[发明专利]一种风力机及风电场数字镜像模拟展示系统

说明书

本发明涉及一种风力机及风电场数字镜像模拟展示系统，包括：叶片状态监测及预测模块，用于基于风机叶轮声光监测和叶片震动变形监测；塔筒振动监测及应力分析预测模块，用于预测塔筒的累积疲劳水平；机组动态尾流模拟展示模块，用于通过高精度仿真和3D虚拟现实展示风电场的尾流干扰风机受力运行工况；自适应优化控制模块，用于基于监测到的机组运行数据，实时调整偏航系统的控制方式和机组控制方式。本发明可以模拟展示风力机及风电场运行状态下尾流干扰、重要部件载荷、预测部件寿命，结合最优尾流集群控制策略、风机降噪控制策略，实现风电场全场发电量最优目标，提升整场发电量降低机组载荷，延长机组寿命，提质增效。

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力机及风电场数字镜像模拟展示系统。

背景技术

数字孪生作为新兴的技术手段，可以实现在真正生产之前，发现问题并解决问题，实现虚拟样机验证，更有利于技术发展。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生是一个技术体系，旨在为物理系统创造一个表达其所有知识的集合体或数字模型(也称为数字孪生体)。通过实时监测系统状态，动态更新数字模型，能够提升数字孪生体的诊断、评估与预测能力；同时在线优化实际系统的操作、运行与维护，减少结构设计冗余、避免频繁的周期性检修与维护并保证系统的安全性。

数字孪生可以集合分析风机设备的设计、制造和运行的数据，并将其注入全新的设备设计模型中，使设计不断迭代优化。有了数字孪生，在前期就可以识别异常功能，从而在没有生产的时候，就以消除设备缺陷，提高质量。

全球估计有216,000台风力机发电组在运行，每年约有3,8000起风力机机组故障事件。研究表明，预防性维护成本比被动维护低25％，而预测性维护成本则低47％。

对于风电行业，数字双胞胎的价值在于使用数据来了解风力机或整个风场的健康状况。因此，如何利用数字双胞胎预测以提供设备部件的剩余使用寿命，将计划外的维护转变为计划内的活动，辅助制定维护计划，最大程度地减少风机停机时间，提效降本。如何改善运维和可靠性，优化控制，提高整场年发电量。如何在前期规划设计阶段，定制化多种不同的风力机配置，以确保风电场合适位置建造最佳的风力机。如何在风电场投运后，从实际运行中收集和分析数据，并提供运维建议以使其更加高效。以及如何尽可能高的精度模拟整个风力发电场的真实场景，降低从风力机设计到退役的整个生命周期成本，为验证风力机设计质量提供更为完善的手段是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力机及风电场数字镜像模拟展示系统，将描述风力机及风电场运行物理原理的数学模型与在实际运行过程中从实际资产中收集和处理的传感器数据结合在一起，使用传感器，大数据分析以及先进的可视化和分析工具来构建用于预防性和预测性维护的数字平台，以实时了解风力发电机的行为和状况，并且够预测故障并计划维护，从而减少维护成本和停机时间。

本发明提供了一种风力机及风电场数字镜像模拟展示系统，包括：

叶片状态监测及预测模块，用于基于风机叶轮声光监测和叶片震动变形监测，关联声学信号与叶轮塔筒运行状态，实时监测叶轮及其转动部件的运行状态，通过数值计算模型、故障诊断及预警模型，进行在线监测和数据分析，发出故障预警信息；

塔筒振动监测及应力分析预测模块，用于通过在塔筒相应位置安装位移或速度传感器，监测塔筒的振动幅度与频率，结合应力模态计算分析结果，预测塔筒的累积疲劳水平，发出故障预警信息；

机组动态尾流模拟展示模块，用于通过高精度仿真和3D虚拟现实展示风电场的尾流干扰风机受力运行工况；