(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111438163.4 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 中国电力科 学研究院有限公司 地址 100192 北京市海淀区清河小营东路 15号 申请人 国家电网有限公司 (72)发明人 秦世耀　贾海坤　王瑞明　薛扬　 付德义　张利　孙勇　王安庆　 王文卓　龚利策　赵娜　 (74)专利代理 机构 北京安博达知识产权代理有 限公司 1 1271 代理人 徐国文 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 113/06(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 一种风电机组在环仿真系统及方法 (57)摘要 本发明涉及风力发电机组试验检测技术领 域， 具体提供了一种风电机组在环仿真系统及方 法， 包括： 前处理模块和载荷仿真与机舱在线测 试模块； 所述前处理模块， 用于模拟风电机组的 环境基础参数； 所述载荷仿真与机舱在线测试模 块， 用于基于所述环境基础参数模拟风电机组的 动力学响应参数。 本发明提供的技术方案实现了 风电机组从最初设计、 到试验、 到最终结果分析 的一体化评估。 权利要求书2页 说明书9页 附图1页 CN 114169197 A 2022.03.11 CN 114169197 A 1.一种风电机组在环仿真系统， 其特征在于， 所述系统包括： 前处理模块和载荷仿真与 机舱在线测试模块； 所述前处 理模块， 用于模拟风电机组的环境基础参数； 所述载荷仿真与机舱在线测试模块， 用于基于所述环境基础参数模拟风电机组 的动力 学响应参数。 2.如权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述前处理模块包括： 生风模块、 翼型模块、 叶轮与机舱模块、 结构模块、 模态计算模块和海况模块； 所述生风模块， 用于模拟生成风电机组轮毂高度处的风速矢量， 并输入到气动载荷模 块； 所述翼型模块， 用于采用叶素理论， 基于风电机组叶片长度方向的翼型参数生成叶素 气动参数， 并输入到气动载荷模块， 其中， 所述叶素气动参数包括升力、 阻力系数、 弦长、 攻 角； 所述叶轮与机舱模块， 用于将风电机组的机舱和叶轮整体等效为1个质点， 以偏航轴 承 为原点获取该质点的六自由度的质量矩阵、 刚度 矩阵和阻尼矩阵， 并将该质量矩阵、 刚度 矩 阵和阻尼矩阵输入到 机舱动力学模块； 所述结构模块， 用于搭建风电机组的叶轮和支撑结构的有限元的动力学模型， 获取叶 轮和支撑结构的质量矩阵、 刚度 矩阵和阻尼矩阵， 并将叶轮的质量矩阵、 刚度 矩阵和阻尼矩 阵输入到叶轮动力学模块， 支撑结构的质量矩阵、 刚度矩阵和阻尼矩阵输入到支撑结构动 力学模块； 所述模态计算模块， 用于基于叶轮和 支撑结构的有限元的动力学模型对叶轮和 支撑结 构进行模态分析； 所述海况模块， 用于模拟生成风电机组支撑结构水下部分的流速矢量场， 并输出到水 动力计算模块。 3.如权利要求2所述的系统， 其特征在于， 所述载荷仿真与机舱在线测试模块包括： 气 动载荷模块、 水动力计算模块、 叶轮动力学模块、 机舱动力学模块、 支撑结构动力学模块和 风电机组机舱全尺寸试验 装置； 所述气动载荷模块， 用于所述基于风速矢量和叶素气动参数， 使用叶素理论计算每只 叶片每个叶素的气动载荷， 将叶素的气动载荷进 行空间坐标变换后在叶轮坐标系上进 行集 成， 得到叶轮整体六自由度等效载荷向量， 并将所述六自由度等效载荷向量输出到叶轮动 力学模块； 所述水动力 计算模块， 用于基于流速矢量场计算风电机组支撑结构的水下构件的载荷 分布力； 所述叶轮动力学模块， 用于基于所述叶轮的质量矩阵、 刚度矩阵、 阻尼矩阵以及所述六 自由度等效载荷向量， 采用求解算法分析叶轮整体、 轮毂及叶片各截面在叶轮坐标系中的 动力学响应； 所述机舱动力学模块， 用于基于所述质点的六自由度的质量矩阵、 刚度矩阵和阻尼矩 阵和测试样机输出的磁阻扭矩和五自由度非扭载荷向量组成的动力学方程采用求解算法 分析机舱整体平动和转动的动力学响应； 所述支撑结构动力学模块， 用于基于所述支撑结构的质量矩阵、 刚度矩阵和阻尼矩阵、权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114169197 A 2支撑结构顶端的载荷、 风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力采用求解算法分析支撑 结构各个节点的动力学响应； 所述风电机组机舱全尺寸试验装置由依次连接的电动机、 扭矩限制器、 联轴器、 加载装 置、 适配器和测试样机组成； 其中， 所述动力学响应包括： 位移、 速度、 加速度以及载荷。 4.如权利要求3所述的系统， 其特征在于， 所述五自由度非扭载荷向量为预先构建的坐 标系中沿x、 y、 z轴方向的力、 绕y轴弯 矩以及z轴弯 矩； 其中， 所述预先构建的坐标系的中心点位于测试样机的风轮的轮毂中心位置， x轴方向 为测试样机的主轴方向， y轴方向为相对于地面的水平方向， z轴方向为垂直x轴和y轴组成 平面方向。 5.如权利要求3所述的系统， 其特征在于， 所述六自由度为叶轮整体的笛卡尔 坐标系中 x轴、 y轴、 z轴方向， 以及绕x轴 、 y轴、 z轴方向； 所述求解算法包括下述中的至少一种： Newmark ‑β 法、 Runge ‑Kutta法和Wilson‑θ 法。 6.如权利要求3所述的系统， 其特征在于， 所述风电机组支撑结构的水下构件的载荷分 布的计算式如下： 上式中， 为风电机组支撑结构的水下构件的载荷分布力， Cd为拖拽力系 数， ρw为水密 度， D为构件直径， U为由波 浪海流作用产生的水流在垂直于构件方向上的流速分布， Cm为惯 性力系数， A为构件 截面积， 为水流在垂直于构件方向上的加速度。 7.如权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述系统还包括： 后处理模块， 用于基于所述 风电机组的动力学响应参数对所述 风电机组进行仿真 分析。 8.一种基于权利要求1 ‑7任一项所述的风电机组在环仿真系统 的方法， 其特征在于， 所 述方法包括： 利用前处 理模块模拟风电机组的环境基础参数； 利用载荷仿真与机舱在线测试模块基于所述环境基础参数模拟风电机组的动力学响 应参数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114169197 A 3