+w(x1， x2， x3)) 基于旋转张量分解的概念， 得到梁的三维 Jaumann‑Biot‑Cauchy应变场： 其中， Fij是变形梯度张量元 素； 则梁上任意截面对应的应 变能密度表示 为： 式中， <>表示截面积分运 算， D是材料弹性参数对称矩阵； 采用变分渐近法对二维截面进行分析， 最终可求得梁上任意截面的翘曲函数wi(x2， x3)， 并通过6个一维广义铁木辛柯应变， 以二阶的精度逼近上述三维应变能； 一维广义铁木 辛柯应变量由力应 变和力矩应 变组成， 共6个分量： 其中， γ11表示拉应变， γ12和γ13表示横向切应变， K1表示截面扭转率， K2和K3表示梁的 弯曲曲率； 截面分析的结果得到一个6x6大小的等效截面刚度矩阵； 将一个三维的梁结构分析问题降阶分解为两个子问题： 一是二维截面等效刚度分析， 只要对象不变， 这部 分只需计算一次， 得到的刚度 矩阵可在后续计算中重复调用； 二是一 维 梁的动力学分析， 即 建立梁的运动控制方程， 求 解梁在各类载荷作用下的结构变形响应； 哈密顿原理表述 为： 其中， 外力fext和外力矩mext 做的虚功表示为： 对上述模型进行整理， 经 过分部积分， 最后可导出几何精确梁的动量守恒控制方程： 所述人机界面与并行批处理系统采用并行加载的待处理数据方式， 交数据放置于一个 批处理框架里面， 批处理框架 根据要处理数据的情况， 进行配置参数调整， 采用并行批处理 方式对风电机组载荷设计工况进行处 理， 降低处 理参数的取值， 降低系统的CPU/IO负荷； 所述典型工况研究系统的典型工况包括： 正对来流与风力机偏航条件下， 固定转速、 固定桨距风力机整机气弹耦合响应特性； 正对来流与风力 机偏航条件下， 转速动态变化对固定桨距风力 机整机气弹耦合响应特 性影响；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115525988 A 3