Bladed软件在风能专业本科教学中的应用研究

文 | 岳大为 周玥

Bladed软件在风能专业本科教学中的应用研究

文 | 岳大为 周玥

随着风电产业的迅猛发展，国内对风电专业人才的需求逐渐增大。根据能源领域的发展趋势和国民经济发展需要，河北工业大学于2008年设立风能与动力工程专业，培养在新能源领域从事相关工程技术领域的开发研究、工程设计、优化运行及生产管理工作的跨学科复合型高级工程技术人才和具有较强工程实践和创新能力的专门人才。本专业现已有两届毕业生，为风电相关领域输送优秀专业人员，成为培养风电专业人才的重要基地。

在风能专业的本科教学中，由于环境条件有限，只能讲授有关理论知识和方法，不能提供理论的验证以及实践，使得学生对有关知识方法感到抽象难懂，不利于理论基础的巩固和方法的掌握。本文将理论教学与Bladed软件仿真结合，旨在帮助学生更好地理解掌握风力发电的有关知识，锻炼实际操作能力，提高分析和解决问题的能力。

Bladed软件是英国Garrad Hassan and Partners Limited公司（以下简称GH公司）开发的用于风电机组设计的专业软件，已通过GL（德国劳埃船级社）认证，软件的计算和仿真功能十分强大。

Bladed软件是一个用于风电机组设计与验证的集成化软件包，可以提供各种风模型、控制系统、动力响应等多种综合模型，可用于风电机组功率分析、载荷计算、风电机组气动性能分析等。图1所示为Bladed软件的功能模块。

如图1所示，在良好的图形界面下，用户可以利用Bladed软件进行风电机组、风和标准工况的建模、气动参数计算、动态模拟计算、动态对计算结果的处理和自动输出报告等功能。Bladed软件可以与多种软件进行数据交换，如Matlab软件、Visual C++6.0等等，这些软件可以为Bladed软件提供外部控制器、自定义发电机等等。Bladed软件还可以同GH公司的“GH WindFarmer”软件连接，一起来计算在特定风电场中风电机组的疲劳载荷，该分析方法已获得GL认证。

河北工业大学是Bladed软件的获赠单位，取得了Bladed软件教育版的使用权，故本文所采用的Bladed软件为教育版版本。

应用实例

本节将介绍几个Bladed软件在教学中的应用实例，分原理、操作步骤和结果三个方面进行说明，充分将软件资源和理论知识相结合，以达到对理论知识的理解掌握和提高分析问题水平的目的。

一、 应用实例一：风切变和塔影效应对叶片的影响

（一） 理论知识

图1 Bladed功能模块示意图

风切变是指稳定状态下平均风速在垂直方向上随高度变化的现象（如图2所示），造成这种情况的原因主要包括两个方面，一是地面的摩擦效应使得近地面的风速小于远地面的风速；二则由于温度随高度变化而对空气流速的影响。塔影效应是指由于风电机组塔架的存在而导致的稳态平均风场畸变的现象。二者本质上都是一个周期性变化的过程。

由于风切变和塔影效应的存在，风速值在整个风轮扫掠面上是处处不同的。因此，即使单个叶片上的每个微元方位角相同，随叶片的展向方向，空间位置相差也很大。也就是说，对旋转叶片上的微元而言，随着方位角的改变及其到风轮中心距离的不同，风剪切和塔影效应对其所受风速的影响是不同的，且相差很大，从而加剧了叶片在风轮扫掠面上所受到的空气动力载荷的周期性变化。

Bladed软件中对风切变的定义有两种方式，即指数模型和对数模型，其目的是能够对风切变进行建模，用来计算不同高度的风速，以及对风电机组的影响。指数模型采用风切变指数α对风切变定义如下，式中Vhhuh表示轮毂高度处的平均风速。

很明显可以看出，若α=0，则表示没有风切变。对数模型采用地面粗糙度V0来定义：

Bladed中可用三种不同的模型来描述塔影效应，即潜流模型、经验塔尾迹模型和组合模型。第一种模型适合于运行在塔架上风向的风轮，而后两种模型则适用于下风向运行的风轮。故本文采用适用于上风向风轮的潜流模型，采用的坐标系如图3所示。

潜流模型中，假设圆柱状物体周围的气体不可压缩，设要计算风速的塔架的直径为DT，F为给定的修正因子，则修正后的塔架直径为D=F·DT。基于以上假设，塔架上风的纵向风速分量V0可以被修正，在如图3所示的坐标系中，对于塔中心线前方距离为z与穿过该中心线的风向量的边相距为x的一点来说，风速V由下式给出：

其中

如果这一点的方位角在从底部最低点相对于坐标中心在±60°之间，上式即成立。对所有其它方位，把因子A修正成A(0.5－cosθ)+(0.5+cosθ)，其中 为叶片方位角的位置（如图3所示）。

（二）风切变和塔影效应在Bladed软件中的建模

本文采用Bladed软件中已经搭建好的2MW水平轴风电机组模型，风电机组基本信息如表1所示，分别输出在有风切变和塔影效应及无风切变塔影效应两种情况下叶片的力和力矩图谱，更直观地说明风切变和塔影效应对叶片的影响。

为了排除其他条件对叶片的影响，选用不随时间变化的定速风模型，风速设定为12m/s，如图4所示。

本文中采用指数模型对风切变进行建模。在Bladed软件主界面下，打开Wind模块，选择Wind Shear标签，取α=0.2，如图5所示。

图2 风切变示意图

图3 塔影效应坐标系

表1 风电机组基本参数表

本文中采用潜流模型对塔影效应进行建模。在GH Bladed软件的主界面下，打开Wind模块，选择Tower shadow标签，为了效果明显，取修正因子取2，如图6所示。

为了进行对比，还应设定无风切变和塔影效应的模型，步骤同上，在Wind Shear和Tower Shadow标签下选择“None”即可。

图4 定速风模型

（三）计算结果及结论

叶片载荷使用的坐标系如图7所示，使用Calculation模块分别计算两种情况下叶片载荷，输出载荷图谱对比图如图8、9所示。

方向的摆振载荷随时间呈现一种周期性变化（如图8、9黑线所示），而且曲线光滑，说明叶片所受载荷均匀变化。在有风切变和塔影效应时，叶片所受载荷虽然也呈现一种周期性变化，但是每个周期有很大波动（如图8、9红线所示），所受载荷也比无风切变和塔影效应时大，其中摆振载荷更加明显，且摆振载荷瞬时变化剧烈而出现毛刺。

图5 风切变建模

图6 塔影效应建模

图7 叶片载荷坐标系

图8 叶片挥舞载荷对比图

图9 叶片摆振载荷对比图

由此可见，风切变和塔影效应对风电机组影响巨大。随着风电机组向大型化发展，塔架越来越高，风轮直径越来越大，风剪切和塔影效应对风电机组的影响也越来越大。由于风剪切和塔影效应的存在，风速在整个风轮扫掠面上不是固定不变的。叶片所受气动载荷呈一个周期性的变化过程，对风电机组功率输出、振动、疲劳、动力稳定性等影响越发不容忽视。

二、应用实例二：变速变桨距控制器控制效果演示

（一） 理论知识

控制系统是风电机组安全运行的指挥中心，控制系统的安全运行是机组安全运行的保障。各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由三部分组成：主控制器、桨距调节器、扭矩控制器（功率控制器）。变速变桨距风电机组控制回路图如图10所示。

主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解缆等，并在桨距调节器和扭矩控制器之间进行协调控制。桨距调节器主要完成叶片桨距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上，限制功率输出。扭矩控制器主要完成变速恒频控制，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率；在额定风速之上，配合变桨距机构，实现最大恒功率输出。

变速变桨距控制系统稳态运行曲线由扭矩－转速图来描述，如图11所示。从A到H为低于额定转速状态，沿一条定常叶尖速比的载荷曲线使风能捕获量达到最大；在额定转速以上，即H点达到额定扭矩，在所有更高的风速中，扭矩需求保持常数，并由桨距控制来调节叶轮的转速。在点H（此处扭矩达到最大值）和点L（此处开始桨距控制）之间允许有一小段余量，以防在低于和高于额定扭矩的控制模式之间作过度频繁的模式切换。

图12显示了用于产生桨距和扭矩需要量的控制回路，在额定值以下扭矩需要量回路有效，反之则桨距需要量回路有效。低于额定值时，速度设置点在S1与S4之间切换。在低风速下，该点在S1，扭矩需要量输出被限定在一个最大值上，该最大值由最佳叶尖速比曲线BG给出。这使得运行点循着ABG移动。高风速下，设置点变到S4，扭矩需要量输出被限定到一个最小值上，该最小值也由最佳叶尖速比曲线给出，同时使运行点循着轨迹BGH移动，使得到达QR最大值。当到达H点时，随着桨距控制回路在速度超过S5时变为有效，扭矩保持恒定，开始进行桨距控制，限制功率输出，保持额定功率。

GH Bladed软件中广泛采用PI控制应用于风电机组闭环控制器中，以x为输入量，y为输出量的PI控制器具有以下形式：

图10 变速变桨距调节控制环

图11 变速变桨调节运行曲线

图12 变速变桨控制环

其中，Kp为比例增益，Kt为积分增益，int(x)为x的时间积分。Bladed软件在变速变桨距风电机组的控制系统上内置的PI控制器有变速扭矩控制器（x=测得电机转速与设定值的偏差，y=电机扭矩需求）和变速桨距控制器（x=测得电机转速与设定值的偏差，y=桨距角需求）。专业版Bladed软件支持用户自定义的外部控制器的导入，由于本文使用的是教育版，故只能使用Bladed软件内置的PI控制器。

（二） 变速变桨距风电机组控制系统在Bladed软件中的建模

Bladed软件中的风电机组模型为变速变桨距风电机组，基本信息如表1所示，所选用的发电机为变速电机，打开Bladed软件传动链模块，选择Generator标签，发电机信息如图13所示。发电机和变频器组成的变速驱动装置是作为一个整体进行建模的。现代变速驱动装置能够接收扭矩请求并在很短的时间内对此做出响应，只要在指定限度内，在发电机气隙给出所期望的扭矩而不论发电机转速如何。故必须指定发电机的最小和最大扭矩。

对于控制系统的建模是在控制系统菜单中完成的。单击Control图标打开控制系统菜单如图14所示，本文研究对象为变速变桨距风电机组，故应在Power Production Control下选择Pitch Regulated-variable speed选择变速变桨调节，并选择Controller Dynamics定义控制器的附加参数，单击Define可以定义PI控制器的比例增益和积分增益。额定风速以下，变速风电机组通过改变与风速相对应的叶轮转速使机组保持在可能的最优叶尖速比下。额定以上则选择变桨控制，具体参数如图14所示。

（三）变速变桨距控制效果

Bladed软件中风电机组模型切入风速4m/s，切出风速25m/s，扭矩控制器比例增益为500，积分增益为250，桨距控制器比例增益为0.0246，积分增益为0.01025，经Bladed软件计算，机组功率曲线如图15所示。从图中可以看出，功率曲线光滑平稳，且在12m/s达到额定功率2MW，达到额定风速后保持2MW额定功率不变，验证了变速风电机组的功率曲线。

计算风速变化过程中，扭矩、桨距角和功率系数的变化，输出图线如图16、17、18所示。

由以上三张图可以看出控制系统中控制器的动作。如图16和图18可以看出，在低于额定风速下，扭矩控制器动作，调节所需风电机组扭矩，并且保证机组沿最大功率系数曲线运行；结合图17、18所示，当风速高于额定风速时，桨距调节器动作，调节叶片桨距，降低功率系数，以保证风电机组额定功率输出。

定义平均风速为12m/s的3D湍流风，对风电机组进行正常发电状态的动态仿真，设定仿真时间为45s，输出风速随时间变化如图19所示，计算机组功率随时间的变化图如图20所示。

图13 发电机参数设定

图14 控制系统建模

图15 风电机组功率曲线

图16 扭矩变化

图17 桨距角变化

图18 功率系数变化

图19 风速变化图谱

通过两图的对比可以看出风速围绕12m/s波动较大，最高达到16m/s，最低达到8m/s，但是风电机组功率输出围绕额定功率波动较小，均在1.85MW－2.1MW之间波动，说明变速变桨距控制系统工作效果良好，能够较好地应对风速变化而保持输出功率稳定，达到了预期的控制效果。

图20 功率变化曲线

结语

本文主要介绍了风电机组设计验证专业软件Bladed在本科教学中的应用，并列举了Bladed软件在教学过程中的应用实例，较为详尽地说明了相关理论知识、对应模型在Bladed软件中的建模以及良好的仿真结果。

在本科教学中，将Bladed软件与课本理论知识相结合进行了教学实践，发现学生的注意力更加集中，对课本知识的理解掌握更加牢固，并且活跃了课堂气氛，理论与实践相结合的教学方式更能引起同学们的兴趣。许多同学对Bladed软件产生浓厚兴趣，并积极主动学习软件并利用软件研究有关风电机组的其他问题，提高了同学们的自主学习和独立研究的能力。Bladed软件的应用在本科教学中取得了良好的效果，增加了同学们的专业技能，更有助于培养风电专业人才。

（作者单位：河北工业大学）