基于数字孪生的风电场动态尾流的模拟系统与模拟方法

本发明涉及到风力发电机组与风电场模拟，具体涉及到一种基于数字孪生的风电场动态尾流的模拟系统与模拟方法。

背景技术：

1、风电场一般由阵列分布的数十台或数百台风电机组构成，每台风电机组在随机风激励下的动态响应特性以及前后布置的风电机组之间的流场影响的特性可视为风电场的动态特性，其中，风电场运行中的尾流效应是影响机组出力和发电效率的关键因素之一。上游风电机组的尾流会显著降低下游风力机的入流风速，造成功率损失并加剧传动链载荷波动。在地面环境模拟风电机组及风电场的动态特性有助于加深对风电场运行过程的理解，有助于风电机组的检验和测试，并对风电机组和风电场的设计改进提供参考和依据。

2、目前，现有方法一般通过电动机拖动发电机的方式模拟风电机组的传动链特性，无法在地面环境中再现风电场的尾流效应。现有的风电场尾流模拟方法主要依赖数值仿真，缺乏物理传动链的验证手段。专利申请（公开号：cn117592388a）公开了一种基于cfd的风电场多机尾流模拟方法，仅采用数值计算的方式模拟风电场尾流；专利（公告号：cn113656973b）提供了一种风电场的尾流混合模拟方法及系统、装置及介质，解决现有的风电场的尾流模拟方法不能兼顾计算精度和计算速度的问题，但该专利也是仅提供数值模拟的算法；专利申请（公开号：cn119830521a）公开了一种基于尾流解析模型的风机动模实验平台尾流模拟方法，但该方法仅涉及风电场尾流的静态模型，没有考虑到风电机组传动链的动态特性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于数字孪生的风电场动态尾流的模拟系统与模拟方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，提供一种基于数字孪生的风电场动态尾流的模拟系统，包括风电场数值模拟模块、风电机组模拟模块和数据可视化模块，所述风电场数值模拟模块包括风电场入流湍流风速生成单元以及与其配套的风电场尾流与风电传动链耦合的动态模型，所述动态模型用于输出数值模拟计算结果并下发转速指令；所述风电机组模拟模块包括多个风电机组载荷测试平台，所述风电机组载荷测试平台将所述转速指令作为跟踪的参考转速，并输出测试数据；所述数据可视化模块调用所述风电场数值模拟模块并接收所述测试数据，所述数据可视化模块用于协调所述风电场数值模拟模块和所述风电机组模拟模块，展示数字孪生的效果。

4、本模拟系统通过数值模拟与物理模拟相结合的方式，实现从湍流风场到发电功率的全流程闭环测试，能够定量评估不同尾流模型对下游机组功率预测的精度差异，揭示动态风速激励下传动链的机电响应特性，为风电场优化布局、尾流控制策略设计和传动链可靠性研究提供高效的测试解决方案。

5、本数字孪生形式的风电场动态尾流模拟系统不仅能产生数值模拟计算的风电场尾流结果，而且能够通过所述风电机组载荷测试平台开展数据验证和对比分析，兼顾数值计算与实测结果，具有良好的可靠性。

6、进一步的，所述风电场入流湍流风速生成单元内置有多种湍流风速生成模型，通过调用所述湍流风速生成模型得到不同的湍流入流风速。

7、进一步的，所述动态模型包括风电场尾流模型计算单元和风电机组传动链转速计算单元，所述风电场尾流模型计算单元内置有多种风电场尾流计算模型，通过调用所述风电场尾流计算模型得到不同的风电尾流场，所述风电机组传动链转速计算单元内置有风电机组气动模型、机电控制方程以及运行模式，用于计算多台风电机组传动链转速，得到所述转速指令。

8、进一步的，所述风电机组载荷测试平台包括被测风电机舱，以及与所述被测风电机舱连接的非接触式电磁力加载装置，所述非接触式电磁力加载装置通过永磁涡流耦合器连接有拖动电机，所述拖动电机用于加载风力转矩载荷，并模拟风电机组的低速运行工况。

9、进一步的，所述非接触式电磁力加载装置包括壳体，以及悬浮设置在所述壳体内的飞轮惯量盘，所述飞轮惯量盘的输入轴连接所述永磁涡流耦合器，所述飞轮惯量盘的输出轴连接所述被测风电机舱，所述壳体的外周设有若干轴向和径向布置的电磁铁组件，所述电磁铁组件均非接触式对应所述飞轮惯量盘的轴向盘面或径向盘面，若干所述电磁铁组件的吸引力合成作用于所述飞轮惯量盘的多自由度非转矩载荷。

10、第二方面，提供一种基于数字孪生的风电场动态尾流的模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：

11、构建所述风电场入流湍流风速生成单元，调用湍流风速生成模型，获取湍流入流风速；

12、构建风电场尾流模型计算单元，根据所述湍流入流风速计算尾流风速；构建风电机组传动链转速计算单元，耦合所述风电机组传动链转速计算单元和所述风电场尾流模型计算单元得到所述动态模型，基于所述动态模型、风电机组的主轴转速和所述尾流风速，获取风电机组的气动转矩，计算风电机组的传动链转速，向所述风电机组载荷测试平台下发所述转速指令，所述风电机组载荷测试平台根据所述转速指令模拟风电机组的低速运行工况，输出所述测试数据；

13、所述数据可视化模块将接收的所述测试数据与所述动态模型输出的数值模拟计算结果进行对比验证，修正数值模拟计算的结果。

14、进一步的，所述湍流入流风速包含平均风速和具有随机特征的湍流风速，有随机特征的湍流风速利用功率谱在频域定义密度函数和空间相干性，再利用傅里叶反变换产生时间序列，得到空间中所有模拟点在每个时间步长模拟的湍流风速。

15、进一步的，根据所述湍流风速生成模型，利用叶素动量理论建立风电机组的气动模型，利用双质量块模型建立风电机组的传动链方程，耦合所述气动模型和所述传动链方程；在此基础上，考虑风电场的尾流效应以及入流风依次到达后续风电机组的迟滞时间或推进时间，建立基于风电场、风电机组气动与传动链动态相耦合的动态模型，通过如下模型描述风电场内各风电机组传动链的动态及尾流推进的过程：

16、，

17、式中，分别为风电机组

j的气动转矩，主轴转速与前端尾流速度，

t1,

t2, …,

t

j, …,

t

n为不同的湍流入流风速依次到达风力机所需的时间，t为当前时间，f和g分别表示函数。

18、进一步的，所述尾流计算模型包括howland、gebraad或者frandsen尾流模型，输出的所述测试数据包括输出转速、电压和电功率的参数数据。

19、进一步的，所述转速指令的下发和所述测试数据的反馈采用通讯协议将指令封装为十六进制指令帧，通过串口通信模块以时间步长的间隔循环发送指令至所述风电机组模拟模块。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本模拟系统通过数值模拟与物理模拟相结合的方式，实现从湍流风场到发电功率的全流程闭环测试，能够定量评估不同尾流模型对下游机组功率预测的精度差异，揭示动态风速激励下传动链的机电响应特性，为风电场优化布局、尾流控制策略设计和传动链可靠性研究提供高效的测试解决方案；2、本发明采用数字孪生的方式，将风电场尾流模型与风电机组传动链六自由度载荷测试平台结合形成闭环的回路，能够更加真实、准确的模拟风电机组的动态尾流特性；3、本数字孪生形式的风电场动态尾流模拟系统不仅能产生数值模拟计算的风电场尾流结果，而且能够通过所述风电机组载荷测试平台开展数据验证和对比分析，兼顾数值计算与实测结果，具有良好的可靠性；4、所述风电机组载荷测试平台采用六自由度载荷测试平台的技术方案，该平台不仅具有飞轮惯量的模拟，而且采用电磁力非接触式加载的方式，具有无接触、无需润滑的特点，消除了由接触疲劳和磨损所带来的可靠性和寿命问题；同时飞轮惯量盘通过永磁涡流耦合器与拖动电动机悬浮连接，能够真实再现风电机组的实际运行状态，具有良好的准确性。