用于漂浮式风机的频域仿真方法、介质和系统技术方案

本申请公开了用于漂浮式风机的频域仿真方法、介质和系统。一种用于漂浮式风机的频域仿真方法，包括：接收至少一个待模拟工况中的一个待模拟工况的平均风速；确定漂浮式风机在平均风速下的控制参数，控制参数包括叶轮转速、桨叶角、比例增益和积分增益；确定漂浮式风机的叶片参数和转动惯量，其中叶片参数基于叶片的形状特征确定；基于叶片参数和控制参数计算漂浮式风机的气动载荷一阶偏导数，气动载荷一阶偏导数包括气动推力和气动扭矩关于平均风速、叶轮转速和桨叶角的一阶偏导数；以及基于气动载荷一阶偏导数、比例增益、积分增益和转动惯量，确定在平均风速下，漂浮式风机的气动阻尼系数与漂浮式风机的运动频率的对应关系。系。系。

【技术实现步骤摘要】
用于漂浮式风机的频域仿真方法、介质和系统


[0001]本专利技术涉及用于漂浮式风机的频域仿真方法、介质和系统，尤其涉及用于对漂浮式风机的气动附加质量系数和/或气动阻尼系数进行仿真的频域仿真方法、介质和系统。

技术介绍

[0002]随着化石能源日益枯竭，清洁与可再生能源的开发和利用迫在眉睫。与其他能源形式相比，海上风能具有稳定性佳、可再生性强等优势，因此在全球范围内受到广泛关注。当水深小于30米时，通常采用固定式风机。当水深进一步增大时，固定式风机对应的成本急剧增大，漂浮式风机将是经济可行的替代方案。
[0003]受风、波浪等环境载荷的影响，漂浮式风机的纵荡及纵摇运动较为显著，这两个自由度运动会引起叶轮
‑
机舱沿来风方向的往复运动。叶轮
‑
机舱的往复运动导致旋转叶轮上受到的气动载荷产生波动。气动载荷的波动主要包含两部分：一部分与往复运动的加速度相关，即气动附加质量；另一部分与往复运动的速度相关，即气动阻尼。
[0004]一方面，在漂浮式风机的额定工况附近，大兆瓦级漂浮式风机的气动附加质量在量级上可能与系统本身的刚体运动质量相当，这会导致系统刚体运动固有频率发生改变，进而影响系统整体动力响应特性。另一方面，在漂浮式风机的正常运行工况下，气动阻尼可以有效地抑制漂浮式风机塔架与叶片振动、平台纵荡以及纵摇共振运动响应。因此，气动附加质量和气动阻尼是大型漂浮式风机的仿真和设计中不可忽视的因素。
[0005]关于漂浮式风机的气动阻尼，目前研究更多关注的是气动阻尼对漂浮式风机系统整体动力响应的影响。以往，存在利用全耦合时域仿真求解漂浮式风机的气动阻尼的手段。具体而言，在风载荷作用下，通过对叶轮
‑
机舱沿纵荡方向施加一个强迫运动，并监测叶轮推力，再利用傅里叶变换从推力时序中提取气动阻尼。这种方法虽然可以求解漂浮式风机对应的气动阻尼，但无法直接地计算出气动附加质量和气动阻尼，而是需要在每个风速下，针对不同运动频率开展振荡试验，因此计算过程繁琐，效率较低，且不具有普适性，无法实现对气动附加质量、气动阻尼的直接量化计算，造成漂浮式风机的初步设计需要多轮迭代计算，十分耗时。
[0006]另有学者提出过气动阻尼的简化计算方法，将气动阻尼近似等于叶轮推力关于平均风速的一阶偏导数。这种简化计算方法的计算过程简便，但没有考虑控制器的动态效应以及不同运动频率的影响，这将导致无法考虑气动附加质量效应，并且气动阻尼的预报精度较差。
[0007]关于漂浮式风机的气动附加质量，有研究借助风洞试验对气动附加质量进行过测量，但在实验中并未考虑控制器的动态效应，且实验装置设计复杂、价格昂贵。

技术实现思路

[0008]应当理解，本专利技术以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本专利技术提供进一步的解释。
[0009]根据本专利技术一方面，提供了一种用于漂浮式风机的频域仿真方法，其特征在于，包括：
[0010]接收至少一个待模拟工况中的一个待模拟工况的平均风速；
[0011]确定所述漂浮式风机在所述平均风速下的控制参数，所述控制参数包括叶轮转速、桨叶角、比例增益和积分增益，其中所述叶轮转速和所述桨叶角基于所述平均风速确定，所述比例增益和所述积分增益基于所述桨叶角确定；
[0012]确定所述漂浮式风机的叶片参数和转动惯量，其中所述叶片参数基于所述叶片的形状特征确定，所述叶片参数包括叶片的径向弦长、径向扭角、和翼型的升阻力系数，所述转动惯量包括叶轮转动惯量和发电机转动惯量；
[0013]基于所述叶片参数和所述控制参数计算所述漂浮式风机的气动载荷一阶偏导数，所述气动载荷一阶偏导数包括气动推力和气动扭矩关于所述平均风速、所述叶轮转速和所述桨叶角的一阶偏导数；以及
[0014]基于所述气动载荷一阶偏导数、所述比例增益、所述积分增益和所述转动惯量，确定在所述平均风速下，所述漂浮式风机的气动阻尼系数与所述漂浮式风机的运动频率的对应关系，其中所述气动阻尼系数与所述漂浮式风机的往复运动的速度有关。
[0015]根据本专利技术另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括代码，所述代码在被执行时使计算机执行上述方法。
[0016]根据本专利技术又一方面，提供了一种计算机实现的系统，包括用于执行上述方法的装置。
附图说明
[0017]包括附图是为提供对本专利技术进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本专利技术的实施例，并与本说明书一起起到解释本专利技术原理的作用。在附图中：
[0018]图1是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真方法的流程图。
[0019]图2是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真方法的流程图。
[0020]图3是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真方法的流程图。
[0021]图4是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真方法的流程图。
[0022]图5是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真系统的框图。
[0023]图6是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真系统的框图。
[0024]图7是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真系统的框图。
[0025]图8是根据实施例的用于漂浮式风机的频域仿真系统的框图。
[0026]图9是根据实施例的13m/s平均风速下的气动附加质量系数和气动阻尼系数对比图。
[0027]图10是根据实施例的19m/s平均风速下的气动附加质量系数和气动阻尼系数对比图。
[0028]图11是根据实施例的25m/s平均风速下的气动附加质量系数和气动阻尼系数对比图。
[0029]图12是根据实施例的7m/s、11.4m/s、20m/s平均风速下的气动附加质量系数和气动阻尼系数对比图。
fluid dynamics，CFD)方法等方法针对叶片参数和控制参数计算漂浮式风机的气动载荷。
[0041]在一个实施例中，可以使用中心差分方法针对气动载荷计算气动载荷一阶偏导数。
[0042]根据公式(1)，去除平均气动载荷的贡献，则可以得到气动载荷波动项的表达式：
[0043]T
osc
＝T
V
·
ΔV+T
Ω
·
ΔΩ+T
β
·
Δβ(2)
[0044]Q
osc
＝
V
·
ΔV+Q
Ω
·
ΔΩ+Q
β
·
Δβ(3)
[0045]式中T
osc
与Q
osc
分别表示气动推力与气动扭矩的波动项。并且注意到平均风速的改变与强迫运动速度之间满足：式中表示强迫运动速度，v0＝x0ω表示强迫运动速度的幅值。
[0046]气动推力的波动项还可以表示为：
[0047][0048]式中表示强迫运动加速度；m
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于漂浮式风机的频域仿真方法，其特征在于，包括：接收至少一个待模拟工况中的一个待模拟工况的平均风速；确定所述漂浮式风机在所述平均风速下的控制参数，所述控制参数包括叶轮转速、桨叶角、比例增益和积分增益，其中所述叶轮转速和所述桨叶角基于所述平均风速确定，所述比例增益和所述积分增益基于所述桨叶角确定；确定所述漂浮式风机的叶片参数和转动惯量，其中所述叶片参数基于所述叶片的形状特征确定，所述叶片参数包括叶片的径向弦长、径向扭角、和翼型的升阻力系数，所述转动惯量包括叶轮转动惯量和发电机转动惯量；基于所述叶片参数和所述控制参数计算所述漂浮式风机的气动载荷一阶偏导数，所述气动载荷一阶偏导数包括气动推力和气动扭矩关于所述平均风速、所述叶轮转速和所述桨叶角的一阶偏导数；以及基于所述气动载荷一阶偏导数、所述比例增益、所述积分增益和所述转动惯量，确定在所述平均风速下，所述漂浮式风机的气动阻尼系数与所述漂浮式风机的运动频率的对应关系，其中所述气动阻尼系数与所述漂浮式风机的往复运动的速度有关。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述平均风速高于所述漂浮式风机的额定风速时，通过以下公式确定在所述平均风速下，所述漂浮式风机的气动阻尼系数与所述漂浮式风机的运动频率的对应关系：其中，c
aer
表示气动阻尼系数，ω表示运动频率，V，Ω，β分别表示平均风速、叶轮转速和桨叶角，T
V
，T
Ω
，T
β
，Q
V
，Q
Ω
，Q
β
分别表示气动推力和气动扭矩关于平均风速、叶轮转速和桨叶角的一阶偏导数，K
p
和K
i
分别表示比例增益和积分增益，I
d
表示转动惯量。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述平均风速低于所述漂浮式风机的额定风速时，所述桨叶角、所述比例增益和所述积分增益为零，通过以下公式确定在所述平均风速下，所述漂浮式风机的气动阻尼系数与所述漂浮式风机的运动频率的对应关系：其中，C
aer
表示气动阻尼系数，ω表示运动频率，V，Ω分别表示平均风速、叶轮转速，T
V
，T
Ω
，Q
V
，Q
Ω
分别表示气动推力和气动扭矩关于平均风速、叶轮转速的一阶偏导数，I
d
表示转动惯量。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：程正顺，杨灿，陈鹏，肖龙飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：