风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质

本申请属于风电场模拟，尤其涉及一种风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、现如今，风机系统已成为可靠的清洁能源利用工具之一，且随着相关技术逐步成熟，有大型化、集群化发展的趋势。风电场作为风力机集群的主要形式，需要在投入建设前对整体性能进行计算评估，以保证经济效益。目前对于风电场的模拟方法包括尾流解析方法、计算流体力学方法、多机组实验法等。普遍认为，尾流解析方法是最经济可行、适用广泛的方法。

2、在风电场中的各风机不仅受环境载荷的作用，也会受到风电场中其他风机的影响，在空气动力学中，该影响称为尾流效应。目前可用于风电场求解的尾流模型包括jensen模型，bastankhah模型等，这些模型使用数学公式对尾流在风电场中的形成、扩散与衰减进行了模拟并与模型试验、实机测量数据进行了验证。

3、目前这些模型多见于针对双风机或简单风机群的研究中，这些研究对于风机安装位置及来流风方向具有严格的限制，一些研究按照风向人为地规定风机间的上下风关系，这降低了模型的适用性并使得解析方法的优势无法充分发挥。同时，目前的研究一般局限于尾流和风机气动性能的耦合关系，忽略了叶片振动、塔柱变形等因素对气动力的影响，这降低了计算结果的精度，并无法对叶片疲劳等问题给出解释。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请旨在提出一种风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质，以解决上述问题的不足之处。

2、为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

3、第一方面，本申请提供了一种风电场全耦合数值模拟方法，所述方法包括：

4、步骤s1、获取风机参数、风电场参数及环境参数；

5、步骤s2、根据气动算法对风机构建单一风机气动模型，以得到风机的气动力，基于所述气动力进行功率计算，得到风机的发电功率；

6、步骤s3、根据pid控制算法对风电场中的风机构建单一风机伺服控制模型，以对风机进行监控与调节；

7、步骤s4、根据所述风机参数构建单一风机结构模型，以得到所述风机的刚体结构与柔性体结构之间的耦合关系；

8、步骤s5、根据尾流算法构建风机间的尾流干涉模型，用以模拟上风机尾流对下风机气动性能的影响；

9、步骤s6、根据多体算法构建风电场模型，对风机进行重排序，并对多台风机进行时域求解；

10、步骤s7、结合步骤s2与步骤s5，以使上风风机尾流效应与下风风机气动性能之间相耦合；

11、步骤s8、结合步骤s3与步骤s4，以得到伺服控制系统与刚体位移的双向响应；

12、步骤s9、结合步骤s2与步骤s4，以使刚体结构、柔性体结构与气动模型之间相耦合。

13、第二方面，基于同一发明构思，本申请还提供了一种风电场全耦合数值模拟装置，包括：

14、参数获取模块，被配置为获取风机参数、风电场参数及环境参数；

15、风机气动模型构建模块，被配置为根据气动算法对风机构建单一风机气动模型，以得到风机的气动力，基于所述气动力进行功率计算，得到风机的发电功率；

16、风机伺服控制模型构建模块，被配置为根据pid控制算法对风电场中的风机构建单一风机伺服控制模型，以对风机进行监控与调节；

17、风机结构模型构建模块，被配置为根据所述风机参数构建单一风机结构模型，以得到所述风机的刚体结构与柔性体结构之间的耦合关系；

18、尾流干涉模型构建模块，被配置为根据尾流算法构建风机间的尾流干涉模型，用以模拟上风机尾流对下风机气动性能的影响；

19、风电场模型构建模块，被配置为根据多体算法构建风电场模型，对风机进行重排序，并对多台风机进行时域求解；

20、第一耦合模块，被配置为通过所述风机气动模型构建模块与所述尾流干涉模型构建模块，以使上风风机尾流效应与下风风机气动性能之间相耦合；

21、双向响应模块，被配置为通过所述风机伺服控制模型构建模块与所述风机结构模型构建模块，以得到伺服控制系统与刚体位移的双向响应；

22、第二耦合模块，被配置为通过所述风机气动模型构建模块与所述风机结构模型构建模块，以使刚体结构、柔性体结构与气动模型之间相耦合。

23、第三方面，基于同一发明构思，本申请还提供了一种电子设备，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如第一方面所述的风电场全耦合数值模拟方法。

24、第四方面，基于同一发明构思，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其中，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如第一方面所述的风电场全耦合数值模拟方法。

25、相对于现有技术，本申请所述的风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质具有以下有益效果：

26、本申请所述的风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质，所述模拟方法基于叶素动量算法、有限元算法、相对坐标法、多体动力学以及bastankhah尾流干涉模型，对风电场及风机阵列进行了全面的耦合建模；该模拟方法充分考虑在风电场运行过程中各结构部件以及环境载荷的相互作用，从而实现整个风电场功率的预测以及通过优化风电场形式、风机间距等重要参数来实现风电场功率的最大化。所述模拟方法具有高准确性以及大适用范围，可针对各种类、各排布方式、各风力朝向的风电场系统进行有效模拟分析，其计算效率相较于计算流体力学方法具有一定提升，可为未来风电行业大型风电场建设提供高效、高精度支持。

技术特征：

1.一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s4具体包括：

5.根据权利要求4所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s5的具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s6具体包括：

7.根据权利要求6所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s7的具体包括：

8.根据权利要求7所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s8的具体包括：

9.根据权利要求8所述的一种风电场全耦合数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s9的具体包括：

10.一种风电场全耦合数值模拟装置，其特征在于，包括：

技术总结
本申请提供了一种风电场全耦合数值模拟方法、装置、电子设备及存储介质，所述方法包括：步骤S1、获取风机参数、风电场参数及环境参数；步骤S2、根据气动算法构建单一风机气动模型；步骤S3、根据PID控制算法构建单一风机伺服控制模型；步骤S4、根据所述风机参数构建单一风机结构模型；步骤S5、根据尾流算法构建风机间的尾流干涉模型；步骤S6、根据多体算法构建风电场模型；步骤S7、建立上风风机尾流效应与下风风机气动性能之间的耦合；步骤S8、得到伺服控制系统与刚体位移的双向响应；步骤S9、建立刚体结构、柔性体结构与气动模型之间的耦合。本申请实现风电场功率的预测以及通过优化风电场形式、风机间距等重要参数实现风电场功率的最大化。

技术研发人员：刘利琴,李昊,刘东升
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17