文 | 葉浩，吳根勇，應(yīng)有

SWT與Bladed軟件用于風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算的比較

文 | 葉浩，吳根勇，應(yīng)有

近年來，國家對于清潔可再生能源越來越重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有了迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量在不斷增加，風(fēng)電機(jī)組各部件的結(jié)構(gòu)尺寸不斷增大，這對于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的安全性提出了更高的要求，沿用的載荷計(jì)算方法遇到了更大的挑戰(zhàn)。

風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重要步驟，得出的載荷計(jì)算結(jié)果用于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度分析的輸入，因此載荷計(jì)算結(jié)果的可靠性對于風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前業(yè)界基本上使用Bladed軟件進(jìn)行建模仿真分析。沿用的載荷計(jì)算方法建模時(shí)采用了過多的假設(shè)，考慮的自由度相對較少，在計(jì)算機(jī)組傳動系統(tǒng)其他位置處的載荷時(shí)通過輪轂中心力轉(zhuǎn)換推算，而失去了動力學(xué)本身特性，使載荷計(jì)算的結(jié)果不夠精確，從而影響風(fēng)電機(jī)組的安全性。

本文在常用的計(jì)算軟件Bladed計(jì)算載荷的基礎(chǔ)上，應(yīng)用專業(yè)的風(fēng)電機(jī)組解決方案軟件包SWT進(jìn)行載荷計(jì)算，以某一2MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)型為研究對象，建立完全一致的模型。首先通過氣動特性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)由兩個(gè)軟件計(jì)算得到的軸向、切向誘導(dǎo)因子，攻角和入流角幾乎完全一致；然后通過風(fēng)電機(jī)組模態(tài)分析以及不同風(fēng)速工況下的瞬態(tài)分析，對比結(jié)果表明，兩個(gè)軟件在前七階頻率、發(fā)電功率、槳距角、輪轂中心力和塔架內(nèi)力等差異很小。比較分析表明，通過建立與Bladed軟件完全一致的模型，SWT軟件在對風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算方面與Bladed軟件完全吻合。

載荷計(jì)算方法與風(fēng)電機(jī)組建模

表1 機(jī)組參數(shù)表

Samcef For Wind Turbines（SWT）專注于機(jī)電風(fēng)力渦輪系統(tǒng)的建模、分析和仿真，本文選用的計(jì)算版本為Rev 15 SL 1。SWT軟件采用基于有限元方法的柔性多體動力學(xué)和基于動量－葉素理論描述的空氣動力學(xué)，以三維CAD建模和成熟的有限元分析平臺Samcef Field為基礎(chǔ)，集成了風(fēng)電機(jī)組空氣動力學(xué)、機(jī)械和控制等多領(lǐng)域的耦合及符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的各種工況，提供方便的參數(shù)化建模功能。其參數(shù)化建?？梢宰層脩魪哪J(rèn)的庫中根據(jù)所需的精度要求選擇風(fēng)電機(jī)組部件，然后調(diào)整參數(shù)裝配。也可以根據(jù)所需在Samcef Field平臺下設(shè)計(jì)新型、高精度的部件，然后導(dǎo)入SWT中裝配?？梢詫⒉考M為剛性單元，也可以在高精度耦合模型中導(dǎo)入超單元模型，這是一種有限元模型經(jīng)過質(zhì)量矩陣和剛度矩陣縮減的模型，這也正適應(yīng)了風(fēng)電機(jī)組整機(jī)這種包含機(jī)械和控制的復(fù)雜系統(tǒng)。

Garrad & Hassan′s （GH） Bladed軟件為業(yè)界廣泛應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組建模仿真軟件，本文選用的計(jì)算版本為3.82。Bladed4.0版本在3.82版本基礎(chǔ)上有修改，但計(jì)算的總體思想和原理不變，Bladed 4.0 theory manual section3中說明柔性體在基本的有限元模型中假設(shè)為線性空間梁單元，通常為Timoshenko梁單元，在計(jì)算柔性體的內(nèi)力時(shí)通常采用基本的有限元模型，運(yùn)動方程的求解采用的是常微分方程的時(shí)間逐步積分，通過變步長、四階Runge－Kutta積分。計(jì)算過程中也做了一部分的比較，兩者的差別不大，本文對不同版本不做過多的比較。

本文選取的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型為2MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)型，機(jī)組基本參數(shù)見表1。各部件的建模說明如下：

葉片建模：葉片選用梁單元，在參數(shù)化界面中輸入葉片展向各截面的物理參數(shù)和翼型相關(guān)數(shù)據(jù)，建模方式基本一致，SWT中有連接點(diǎn)的設(shè)置，以便后續(xù)的裝配。

塔架建模：塔架選用梁單元，SWT軟件采用分段式建模，每段為單位方式建模，給出各單位的上下端面結(jié)構(gòu)尺寸和材料物理參數(shù)及各單位分段段數(shù)，各單位之間采用法蘭連接。Bladed軟件直接輸入各焊接段的結(jié)構(gòu)尺寸和材料物理參數(shù)。對于法蘭的建模SWT采用直接建模，Bladed采用附加點(diǎn)質(zhì)量的方式模擬。

傳動鏈建模：傳動鏈建模主要考慮主軸、高速軸的剛度和阻尼，并設(shè)置了發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)，SWT采用最簡單的簡化模型，保證模型與Bladed近似。

控制器建模：載荷計(jì)算中兩種軟件都通過調(diào)用相同的外部控制器（.dll）對機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行控制，控制器的參數(shù)設(shè)置也完全相同。

其他建模：機(jī)組其他部件如機(jī)艙、輪轂等結(jié)構(gòu)部件都通過直接輸入相關(guān)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量信息。SWT軟件建立的機(jī)組整機(jī)模型如圖1所示。

所選工況都為穩(wěn)態(tài)風(fēng)，首先進(jìn)行氣動特性計(jì)算，比較兩種軟件建模計(jì)算的葉片各截面的軸向、切向誘導(dǎo)因子，攻角、入流角；然后對機(jī)組進(jìn)行各階頻率值計(jì)算以及穩(wěn)態(tài)風(fēng)速下的載荷計(jì)算，所計(jì)算工況的風(fēng)速從3m/s到25m/s，步長為1m/s，比較不同風(fēng)速下的發(fā)電功率、槳距角、輪轂中心力，以及塔架底部和頂部的內(nèi)力。

氣動特性比較

首先在建立的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行氣動特性的比較，以驗(yàn)證氣動特性計(jì)算的相似性和可靠性。選用了三種工況，分別為：

（1）低于額定風(fēng)速：風(fēng)速4m/s，葉輪轉(zhuǎn)速13rpm，槳距角0°。

（2）額定風(fēng)速：風(fēng)速12m/s，葉輪轉(zhuǎn)速15rpm，槳距角0°。

（3）高于額定風(fēng)速：風(fēng)速20m/s，葉輪轉(zhuǎn)速15rpm，槳距角10°。

在三種工況下分別進(jìn)行模擬，給出各工況下葉片各截面的軸向、切向誘導(dǎo)因子，攻角和入流角的比較如圖2、圖3、圖4所示。

從三種不同工況的結(jié)果可以看出，兩種軟件計(jì)算得到的葉片各個(gè)不同截面的氣動特性都非常相似，尤其是攻角和入流角幾乎一致，軸向誘導(dǎo)因子有略微的差別，但差別很小，切向誘導(dǎo)因子除葉根位置處有一定的差別，其他截面幾乎一致。由此可知兩款軟件對于風(fēng)電機(jī)組氣動特性的求解具有物理相似性。

模態(tài)分析

對風(fēng)電機(jī)組分別進(jìn)行模態(tài)分析，比較機(jī)組葉片、塔架和傳動鏈的頻率如表2所示。葉片面外一階頻率差別相對較大，達(dá)6.33%，其他頻率差異都在5%以內(nèi)；塔架的一階頻率比較接近，最大差別在2%左右；傳動鏈頻率的差異較大。

載荷計(jì)算比較

表2 機(jī)組模態(tài)比較

在不同風(fēng)速工況下可以給出不同時(shí)刻下的結(jié)果（模擬計(jì)算時(shí)間為500s），在25m/s風(fēng)速工況下，Bladed和SWT的發(fā)電功率隨時(shí)間的變化如圖5所示。Bladed計(jì)算結(jié)果在不同時(shí)刻下有一定的波動，SWT計(jì)算結(jié)果在初始一段時(shí)間內(nèi)會有一個(gè)非平穩(wěn)過程，達(dá)到一定時(shí)間后趨于平穩(wěn)，只在小區(qū)間內(nèi)波動，給出最后100s內(nèi)的比較如圖6所示。由圖可知，其波動性差別不大，Bladed的結(jié)果波動性略大。為此在最后時(shí)刻的幾個(gè)周期內(nèi)（如480s－500s內(nèi)）的值進(jìn)行平均處理，得到每一風(fēng)速下的結(jié)果值，進(jìn)行不同風(fēng)速下的結(jié)果比較。

一、發(fā)電功率和槳距角

不同風(fēng)速下兩種軟件計(jì)算得到的發(fā)電功率和槳角比較如圖7所示。由圖7可知，兩種軟件計(jì)算得到的發(fā)電功率基本一致，小風(fēng)速下，Bladed計(jì)算得到的值略大。小風(fēng)速下兩種軟件計(jì)算得到的槳距角值一致，在較大風(fēng)速（20m/s以上），Bladed計(jì)算得到的槳距角比SWT計(jì)算得到的值大，隨著風(fēng)速的增大，差別增大，在25m/s風(fēng)速下的差別最大，但差別小于3%。

二、輪轂中心力

輪轂與葉片連接處是結(jié)構(gòu)比較特殊的部位，首先比較輪轂中心內(nèi)力情況，X、Y、Z三向的軸力和彎矩如圖8所示。兩種軟件計(jì)算得到的輪轂中心Fx差別不大，在8m/s－10m/s風(fēng)速下極大風(fēng)速下SWT的結(jié)果略大；Fy有一定的差別，但差別的數(shù)值不大，最大差別3kN左右；Fz的數(shù)值SWT的結(jié)果略大，但差別很小；Mx的值兩種軟件計(jì)算的結(jié)果幾乎一致；My的值兩種軟件計(jì)算的結(jié)果差別不大，最大差別在60kN*m以內(nèi)。

三、塔架內(nèi)力

對于塔架的內(nèi)力主要關(guān)注塔架底部及塔架頂端的內(nèi)力。塔底Fx、Fy、Fz和Mx、My如圖9所示。兩種軟件計(jì)算得到的塔底Fx差別不大，在大風(fēng)速下SWT的結(jié)果略大；Fy有一定的差別，但差別的數(shù)值不大，最大差別3kN左右；Fz的數(shù)值Bladed的結(jié)果略大，但差別在10kN以內(nèi)；Mx的值Bladed的結(jié)果略大，但差別也在300kN*m以內(nèi)；My的值幾乎一致，個(gè)別風(fēng)況下Bladed的結(jié)果略大。

塔頂軸力和彎矩如圖10所示。兩種軟件計(jì)算得到的塔頂Fx差別不大，在大風(fēng)速下Bladed的結(jié)果略大；Fy有一定的差別，但差別的數(shù)值不大，最大差別3kN左右；Fz的數(shù)值SWT的結(jié)果略大，但差別在10kN以內(nèi)；Mx的值Bladed的結(jié)果略大，但最大差別在100kN*m左右；My的值在小風(fēng)速下Bladed的結(jié)果略大，大風(fēng)速下SWT的結(jié)果略大，但差別在150kN*m以內(nèi)。

結(jié)論

本文對于某一2MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)型進(jìn)行載荷計(jì)算，利用Bladed軟件和SWT軟件，建立風(fēng)電機(jī)組參數(shù)化仿真模型，進(jìn)行氣動特性比較，模態(tài)分析比較，及不同風(fēng)速工況下的發(fā)電功率、槳角和載荷比較，通過比較分析得到以下結(jié)論：

（一）通過在SWT中建立與Bladed完全一致的模型，通過不同工況下氣動特性的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)兩款軟件在關(guān)鍵氣動參數(shù)，如軸向、切向誘導(dǎo)因子，攻角、入流角等結(jié)果都非常相近，從而驗(yàn)證了SWT軟件氣動計(jì)算結(jié)果的可信度。

（二）通過模態(tài)分析比較，SWT和Bladed計(jì)算得到的葉片、塔架的前兩階頻率差別不大，傳動鏈的頻率有一定的差別。

（三）在不同風(fēng)速工況下，發(fā)電功率、槳距角幾乎一致，輪轂中心力和塔架內(nèi)力基本一致，表明SWT軟件對于風(fēng)電機(jī)組建模仿真進(jìn)行載荷計(jì)算具有有效性和可靠性。

（四）在建立模型和流程化的工況定義時(shí)，SWT軟件相較于Bladed軟件有更好的交互界面，可以幫助用戶進(jìn)行初始設(shè)計(jì)和改型設(shè)計(jì)，針對各部件可以進(jìn)行參數(shù)化建模，在Samcef Field平臺下設(shè)計(jì)修改，導(dǎo)入SWT中進(jìn)行裝配，并有二次開發(fā)和擴(kuò)展功能，具有更強(qiáng)大的功能和空間。

（作者單位：浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）