风电机组实测载荷与Bladed仿真对比﹡

文／文茂诗 韩花丽

风电机组实测载荷与Bladed仿真对比﹡

文／文茂诗 韩花丽

在风电行业，设计载荷往往依据软件的仿真分析所得，而对实际机组载荷与仿真载荷的差异并未有太多考虑,完整做完载荷测试的整机并不多。

鉴于海装机组具备2.0MW某机组的完备测试数据及完整的设计数据，具备相应的测试与仿真反求的条件。故在开发新机组之余，为弄清楚设计数据与机组实测数据的差异，本文以德国风能研究所DEWI的测试数据为依据，采用GH Bladed 3.82软件进行相应工况的仿真对比，通过分析二者的差异，为测试与仿真反求提供一定的参考依据。

环境参数确定

为使bladed仿真载荷与DEWI实测载荷具有可对比性，在确保风电机组参数一致的基础上，必须使bladed仿真分析所使用的环境参数（包括：风速、风向、风切变、空气密度等）与DEWI实测时相同，确保工况的可比性。

一、环境参数的获取

本文仿真所使用的空气密度通过实测温度和气压进行计算；风切变为DEWI提供数据的平均值；风速和风向采用测风塔轮毂高度处的实测值。

二、风速处理

鉴于实测风速为平面内的合成风速，而风向为绝对风向，故首先进行风速和风向的数据处理，保证输入源的一致性。

由于机舱本身存在一定的偏航角度，结合测风塔处的绝对风向，可以得到相对风向。在此基础上，根据bladed软件湍流风的输出特点，对实测风速进行一定的数据处理，即可得到与实测数据一致度较高的UV风速及湍流值。

三、风速结果对比

由于自然界风多为湍流风，对风电机组而言，U（纵向）V（横向）向风速所起的作用存在较大差别，对整机载荷都是不可忽视的。故本节根据1.2节简述的方法，对大量对比工况的测试风速风向数据进行的处理，并使用bladed软件生成相应的UV向风速，二者的时序数据对比如图1和图2所示。

Bladed仿真所得UV向风速的统计值与实测的统计值见表1。

数据处理

一、测试工况提取

为尽量减小不确定因素所带来的误差，本文选用机组正常发电且不偏航的工况进行仿真分析。

在6m/s－16m/s风速段内，间隔2m/s为一风速区间；在风向可用扇区内，间隔20°为一风向区间。对2000多组工况（单个工况10分钟），进行Bin区间划分，提取所需的工况共计237个，用于bladed软件的载荷仿真。

二、不确定因素分析

因极限载荷发生于极限工况，或某些瞬态条件。而测量时诸如N年一遇大风的极限工况、极端风况下的电网掉电或机组故障都很难发生。并且测量得到的风模型与实际风模型存在以下差异：

（1）修正的轮毂处风速与实际轮毂处风速存在误差（约5%）；

（2）轮毂处的风速不能代表整个风轮的风速特征；

为准确对比仿真载荷与测试载荷的差异，本文采用对比统计结果的方法进行处理。

三、仿真结果处理

以塔底My方向载荷为例，取各个工况的平均值绘制分布图3。

由图3可见，由于风速测量的不确定性，造成测试的塔底My载荷均值在Bladed均值的上下波动。为此，采用公式（1）进行数据的拟合。

y=p1·x5+p2·x4+p3·x3+p4·x2+p5·x1+p6·x0(1)

拟合后的结果如图4所示，从图4中可以看出，软件仿真结果与实测结果保持了较高的近似性。将测试结果与仿真结果的均值再取平均后做比较，比值为1.0267。

表1 Bladed仿真所得UV向风速的统计值与实测值对比

载荷比较结果

对第二章所提取的237个工况，使用bladed软件进行仿真处理，提取叶片挥舞和摆振，塔筒顶部扭转，主轴扭转，塔筒底部Mx、My的载荷，采用拟合方法进行数据处理，结果如图5－图16。

载荷分布图中的点表示每个工况的统计结果，最大值、平均值、最小值分别用“. ”、“o”、“+”标示；测试数据为红色，仿真结果为蓝色；横坐标为风速（单位：m/s），纵坐标为载荷（单位：Nm）；标题中的数据表示，实测数据与仿真数据的平均值的平均值之比。

曲线拟合图，为各载荷平均值的5次曲线拟合结果，测试数据为红色，仿真结果为蓝色，横坐标为风速（单位：m/s），纵坐标为载荷（单位：Nm）。标题中“测&仿”表示测试数据与仿真数据的相关系数，“测”表示测试数据点与所拟合的测试曲线的相关系数，“仿”表示仿真数据点与所拟合的仿真曲线的相关系数。

edge载荷均值分布十分接近，但因其均值接近于0，从而导致实测与仿真均值之比的偏差为1.0546，通过分布图可以看出，叶片根部的实测载荷与仿真结果十分接近。

从主轴扭矩的拟合曲线可以看出，实测的扭矩略低于仿真结果，容易知道这是由于齿轮箱损耗和发电机损耗模型偏高所致，同时这也是一种偏保守的处理方法。如何通过测试结果获得准确的损耗模型，是下一步仿真反求的工作内容。

图1 U方向风速对比（黑色Bladed生成、红色实测数据）

图2 V方向风速对比（黑色Bladed生成、红色实测数据）

图3 塔底My均值分布示例

图4 塔底My均值回归分析示例（塔底My测&仿0.91 测0.9 仿0.99）

图5 叶片摆振载荷分布（叶片摆振 实测／仿真：1.0546）

图6 叶片摆振载荷 5次曲线拟合（叶片摆振测&仿0.89 测0.92 仿0.98）

图7 叶片挥舞载荷分布（叶片挥舞 实测／仿真：1.0438）

正常发电时塔底Mx载荷受风速和偏航误差角共同影响误差较大，且该载荷值本生较小，对误差敏感性较高，所得结果差异较大。通常而言，该方向载荷不是正常发电时候的主导载荷。

从分布图可以看出，塔顶Mz载荷差异较小，但因其均值过于接近0，故均值的比较差异较大，拟合结果不理想。

图8 叶片挥舞载荷 5次曲线拟合（叶片挥舞测&仿0.93 测0.93 仿0.98）

图9 主轴扭矩分布（主轴扭矩 实测／仿真：0.94686）

图10 主轴扭矩 5次曲线拟合（主轴扭转测&仿0.95 测0.95 仿0.99）

图11 塔底Mx载荷分布（塔底Mx 实测／仿真：0.21888）

图12 塔底Mx载荷 5次曲线拟合（塔底Mx测&仿0.15 测0.18 仿0.93）

图13 塔顶Mz载荷分布（塔顶扭矩 实测／仿真：0.35051）

图14 塔顶Mz载荷 5次曲线拟合（塔顶扭转测&仿0.01 测0.31 仿0.59）

图15 塔底My载荷分布（塔底My 实测／仿真：1.0267）

图16 塔底My载荷 5次曲线拟合（塔底My测&仿0.91 测0.9 仿0.99）

结语

本文从2000多组实测数据中，筛选出237组正常发电工况，用于bladed软件的仿真分析，通过仿真结果与实测结果的对比，分析二者的差距，所得基本结论如下：

（1）叶片挥舞和摆振方向，塔筒底部My、Mz方向，以及主轴扭转方向，仿真的载荷结果与实测数据基本一致。

（2）正常发电时塔筒底部Mx载荷，仿真结果与实际不一致。

（作者单位：国家海上风力发电工程技术研究中心）

国家能源局应用技术研究及工程示范项目（NY20110404-1）