一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算方法及系统与流程

本说明书实施例通常涉及仿真模拟，尤其涉及一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算方法及系统。

背景技术：

1、随着山地及复杂地形光伏项目增多，大跨度柔性支架因跨越能力强、基础布置灵活而得到应用。与此同时，其结构具有轻质、低刚度和低阻尼等特点，对风荷载较为敏感，风速、风向及组件倾角变化均会引起明显的挠曲、振动和局部姿态变化。现有光伏场站数字化系统已逐步采用三维建模、数字孪生和可视化监测技术，用于设备状态展示、运行分析和运维管理；对于柔性支架的风致响应，则通常借助风洞试验、有限元分析或流固耦合计算进行评估。上述方法能够较细致地反映结构受风状态，但计算过程和模型求解量较大，难以直接用于需要快速切换风向、风力工况的三维交互场景。部分实时风模拟仍按组件初始板面姿态计算迎风关系，未充分考虑柔性支架受风变形后各局部板面倾角和法向量发生变化，容易造成局部迎风程度及受力分布与实际变形状态不一致。因此，如何兼顾柔性支架风致变形特征、受力测算准确性和三维场景实时响应能力，仍是现有技术需要解决的问题。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算方法及系统，以至少解决如前所述相关技术中存在的部分技术问题。

2、根据本申请实施例一方面，提供了一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算方法，包括：

3、建立包含光伏组件的三维数字孪生场景，将光伏组件的板面划分为若干受力分区，记录各受力分区的面积和初始表面法向量；

4、对于采用柔性支架的光伏组件，根据支架的结构参数，对各预设风向和各风力档位分别求解支架弹性变形，提取各受力分区位置处的倾角偏转量，并组织为变形查找表；

5、接收风向输入和风力档位输入，生成风向单位向量和风速参数；根据所述风向输入和所述风力档位输入，从所述变形查找表中读取各受力分区的倾角偏转量；以各受力分区的所述初始表面法向量为基准，绕支架跨度方向按所述倾角偏转量旋转，得到修正后的表面法向量；

6、根据所述修正后的表面法向量与所述风向单位向量计算各受力分区的迎风系数，并根据所述迎风系数、所述风速参数和所述面积计算各受力分区的受力值；对各受力分区的受力值进行归一化，将归一化结果映射为颜色等级并更新光伏组件板面的材质显示。

7、可选地，所述求解支架弹性变形，包括：根据支架的约束方式选取结构力学模型；根据各风力档位对应的风压、板面受荷宽度和阻力系数计算沿支架跨度方向的分布荷载；将所述分布荷载施加到所述结构力学模型上求解，得到各受力分区位置处的截面转角；所述截面转角作为所述倾角偏转量。

8、可选地，所述变形查找表以各受力分区沿支架跨度方向的归一化位置为行索引、以风力档位为列索引，每个单元格存储对应位置和档位下的倾角偏转量和竖向挠度；每个预设风向各对应一张独立的所述变形查找表。

9、可选地，所述支架跨度方向为支架两端支撑点连线方向；所述旋转采用罗德里格斯旋转公式，以所述支架跨度方向的单位向量为旋转轴，以所述倾角偏转量为旋转角度，对所述初始表面法向量执行三维旋转，得到所述修正后的表面法向量。

10、可选地，所述计算各受力分区的迎风系数，包括：取所述修正后的表面法向量与所述风向单位向量的点积值；当所述点积值为正时，以所述点积值作为迎风系数；当所述点积值为零或为负时，将迎风系数取零。

11、可选地，还包括：从所述变形查找表中读取各受力分区的所述竖向挠度，根据所述竖向挠度对光伏组件板面网格的顶点施加位移偏移，将所述位移偏移叠加到各顶点的显示位置上，板面网格的原始几何数据不作修改。

12、可选地，当所述风力档位输入对应的档位介于所述变形查找表中相邻两个已存储档位之间时，对相邻两个已存储档位对应的倾角偏转量进行线性插值，得到所述风力档位输入下各受力分区的倾角偏转量。

13、可选地，还包括：对所述变形查找表中各受力分区的倾角偏转量进行范围检查，当倾角偏转量的绝对值超过根据支架容许挠跨比确定的结构变形安全阈值时，将对应受力分区标记为超限变形状态，并在颜色映射阶段为所述超限变形状态的受力分区叠加区分标记。

14、可选地，还包括：响应清空指令时，将各受力分区的所述修正后的表面法向量恢复为所述初始表面法向量，将板面网格顶点的所述位移偏移清零，恢复光伏组件的初始材质参数，并清除当前的风向输入和风力档位输入的选择状态。

15、根据本申请实施例的另一方面，提供一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算系统，包括：

16、场景建立模块，用于建立包含光伏组件的三维数字孪生场景，将光伏组件的板面划分为若干受力分区，记录各受力分区的面积和初始表面法向量；

17、变形查找表构建模块，用于对于采用柔性支架的光伏组件，根据支架的结构参数，对各预设风向和各风力档位分别求解支架弹性变形，提取各受力分区位置处的倾角偏转量，并组织为变形查找表；

18、法向量修正模块，用于接收风向输入和风力档位输入，生成风向单位向量和风速参数；根据所述风向输入和所述风力档位输入，从所述变形查找表中读取各受力分区的倾角偏转量；以各受力分区的所述初始表面法向量为基准，绕支架跨度方向按所述倾角偏转量旋转，得到修正后的表面法向量；

19、受力测算与显示模块，用于根据所述修正后的表面法向量与所述风向单位向量计算各受力分区的迎风系数，并根据所述迎风系数、所述风速参数和所述面积计算各受力分区的受力值；对各受力分区的受力值进行归一化，将归一化结果映射为颜色等级并更新光伏组件板面的材质显示。

1.一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解支架弹性变形，包括：根据支架的约束方式选取结构力学模型；根据各风力档位对应的风压、板面受荷宽度和阻力系数计算沿支架跨度方向的分布荷载；将所述分布荷载施加到所述结构力学模型上求解，得到各受力分区位置处的截面转角；所述截面转角作为所述倾角偏转量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形查找表以各受力分区沿支架跨度方向的归一化位置为行索引、以风力档位为列索引，每个单元格存储对应位置和档位下的倾角偏转量和竖向挠度；每个预设风向各对应一张独立的所述变形查找表。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支架跨度方向为支架两端支撑点连线方向；所述旋转采用罗德里格斯旋转公式，以所述支架跨度方向的单位向量为旋转轴，以所述倾角偏转量为旋转角度，对所述初始表面法向量执行三维旋转，得到所述修正后的表面法向量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各受力分区的迎风系数，包括：取所述修正后的表面法向量与所述风向单位向量的点积值；当所述点积值为正时，以所述点积值作为迎风系数；当所述点积值为零或为负时，将迎风系数取零。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：从所述变形查找表中读取各受力分区的所述竖向挠度，根据所述竖向挠度对光伏组件板面网格的顶点施加位移偏移，将所述位移偏移叠加到各顶点的显示位置上，板面网格的原始几何数据不作修改。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述风力档位输入对应的档位介于所述变形查找表中相邻两个已存储档位之间时，对相邻两个已存储档位对应的倾角偏转量进行线性插值，得到所述风力档位输入下各受力分区的倾角偏转量。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对所述变形查找表中各受力分区的倾角偏转量进行范围检查，当倾角偏转量的绝对值超过根据支架容许挠跨比确定的结构变形安全阈值时，将对应受力分区标记为超限变形状态，并在颜色映射阶段为所述超限变形状态的受力分区叠加区分标记。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：响应清空指令时，将各受力分区的所述修正后的表面法向量恢复为所述初始表面法向量，将板面网格顶点的所述位移偏移清零，恢复光伏组件的初始材质参数，并清除当前的风向输入和风力档位输入的选择状态。

10.一种基于三维数字孪生的风模拟实时测算系统，其特征在于，包括：