Bladed軟件在風(fēng)能專業(yè)本科教學(xué)中的應(yīng)用研究

文 | 岳大為 周玥

Bladed軟件在風(fēng)能專業(yè)本科教學(xué)中的應(yīng)用研究

文 | 岳大為 周玥

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電專業(yè)人才的需求逐漸增大。根據(jù)能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，河北工業(yè)大學(xué)于2008年設(shè)立風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)，培養(yǎng)在新能源領(lǐng)域從事相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)研究、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行及生產(chǎn)管理工作的跨學(xué)科復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才和具有較強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的專門人才。本專業(yè)現(xiàn)已有兩屆畢業(yè)生，為風(fēng)電相關(guān)領(lǐng)域輸送優(yōu)秀專業(yè)人員，成為培養(yǎng)風(fēng)電專業(yè)人才的重要基地。

在風(fēng)能專業(yè)的本科教學(xué)中，由于環(huán)境條件有限，只能講授有關(guān)理論知識(shí)和方法，不能提供理論的驗(yàn)證以及實(shí)踐，使得學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)方法感到抽象難懂，不利于理論基礎(chǔ)的鞏固和方法的掌握。本文將理論教學(xué)與Bladed軟件仿真結(jié)合，旨在幫助學(xué)生更好地理解掌握風(fēng)力發(fā)電的有關(guān)知識(shí)，鍛煉實(shí)際操作能力，提高分析和解決問題的能力。

Bladed軟件是英國(guó)Garrad Hassan and Partners Limited公司（以下簡(jiǎn)稱GH公司）開發(fā)的用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，已通過GL（德國(guó)勞埃船級(jí)社）認(rèn)證，軟件的計(jì)算和仿真功能十分強(qiáng)大。

Bladed軟件是一個(gè)用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的集成化軟件包，可以提供各種風(fēng)模型、控制系統(tǒng)、動(dòng)力響應(yīng)等多種綜合模型，可用于風(fēng)電機(jī)組功率分析、載荷計(jì)算、風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能分析等。圖1所示為Bladed軟件的功能模塊。

如圖1所示，在良好的圖形界面下，用戶可以利用Bladed軟件進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)和標(biāo)準(zhǔn)工況的建模、氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算、動(dòng)態(tài)對(duì)計(jì)算結(jié)果的處理和自動(dòng)輸出報(bào)告等功能。Bladed軟件可以與多種軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如Matlab軟件、Visual C++6.0等等，這些軟件可以為Bladed軟件提供外部控制器、自定義發(fā)電機(jī)等等。Bladed軟件還可以同GH公司的“GH WindFarmer”軟件連接，一起來計(jì)算在特定風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷，該分析方法已獲得GL認(rèn)證。

河北工業(yè)大學(xué)是Bladed軟件的獲贈(zèng)單位，取得了Bladed軟件教育版的使用權(quán)，故本文所采用的Bladed軟件為教育版版本。

應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)將介紹幾個(gè)Bladed軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例，分原理、操作步驟和結(jié)果三個(gè)方面進(jìn)行說明，充分將軟件資源和理論知識(shí)相結(jié)合，以達(dá)到對(duì)理論知識(shí)的理解掌握和提高分析問題水平的目的。

一、 應(yīng)用實(shí)例一：風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)葉片的影響

（一） 理論知識(shí)

圖1 Bladed功能模塊示意圖

風(fēng)切變是指穩(wěn)定狀態(tài)下平均風(fēng)速在垂直方向上隨高度變化的現(xiàn)象（如圖2所示），造成這種情況的原因主要包括兩個(gè)方面，一是地面的摩擦效應(yīng)使得近地面的風(fēng)速小于遠(yuǎn)地面的風(fēng)速；二則由于溫度隨高度變化而對(duì)空氣流速的影響。塔影效應(yīng)是指由于風(fēng)電機(jī)組塔架的存在而導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)平均風(fēng)場(chǎng)畸變的現(xiàn)象。二者本質(zhì)上都是一個(gè)周期性變化的過程。

由于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的存在，風(fēng)速值在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上是處處不同的。因此，即使單個(gè)葉片上的每個(gè)微元方位角相同，隨葉片的展向方向，空間位置相差也很大。也就是說，對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片上的微元而言，隨著方位角的改變及其到風(fēng)輪中心距離的不同，風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)對(duì)其所受風(fēng)速的影響是不同的，且相差很大，從而加劇了葉片在風(fēng)輪掃掠面上所受到的空氣動(dòng)力載荷的周期性變化。

Bladed軟件中對(duì)風(fēng)切變的定義有兩種方式，即指數(shù)模型和對(duì)數(shù)模型，其目的是能夠?qū)︼L(fēng)切變進(jìn)行建模，用來計(jì)算不同高度的風(fēng)速，以及對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。指數(shù)模型采用風(fēng)切變指數(shù)α對(duì)風(fēng)切變定義如下，式中Vhhuh表示輪轂高度處的平均風(fēng)速。

很明顯可以看出，若α=0，則表示沒有風(fēng)切變。對(duì)數(shù)模型采用地面粗糙度V0來定義：

Bladed中可用三種不同的模型來描述塔影效應(yīng)，即潛流模型、經(jīng)驗(yàn)塔尾跡模型和組合模型。第一種模型適合于運(yùn)行在塔架上風(fēng)向的風(fēng)輪，而后兩種模型則適用于下風(fēng)向運(yùn)行的風(fēng)輪。故本文采用適用于上風(fēng)向風(fēng)輪的潛流模型，采用的坐標(biāo)系如圖3所示。

潛流模型中，假設(shè)圓柱狀物體周圍的氣體不可壓縮，設(shè)要計(jì)算風(fēng)速的塔架的直徑為DT，F(xiàn)為給定的修正因子，則修正后的塔架直徑為D=F·DT。基于以上假設(shè)，塔架上風(fēng)的縱向風(fēng)速分量V0可以被修正，在如圖3所示的坐標(biāo)系中，對(duì)于塔中心線前方距離為z與穿過該中心線的風(fēng)向量的邊相距為x的一點(diǎn)來說，風(fēng)速V由下式給出：

其中

如果這一點(diǎn)的方位角在從底部最低點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)中心在±60°之間，上式即成立。對(duì)所有其它方位，把因子A修正成A(0.5－cosθ)+(0.5+cosθ)，其中 為葉片方位角的位置（如圖3所示）。

（二）風(fēng)切變和塔影效應(yīng)在Bladed軟件中的建模

本文采用Bladed軟件中已經(jīng)搭建好的2MW水平軸風(fēng)電機(jī)組模型，風(fēng)電機(jī)組基本信息如表1所示，分別輸出在有風(fēng)切變和塔影效應(yīng)及無(wú)風(fēng)切變塔影效應(yīng)兩種情況下葉片的力和力矩圖譜，更直觀地說明風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)葉片的影響。

為了排除其他條件對(duì)葉片的影響，選用不隨時(shí)間變化的定速風(fēng)模型，風(fēng)速設(shè)定為12m/s，如圖4所示。

本文中采用指數(shù)模型對(duì)風(fēng)切變進(jìn)行建模。在Bladed軟件主界面下，打開Wind模塊，選擇Wind Shear標(biāo)簽，取α=0.2，如圖5所示。

圖2 風(fēng)切變示意圖

圖3 塔影效應(yīng)坐標(biāo)系

表1 風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)表

本文中采用潛流模型對(duì)塔影效應(yīng)進(jìn)行建模。在GH Bladed軟件的主界面下，打開Wind模塊，選擇Tower shadow標(biāo)簽，為了效果明顯，取修正因子取2，如圖6所示。

為了進(jìn)行對(duì)比，還應(yīng)設(shè)定無(wú)風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的模型，步驟同上，在Wind Shear和Tower Shadow標(biāo)簽下選擇“None”即可。

圖4 定速風(fēng)模型

（三）計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

葉片載荷使用的坐標(biāo)系如圖7所示，使用Calculation模塊分別計(jì)算兩種情況下葉片載荷，輸出載荷圖譜對(duì)比圖如圖8、9所示。

方向的擺振載荷隨時(shí)間呈現(xiàn)一種周期性變化（如圖8、9黑線所示），而且曲線光滑，說明葉片所受載荷均勻變化。在有風(fēng)切變和塔影效應(yīng)時(shí)，葉片所受載荷雖然也呈現(xiàn)一種周期性變化，但是每個(gè)周期有很大波動(dòng)（如圖8、9紅線所示），所受載荷也比無(wú)風(fēng)切變和塔影效應(yīng)時(shí)大，其中擺振載荷更加明顯，且擺振載荷瞬時(shí)變化劇烈而出現(xiàn)毛刺。

圖5 風(fēng)切變建模

圖6 塔影效應(yīng)建模

圖7 葉片載荷坐標(biāo)系

圖8 葉片揮舞載荷對(duì)比圖

圖9 葉片擺振載荷對(duì)比圖

由此可見，風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組影響巨大。隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化發(fā)展，塔架越來越高，風(fēng)輪直徑越來越大，風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響也越來越大。由于風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的存在，風(fēng)速在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上不是固定不變的。葉片所受氣動(dòng)載荷呈一個(gè)周期性的變化過程，對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率輸出、振動(dòng)、疲勞、動(dòng)力穩(wěn)定性等影響越發(fā)不容忽視。

二、應(yīng)用實(shí)例二：變速變槳距控制器控制效果演示

（一） 理論知識(shí)

控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的指揮中心，控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行是機(jī)組安全運(yùn)行的保障。各類機(jī)型中，變速變距型風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)較復(fù)雜，其控制系統(tǒng)主要由三部分組成：主控制器、槳距調(diào)節(jié)器、扭矩控制器（功率控制器）。變速變槳距風(fēng)電機(jī)組控制回路圖如圖10所示。

主控制器主要完成機(jī)組運(yùn)行邏輯控制，如偏航、對(duì)風(fēng)、解纜等，并在槳距調(diào)節(jié)器和扭矩控制器之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。槳距調(diào)節(jié)器主要完成葉片槳距調(diào)節(jié)，控制葉片槳距角，在額定風(fēng)速之下，保持最大風(fēng)能捕獲效率，在額定風(fēng)速之上，限制功率輸出。扭矩控制器主要完成變速恒頻控制，在額定風(fēng)速之下，在最大升力槳距角位置，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、葉輪轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比運(yùn)行，達(dá)到最大風(fēng)能捕獲效率；在額定風(fēng)速之上，配合變槳距機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最大恒功率輸出。

變速變槳距控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行曲線由扭矩－轉(zhuǎn)速圖來描述，如圖11所示。從A到H為低于額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，沿一條定常葉尖速比的載荷曲線使風(fēng)能捕獲量達(dá)到最大；在額定轉(zhuǎn)速以上，即H點(diǎn)達(dá)到額定扭矩，在所有更高的風(fēng)速中，扭矩需求保持常數(shù)，并由槳距控制來調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速。在點(diǎn)H（此處扭矩達(dá)到最大值）和點(diǎn)L（此處開始槳距控制）之間允許有一小段余量，以防在低于和高于額定扭矩的控制模式之間作過度頻繁的模式切換。

圖12顯示了用于產(chǎn)生槳距和扭矩需要量的控制回路，在額定值以下扭矩需要量回路有效，反之則槳距需要量回路有效。低于額定值時(shí)，速度設(shè)置點(diǎn)在S1與S4之間切換。在低風(fēng)速下，該點(diǎn)在S1，扭矩需要量輸出被限定在一個(gè)最大值上，該最大值由最佳葉尖速比曲線BG給出。這使得運(yùn)行點(diǎn)循著ABG移動(dòng)。高風(fēng)速下，設(shè)置點(diǎn)變到S4，扭矩需要量輸出被限定到一個(gè)最小值上，該最小值也由最佳葉尖速比曲線給出，同時(shí)使運(yùn)行點(diǎn)循著軌跡BGH移動(dòng)，使得到達(dá)QR最大值。當(dāng)?shù)竭_(dá)H點(diǎn)時(shí)，隨著槳距控制回路在速度超過S5時(shí)變?yōu)橛行?，扭矩保持恒定，開始進(jìn)行槳距控制，限制功率輸出，保持額定功率。

GH Bladed軟件中廣泛采用PI控制應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組閉環(huán)控制器中，以x為輸入量，y為輸出量的PI控制器具有以下形式：

圖10 變速變槳距調(diào)節(jié)控制環(huán)

圖11 變速變槳調(diào)節(jié)運(yùn)行曲線

圖12 變速變槳控制環(huán)

其中，Kp為比例增益，Kt為積分增益，int(x)為x的時(shí)間積分。Bladed軟件在變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)上內(nèi)置的PI控制器有變速扭矩控制器（x=測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的偏差，y=電機(jī)扭矩需求）和變速槳距控制器（x=測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的偏差，y=槳距角需求）。專業(yè)版Bladed軟件支持用戶自定義的外部控制器的導(dǎo)入，由于本文使用的是教育版，故只能使用Bladed軟件內(nèi)置的PI控制器。

（二） 變速變槳距風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)在Bladed軟件中的建模

Bladed軟件中的風(fēng)電機(jī)組模型為變速變槳距風(fēng)電機(jī)組，基本信息如表1所示，所選用的發(fā)電機(jī)為變速電機(jī)，打開Bladed軟件傳動(dòng)鏈模塊，選擇Generator標(biāo)簽，發(fā)電機(jī)信息如圖13所示。發(fā)電機(jī)和變頻器組成的變速驅(qū)動(dòng)裝置是作為一個(gè)整體進(jìn)行建模的?，F(xiàn)代變速驅(qū)動(dòng)裝置能夠接收扭矩請(qǐng)求并在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)此做出響應(yīng)，只要在指定限度內(nèi)，在發(fā)電機(jī)氣隙給出所期望的扭矩而不論發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如何。故必須指定發(fā)電機(jī)的最小和最大扭矩。

對(duì)于控制系統(tǒng)的建模是在控制系統(tǒng)菜單中完成的。單擊Control圖標(biāo)打開控制系統(tǒng)菜單如圖14所示，本文研究對(duì)象為變速變槳距風(fēng)電機(jī)組，故應(yīng)在Power Production Control下選擇Pitch Regulated-variable speed選擇變速變槳調(diào)節(jié)，并選擇Controller Dynamics定義控制器的附加參數(shù)，單擊Define可以定義PI控制器的比例增益和積分增益。額定風(fēng)速以下，變速風(fēng)電機(jī)組通過改變與風(fēng)速相對(duì)應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速使機(jī)組保持在可能的最優(yōu)葉尖速比下。額定以上則選擇變槳控制，具體參數(shù)如圖14所示。

（三）變速變槳距控制效果

Bladed軟件中風(fēng)電機(jī)組模型切入風(fēng)速4m/s，切出風(fēng)速25m/s，扭矩控制器比例增益為500，積分增益為250，槳距控制器比例增益為0.0246，積分增益為0.01025，經(jīng)Bladed軟件計(jì)算，機(jī)組功率曲線如圖15所示。從圖中可以看出，功率曲線光滑平穩(wěn)，且在12m/s達(dá)到額定功率2MW，達(dá)到額定風(fēng)速后保持2MW額定功率不變，驗(yàn)證了變速風(fēng)電機(jī)組的功率曲線。

計(jì)算風(fēng)速變化過程中，扭矩、槳距角和功率系數(shù)的變化，輸出圖線如圖16、17、18所示。

由以上三張圖可以看出控制系統(tǒng)中控制器的動(dòng)作。如圖16和圖18可以看出，在低于額定風(fēng)速下，扭矩控制器動(dòng)作，調(diào)節(jié)所需風(fēng)電機(jī)組扭矩，并且保證機(jī)組沿最大功率系數(shù)曲線運(yùn)行；結(jié)合圖17、18所示，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，槳距調(diào)節(jié)器動(dòng)作，調(diào)節(jié)葉片槳距，降低功率系數(shù)，以保證風(fēng)電機(jī)組額定功率輸出。

定義平均風(fēng)速為12m/s的3D湍流風(fēng)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行正常發(fā)電狀態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真，設(shè)定仿真時(shí)間為45s，輸出風(fēng)速隨時(shí)間變化如圖19所示，計(jì)算機(jī)組功率隨時(shí)間的變化圖如圖20所示。

圖13 發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)定

圖14 控制系統(tǒng)建模

圖15 風(fēng)電機(jī)組功率曲線

圖16 扭矩變化

圖17 槳距角變化

圖18 功率系數(shù)變化

圖19 風(fēng)速變化圖譜

通過兩圖的對(duì)比可以看出風(fēng)速圍繞12m/s波動(dòng)較大，最高達(dá)到16m/s，最低達(dá)到8m/s，但是風(fēng)電機(jī)組功率輸出圍繞額定功率波動(dòng)較小，均在1.85MW－2.1MW之間波動(dòng)，說明變速變槳距控制系統(tǒng)工作效果良好，能夠較好地應(yīng)對(duì)風(fēng)速變化而保持輸出功率穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

圖20 功率變化曲線

結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)驗(yàn)證專業(yè)軟件Bladed在本科教學(xué)中的應(yīng)用，并列舉了Bladed軟件在教學(xué)過程中的應(yīng)用實(shí)例，較為詳盡地說明了相關(guān)理論知識(shí)、對(duì)應(yīng)模型在Bladed軟件中的建模以及良好的仿真結(jié)果。

在本科教學(xué)中，將Bladed軟件與課本理論知識(shí)相結(jié)合進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的注意力更加集中，對(duì)課本知識(shí)的理解掌握更加牢固，并且活躍了課堂氣氛，理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式更能引起同學(xué)們的興趣。許多同學(xué)對(duì)Bladed軟件產(chǎn)生濃厚興趣，并積極主動(dòng)學(xué)習(xí)軟件并利用軟件研究有關(guān)風(fēng)電機(jī)組的其他問題，提高了同學(xué)們的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立研究的能力。Bladed軟件的應(yīng)用在本科教學(xué)中取得了良好的效果，增加了同學(xué)們的專業(yè)技能，更有助于培養(yǎng)風(fēng)電專業(yè)人才。

（作者單位：河北工業(yè)大學(xué)）