SWT与Bladed软件用于风电机组载荷计算的比较

2016-05-17叶浩吴根勇应有

风能 2016年4期

文 | 叶浩，吴根勇，应有

文 | 叶浩，吴根勇，应有

近年来，国家对于清洁可再生能源越来越重视，风电产业有了迅猛发展，风电机组的装机容量在不断增加，风电机组各部件的结构尺寸不断增大，这对于风电机组设计的安全性提出了更高的要求，沿用的载荷计算方法遇到了更大的挑战。

风电机组载荷计算是风电机组设计的重要步骤，得出的载荷计算结果用于风电机组结构部件强度分析的输入，因此载荷计算结果的可靠性对于风电机组的设计至关重要。目前业界基本上使用Bladed软件进行建模仿真分析。沿用的载荷计算方法建模时采用了过多的假设，考虑的自由度相对较少，在计算机组传动系统其他位置处的载荷时通过轮毂中心力转换推算，而失去了动力学本身特性，使载荷计算的结果不够精确，从而影响风电机组的安全性。

本文在常用的计算软件Bladed计算载荷的基础上，应用专业的风电机组解决方案软件包SWT进行载荷计算，以某一2MW风电机组机型为研究对象，建立完全一致的模型。首先通过气动特性计算，发现由两个软件计算得到的轴向、切向诱导因子，攻角和入流角几乎完全一致；然后通过风电机组模态分析以及不同风速工况下的瞬态分析，对比结果表明，两个软件在前七阶频率、发电功率、桨距角、轮毂中心力和塔架内力等差异很小。比较分析表明，通过建立与Bladed软件完全一致的模型，SWT软件在对风电机组载荷计算方面与Bladed软件完全吻合。

载荷计算方法与风电机组建模

表1 机组参数表

Samcef For Wind Turbines（SWT）专注于机电风力涡轮系统的建模、分析和仿真，本文选用的计算版本为Rev 15 SL 1。SWT软件采用基于有限元方法的柔性多体动力学和基于动量－叶素理论描述的空气动力学，以三维CAD建模和成熟的有限元分析平台Samcef Field为基础，集成了风电机组空气动力学、机械和控制等多领域的耦合及符合IEC标准的各种工况，提供方便的参数化建模功能。其参数化建模可以让用户从默认的库中根据所需的精度要求选择风电机组部件，然后调整参数装配。也可以根据所需在Samcef Field平台下设计新型、高精度的部件，然后导入SWT中装配。可以将部件模拟为刚性单元，也可以在高精度耦合模型中导入超单元模型，这是一种有限元模型经过质量矩阵和刚度矩阵缩减的模型，这也正适应了风电机组整机这种包含机械和控制的复杂系统。

Garrad & Hassan′s （GH） Bladed软件为业界广泛应用的风电机组建模仿真软件，本文选用的计算版本为3.82。Bladed4.0版本在3.82版本基础上有修改，但计算的总体思想和原理不变，Bladed 4.0 theory manual section3中说明柔性体在基本的有限元模型中假设为线性空间梁单元，通常为Timoshenko梁单元，在计算柔性体的内力时通常采用基本的有限元模型，运动方程的求解采用的是常微分方程的时间逐步积分，通过变步长、四阶Runge－Kutta积分。计算过程中也做了一部分的比较，两者的差别不大，本文对不同版本不做过多的比较。

本文选取的风电机组机型为2MW风电机组机型，机组基本参数见表1。各部件的建模说明如下：

叶片建模：叶片选用梁单元，在参数化界面中输入叶片展向各截面的物理参数和翼型相关数据，建模方式基本一致，SWT中有连接点的设置，以便后续的装配。

塔架建模：塔架选用梁单元，SWT软件采用分段式建模，每段为单位方式建模，给出各单位的上下端面结构尺寸和材料物理参数及各单位分段段数，各单位之间采用法兰连接。Bladed软件直接输入各焊接段的结构尺寸和材料物理参数。对于法兰的建模SWT采用直接建模，Bladed采用附加点质量的方式模拟。

传动链建模：传动链建模主要考虑主轴、高速轴的刚度和阻尼，并设置了发电机的主要参数，SWT采用最简单的简化模型，保证模型与Bladed近似。

控制器建模：载荷计算中两种软件都通过调用相同的外部控制器（.dll）对机组进行运行控制，控制器的参数设置也完全相同。

其他建模：机组其他部件如机舱、轮毂等结构部件都通过直接输入相关的质量、转动惯量信息。SWT软件建立的机组整机模型如图1所示。

所选工况都为稳态风，首先进行气动特性计算，比较两种软件建模计算的叶片各截面的轴向、切向诱导因子，攻角、入流角；然后对机组进行各阶频率值计算以及稳态风速下的载荷计算，所计算工况的风速从3m/s到25m/s，步长为1m/s，比较不同风速下的发电功率、桨距角、轮毂中心力，以及塔架底部和顶部的内力。

气动特性比较

首先在建立的模型基础上进行气动特性的比较，以验证气动特性计算的相似性和可靠性。选用了三种工况，分别为：

（1）低于额定风速：风速4m/s，叶轮转速13rpm，桨距角0°。

（2）额定风速：风速12m/s，叶轮转速15rpm，桨距角0°。

（3）高于额定风速：风速20m/s，叶轮转速15rpm，桨距角10°。

在三种工况下分别进行模拟，给出各工况下叶片各截面的轴向、切向诱导因子，攻角和入流角的比较如图2、图3、图4所示。

从三种不同工况的结果可以看出，两种软件计算得到的叶片各个不同截面的气动特性都非常相似，尤其是攻角和入流角几乎一致，轴向诱导因子有略微的差别，但差别很小，切向诱导因子除叶根位置处有一定的差别，其他截面几乎一致。由此可知两款软件对于风电机组气动特性的求解具有物理相似性。

模态分析

对风电机组分别进行模态分析，比较机组叶片、塔架和传动链的频率如表2所示。叶片面外一阶频率差别相对较大，达6.33%，其他频率差异都在5%以内；塔架的一阶频率比较接近，最大差别在2%左右；传动链频率的差异较大。

载荷计算比较

表2 机组模态比较

在不同风速工况下可以给出不同时刻下的结果（模拟计算时间为500s），在25m/s风速工况下，Bladed和SWT的发电功率随时间的变化如图5所示。Bladed计算结果在不同时刻下有一定的波动，SWT计算结果在初始一段时间内会有一个非平稳过程，达到一定时间后趋于平稳，只在小区间内波动，给出最后100s内的比较如图6所示。由图可知，其波动性差别不大，Bladed的结果波动性略大。为此在最后时刻的几个周期内（如480s－500s内）的值进行平均处理，得到每一风速下的结果值，进行不同风速下的结果比较。

一、发电功率和桨距角

不同风速下两种软件计算得到的发电功率和桨角比较如图7所示。由图7可知，两种软件计算得到的发电功率基本一致，小风速下，Bladed计算得到的值略大。小风速下两种软件计算得到的桨距角值一致，在较大风速（20m/s以上），Bladed计算得到的桨距角比SWT计算得到的值大，随着风速的增大，差别增大，在25m/s风速下的差别最大，但差别小于3%。

二、轮毂中心力

轮毂与叶片连接处是结构比较特殊的部位，首先比较轮毂中心内力情况，X、Y、Z三向的轴力和弯矩如图8所示。两种软件计算得到的轮毂中心Fx差别不大，在8m/s－10m/s风速下极大风速下SWT的结果略大；Fy有一定的差别，但差别的数值不大，最大差别3kN左右；Fz的数值SWT的结果略大，但差别很小；Mx的值两种软件计算的结果几乎一致；My的值两种软件计算的结果差别不大，最大差别在60kN*m以内。

三、塔架内力

对于塔架的内力主要关注塔架底部及塔架顶端的内力。塔底Fx、Fy、Fz和Mx、My如图9所示。两种软件计算得到的塔底Fx差别不大，在大风速下SWT的结果略大；Fy有一定的差别，但差别的数值不大，最大差别3kN左右；Fz的数值Bladed的结果略大，但差别在10kN以内；Mx的值Bladed的结果略大，但差别也在300kN*m以内；My的值几乎一致，个别风况下Bladed的结果略大。

塔顶轴力和弯矩如图10所示。两种软件计算得到的塔顶Fx差别不大，在大风速下Bladed的结果略大；Fy有一定的差别，但差别的数值不大，最大差别3kN左右；Fz的数值SWT的结果略大，但差别在10kN以内；Mx的值Bladed的结果略大，但最大差别在100kN*m左右；My的值在小风速下Bladed的结果略大，大风速下SWT的结果略大，但差别在150kN*m以内。