Bladed軟件在風能專業本科教學中的應用研究

文 | 岳大為 周玥

Bladed軟件在風能專業本科教學中的應用研究

文 | 岳大為 周玥

隨著風電產業的迅猛發展，國內對風電專業人才的需求逐漸增大。根據能源領域的發展趨勢和國民經濟發展需要，河北工業大學于2008年設立風能與動力工程專業，培養在新能源領域從事相關工程技術領域的開發研究、工程設計、優化運行及生產管理工作的跨學科復合型高級工程技術人才和具有較強工程實踐和創新能力的專門人才。本專業現已有兩屆畢業生，為風電相關領域輸送優秀專業人員，成為培養風電專業人才的重要基地。

在風能專業的本科教學中，由于環境條件有限，只能講授有關理論知識和方法，不能提供理論的驗證以及實踐，使得學生對有關知識方法感到抽象難懂，不利于理論基礎的鞏固和方法的掌握。本文將理論教學與Bladed軟件仿真結合，旨在幫助學生更好地理解掌握風力發電的有關知識，鍛煉實際操作能力，提高分析和解決問題的能力。

Bladed軟件是英國Garrad Hassan and Partners Limited公司（以下簡稱GH公司）開發的用于風電機組設計的專業軟件，已通過GL（德國勞埃船級社）認證，軟件的計算和仿真功能十分強大。

Bladed軟件是一個用于風電機組設計與驗證的集成化軟件包，可以提供各種風模型、控制系統、動力響應等多種綜合模型，可用于風電機組功率分析、載荷計算、風電機組氣動性能分析等。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軟件進行風電機組、風和標準工況的建模、氣動參數計算、動態模擬計算、動態對計算結果的處理和自動輸出報告等功能。Bladed軟件可以與多種軟件進行數據交換，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、自定義發電機等等。Bladed軟件還可以同GH公司的“GH WindFarmer”軟件連接，一起來計算在特定風電場中風電機組的疲勞載荷，該分析方法已獲得GL認證。

河北工業大學是Bladed軟件的獲贈單位，取得了Bladed軟件教育版的使用權，故本文所采用的Bladed軟件為教育版版本。

應用實例

本節將介紹幾個Bladed軟件在教學中的應用實例，分原理、操作步驟和結果三個方面進行說明，充分將軟件資源和理論知識相結合，以達到對理論知識的理解掌握和提高分析問題水平的目的。

一、 應用實例一：風切變和塔影效應對葉片的影響

（一） 理論知識

圖1 Bladed功能模塊示意圖

風切變是指穩定狀態下平均風速在垂直方向上隨高度變化的現象（如圖2所示），造成這種情況的原因主要包括兩個方面，一是地面的摩擦效應使得近地面的風速小于遠地面的風速；二則由于溫度隨高度變化而對空氣流速的影響。塔影效應是指由于風電機組塔架的存在而導致的穩態平均風場畸變的現象。二者本質上都是一個周期性變化的過程。

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

Bladed軟件中對風切變的定義有兩種方式，即指數模型和對數模型，其目的是能夠對風切變進行建模，用來計算不同高度的風速，以及對風電機組的影響。指數模型采用風切變指數α對風切變定義如下，式中Vhhuh表示輪轂高度處的平均風速。

很明顯可以看出，若α=0，則表示沒有風切變。對數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，即潛流模型、經驗塔尾跡模型和組合模型。第一種模型適合于運行在塔架上風向的風輪，而后兩種模型則適用于下風向運行的風輪。故本文采用適用于上風向風輪的潛流模型，采用的坐標系如圖3所示。

潛流模型中，假設圓柱狀物體周圍的氣體不可壓縮，設要計算風速的塔架的直徑為DT，F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，塔架上風的縱向風速分量V0可以被修正，在如圖3所示的坐標系中，對于塔中心線前方距離為z與穿過該中心線的風向量的邊相距為x的一點來說，風速V由下式給出：

其中

如果這一點的方位角在從底部最低點相對于坐標中心在±60°之間，上式即成立。對所有其它方位，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）風切變和塔影效應在Bladed軟件中的建模

本文采用Bladed軟件中已經搭建好的2MW水平軸風電機組模型，風電機組基本信息如表1所示，分別輸出在有風切變和塔影效應及無風切變塔影效應兩種情況下葉片的力和力矩圖譜，更直觀地說明風切變和塔影效應對葉片的影響。

為了排除其他條件對葉片的影響，選用不隨時間變化的定速風模型，風速設定為12m/s，如圖4所示。

本文中采用指數模型對風切變進行建模。在Bladed軟件主界面下，打開Wind模塊，選擇Wind Shear標簽，取α=0.2，如圖5所示。

圖2 風切變示意圖

圖3 塔影效應坐標系

表1 風電機組基本參數表

本文中采用潛流模型對塔影效應進行建模。在GH Bladed軟件的主界面下，打開Wind模塊，選擇Tower shadow標簽，為了效果明顯，取修正因子取2，如圖6所示。

為了進行對比，還應設定無風切變和塔影效應的模型，步驟同上，在Wind Shear和Tower Shadow標簽下選擇“None”即可。

圖4 定速風模型

（三）計算結果及結論

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

方向的擺振載荷隨時間呈現一種周期性變化（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。在有風切變和塔影效應時，葉片所受載荷雖然也呈現一種周期性變化，但是每個周期有很大波動（如圖8、9紅線所示），所受載荷也比無風切變和塔影效應時大，其中擺振載荷更加明顯，且擺振載荷瞬時變化劇烈而出現毛刺。

圖5 風切變建模

圖6 塔影效應建模

圖7 葉片載荷坐標系

圖8 葉片揮舞載荷對比圖

圖9 葉片擺振載荷對比圖

由此可見，風切變和塔影效應對風電機組影響巨大。隨著風電機組向大型化發展，塔架越來越高，風輪直徑越來越大，風剪切和塔影效應對風電機組的影響也越來越大。由于風剪切和塔影效應的存在，風速在整個風輪掃掠面上不是固定不變的。葉片所受氣動載荷呈一個周期性的變化過程，對風電機組功率輸出、振動、疲勞、動力穩定性等影響越發不容忽視。

二、應用實例二：變速變槳距控制器控制效果演示

（一） 理論知識

控制系統是風電機組安全運行的指揮中心，控制系統的安全運行是機組安全運行的保障。各類機型中，變速變距型風電機組控制技術較復雜，其控制系統主要由三部分組成：主控制器、槳距調節器、扭矩控制器（功率控制器）。變速變槳距風電機組控制回路圖如圖10所示。

主控制器主要完成機組運行邏輯控制，如偏航、對風、解纜等，并在槳距調節器和扭矩控制器之間進行協調控制。槳距調節器主要完成葉片槳距調節，控制葉片槳距角，在額定風速之下，保持最大風能捕獲效率，在額定風速之上，限制功率輸出。扭矩控制器主要完成變速恒頻控制，在額定風速之下，在最大升力槳距角位置，調節發電機、葉輪轉速，保持最佳葉尖速比運行，達到最大風能捕獲效率；在額定風速之上，配合變槳距機構，實現最大恒功率輸出。

變速變槳距控制系統穩態運行曲線由扭矩－轉速圖來描述，如圖11所示。從A到H為低于額定轉速狀態，沿一條定常葉尖速比的載荷曲線使風能捕獲量達到最大；在額定轉速以上，即H點達到額定扭矩，在所有更高的風速中，扭矩需求保持常數，并由槳距控制來調節葉輪的轉速。在點H（此處扭矩達到最大值）和點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，速度設置點在S1與S4之間切換。在低風速下，該點在S1，扭矩需要量輸出被限定在一個最大值上，該最大值由最佳葉尖速比曲線BG給出。這使得運行點循著ABG移動。高風速下，設置點變到S4，扭矩需要量輸出被限定到一個最小值上，該最小值也由最佳葉尖速比曲線給出，同時使運行點循著軌跡BGH移動，使得到達QR最大值。當到達H點時，隨著槳距控制回路在速度超過S5時變為有效，扭矩保持恒定，開始進行槳距控制，限制功率輸出，保持額定功率。

GH Bladed軟件中廣泛采用PI控制應用于風電機組閉環控制器中，以x為輸入量，y為輸出量的PI控制器具有以下形式：

圖10 變速變槳距調節控制環

圖11 變速變槳調節運行曲線

圖12 變速變槳控制環

其中，Kp為比例增益，Kt為積分增益，int(x)為x的時間積分。Bladed軟件在變速變槳距風電機組的控制系統上內置的PI控制器有變速扭矩控制器（x=測得電機轉速與設定值的偏差，y=電機扭矩需求）和變速槳距控制器（x=測得電機轉速與設定值的偏差，y=槳距角需求）。專業版Bladed軟件支持用戶自定義的外部控制器的導入，由于本文使用的是教育版，故只能使用Bladed軟件內置的PI控制器。

（二） 變速變槳距風電機組控制系統在Bladed軟件中的建模

Bladed軟件中的風電機組模型為變速變槳距風電機組，基本信息如表1所示，所選用的發電機為變速電機，打開Bladed軟件傳動鏈模塊，選擇Generator標簽，發電機信息如圖13所示。發電機和變頻器組成的變速驅動裝置是作為一個整體進行建模的。現代變速驅動裝置能夠接收扭矩請求并在很短的時間內對此做出響應，只要在指定限度內，在發電機氣隙給出所期望的扭矩而不論發電機轉速如何。故必須指定發電機的最小和最大扭矩。

對于控制系統的建模是在控制系統菜單中完成的。單擊Control圖標打開控制系統菜單如圖14所示，本文研究對象為變速變槳距風電機組，故應在Power Production Control下選擇Pitch Regulated-variable speed選擇變速變槳調節，并選擇Controller Dynamics定義控制器的附加參數，單擊Define可以定義PI控制器的比例增益和積分增益。額定風速以下，變速風電機組通過改變與風速相對應的葉輪轉速使機組保持在可能的最優葉尖速比下。額定以上則選擇變槳控制，具體參數如圖14所示。

（三）變速變槳距控制效果

Bladed軟件中風電機組模型切入風速4m/s，切出風速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Bladed軟件計算，機組功率曲線如圖15所示。從圖中可以看出，功率曲線光滑平穩，且在12m/s達到額定功率2MW，達到額定風速后保持2MW額定功率不變，驗證了變速風電機組的功率曲線。

計算風速變化過程中，扭矩、槳距角和功率系數的變化，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中控制器的動作。如圖16和圖18可以看出，在低于額定風速下，扭矩控制器動作，調節所需風電機組扭矩，并且保證機組沿最大功率系數曲線運行；結合圖17、18所示，當風速高于額定風速時，槳距調節器動作，調節葉片槳距，降低功率系數，以保證風電機組額定功率輸出。

定義平均風速為12m/s的3D湍流風，對風電機組進行正常發電狀態的動態仿真，設定仿真時間為45s，輸出風速隨時間變化如圖19所示，計算機組功率隨時間的變化圖如圖20所示。

圖13 發電機參數設定

圖14 控制系統建模

圖15 風電機組功率曲線

圖16 扭矩變化

圖17 槳距角變化

圖18 功率系數變化

圖19 風速變化圖譜

通過兩圖的對比可以看出風速圍繞12m/s波動較大，最高達到16m/s，最低達到8m/s，但是風電機組功率輸出圍繞額定功率波動較小，均在1.85MW－2.1MW之間波動，說明變速變槳距控制系統工作效果良好，能夠較好地應對風速變化而保持輸出功率穩定，達到了預期的控制效果。

圖20 功率變化曲線

結語

本文主要介紹了風電機組設計驗證專業軟件Bladed在本科教學中的應用，并列舉了Bladed軟件在教學過程中的應用實例，較為詳盡地說明了相關理論知識、對應模型在Bladed軟件中的建模以及良好的仿真結果。

在本科教學中，將Bladed軟件與課本理論知識相結合進行了教學實踐，發現學生的注意力更加集中，對課本知識的理解掌握更加牢固，并且活躍了課堂氣氛，理論與實踐相結合的教學方式更能引起同學們的興趣。許多同學對Bladed軟件產生濃厚興趣，并積極主動學習軟件并利用軟件研究有關風電機組的其他問題，提高了同學們的自主學習和獨立研究的能力。Bladed軟件的應用在本科教學中取得了良好的效果，增加了同學們的專業技能，更有助于培養風電專業人才。

（作者單位：河北工業大學）