[发明专利]一种风力发电数字孪生系统

权利要求书

1.一种风力发电数字孪生系统，其特征在于，所述系统包括：

实物风电机组，用于捕获风能；

数字孪生平台，用于从所述实物风电机组中获取风电机组的运行数据进行处理和分析，传输给人机交互单元进行显示，并根据人机交互单元的控制命令对实物风电机组进行控制；

人机交互单元，用于显示实物风电机组的运行状态并发出控制命令；

所述数字孪生平台包括：孪生模型，用于实现与实物风电机组的精准映射；

所述孪生模型包括基于叶素动量理论建立的叶片机理模型、基于有限元分析建立的塔架机理模型、双质块传动模型、闭环控制模型和数据驱动模型；

基于叶素动量理论建立叶片机理模型的过程包括：根据叶片的不同段翼型不同的特点，将整段叶片划分为若干气动特性区域再进行有限元分析建模；

进行叶片机理模型的有限元分析时还根据叶尖叶根损失、塔影效应、尾流影响、风切变影响和叶片弹性形变对模型进行修正，以获得准确的风机动态载荷；

采用基于模型参数和频率响应函数两种方法对叶片有限元分析节点数及每段中心位置进行确定，再对每段叶片的几何弦长、翼形截面刚度、叶片截面质量密度进行修正；

基于有限元分析建立塔架机理模型的过程包括：

采用积分的方式计算出风轮捕获风能时产生的轴向推力；再根据拉格朗日动力学方程得到风轮轴向推力与塔架之间的耦合振动；根据风轮轴向推力和耦合振动在塔架上的分布特性将塔架划分为若干特性区域再进行有限元分析建模；

双质块传动模型建立时将低速轴设为柔性，将高速轴设为刚性，得到的双质块传动模型具体为：

；

其中：

和分别为风轮、发电机转子等效转动惯量；

和分别为齿轮箱中间轴机械转矩和发电机电磁转矩；

Ｑ_r为风轮转矩；

为齿轮箱变速比；

和分别为低速轴刚度系数、阻尼系数；

和分别为风轮转子、发电机转子的角位移；

分别为风轮转速和发电机转速；

所述数字孪生平台分为边缘侧和平台侧，将部分仿真和计算置于靠近实物风电机组的边缘侧进行处理，以便加快所述数字孪生平台的整体计算速度；边缘侧和平台侧通信连接；

塔架机理模型的有限元分析内容包括：通过计算塔架上结构动力学载荷，获得塔架各特性区域的动态平移量、加速度以及塔基前后方向剪切力；

所述闭环控制模型包括发电机转矩控制子模型；

所述发电机转矩控制子模型的内容包括：设定第一转速阈值、第二转速阈值、第一转矩阈值和第二转矩阈值，将发电机转矩控制划分成五个阶段；

第一阶段：发电机转速小于第一转速阈值，此阶段判定发电机转矩为零；

第二阶段：发电机转速不小于第一转速阈值，且发电机转矩小于第一转矩阈值，此阶段通过虚拟PI控制器升转矩并维持发电机转速在第一转速阈值附近；

第三阶段：发电机转速不小于第一转速阈值，且发电机转矩不小于第一转矩阈值，此阶段停止虚拟PI控制器升转矩，由实时转速确定转矩；

第四阶段：发电机转速不小于第二转速阈值，且发电机转矩小于第二转矩阈值，此阶段通过虚拟PI控制器升转矩并维持转速在第二转速阈值附近；

第五阶段：发电机转速不小于第二转速阈值，且发电机转矩不小于第二转矩阈值，此阶段进行转矩限幅并维持发电机转速在额定值附近；

所述闭环控制模型包括叶片变桨控制子模型；

所述叶片变桨控制子模型根据上一时刻发电机转速、转矩数据进行变桨控制，同时根据风速数据进行辅助控制；

所述数据驱动模型包括机舱温度监测模型；所述机舱温度监测模型采集实物风电机组各部件处的温度，预测出机舱温度，识别机舱内部温度异常升温趋势并减少机舱内设备在极端温度下的运行时长。