使用Bladed软件进行载荷计算的步骤

风力发电机组的设计是从载荷计算开始的。为了计算载荷，首先要建立风电机组模型并确定控制策略，控制策略会显著地影响载荷计算的结果。下面以1.5MW变速恒频风电机组为例，以Bladed软件进行建模。

第一步：获取叶片的气动数据。气动数据为翼型在攻角α从-180°～180°的升力系数、阻力系数和转矩系数（C_L、C_D、C_M）。图6-10所示是一组桨叶的气动数据生成的图形。

图6-10 翼型数据

第二步：按照表6-2～表6-12，逐个在Bladed软件中填入相应项，建立风电机组模型。

表6-2 风轮

表6-3 叶片

表6-4 轮毂

表6-5 变桨系统

表6-6 传动链

表6-7 停机制动器

表6-8 发电机

表6-9 锥型塔架

表6-10 机舱罩

表6-11 性能

表6-12 功率控制

第三步：定义三维湍流风场，生成湍流风模型。按照风电机组的设计标准，如IEC或GL标准等，定义三维湍流风场，并且计算生成湍流风模型。

1）生成DLC1.1、DLC1.2等正常发电工况仿真计算所需要的正常湍流风（NTM）文件（Wind file），以IECⅡA等级下6m/s为例，相关参数的设置如图6-11和图6-12所示。

图6-11 定义正常湍流风窗口1

图6-12 定义正常湍流风窗口2

2）生成DLC6.1、DLC6.2、DLC6.3、DLC7.1等停车/空转工况仿真计算所需要的极端湍流风（EWM）文件，参数设置前两步同上，如图6-13和图6-14所示。

图6-13 定义极端湍流风窗口1

按照标准定义完毕后，计算生成湍流风文件（∗.wnd）。湍流是随机产生的，为了在这些工况的仿真计算中，获取可能而且合理的极限载荷，需要分别采用3个不同的随机数种子，使用每个随机数种子时都需要随机产生15个随机风文件，获得风轮扫掠面上出现3s平均极端阵风的时间和位置都不相同的风文件，相关设置如图6-15所示。

图6-14 定义极端湍流风窗口2

图6-15 定义极端湍流风窗口3

第四步：模态分析、振动频率分析。通过对风电机组模态分析参数的设置（见图6-16），设定线性化模型（见图6-17）。运行计算后得到风力发电机组转子振动的Campbell图（见图6-18），并且分别计算出风电机组在额定风速与切出风速下的耦合模态，见表6-13和表6-14。

图6-16 风电机组模态分析参数设置

图6-17 线性化模型

图6-18 风电机组Campbell图（彩图见封二）

表6-13^① 风电机组在额定风速12m/s下的耦合模态分析

（续）

① 数据仅供参考，与后面控制器振动频率不相符。

表6-14^① 风电机组在切出风速25m/s下的耦合模态分析

（续）

① 数据仅供参考，与后面控制器振动频率不相符。

风电机组相对振动频率单位P的定义：风力发电机组风轮旋转一周需要时间的倒数，单位为赫（Hz）。

例如，风电机组风轮转速为9.6r/min时，P=9.6/60=0.16Hz。此时见表6_-13，塔架前后一阶频率（Tower fore-aft 1）为0.40Hz，即相对于风轮旋转频率为0.40/0.16=2.5P。

风力机一般有三片桨叶，所以在设计的过程中要尽量避开3P、6P、9P、12P等3P的整数倍振动频率。如果在风力发电机运行的全风速段内，出现了3P的整数倍频率，那就要看相应的阻尼比（Damping ratio），阻尼比越小，引起的共振就越大，这是在设计中需要考虑的问题，如果不可避免，就要求控制系统进行相应的调整，使运行转速避开共振区。

第五步：外部控制器的定义。外部控制器的设计在本章的第四、五节中详细叙述。

第六步：编制载荷工况。根据GL2003标准中的第四部分Load Assumptions，规定了风电机在设计时需要考虑的载荷工况，具体内容见表6-15。

表6-15 载荷工况表

（续）

（续）

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注：1.疲劳局部安全因素（Partial safety factor for fatigue strength）。

2.地震局部安全因素（Partial safety factor for earthquakes）。

① 如果没有定义切出风速v_out，就用v_ref风速代替。

② 三种载荷情况——覆冰、温度影响、地震（可能地震），由设计者根据安装场地的气象条件选用。

表6-15中缩略词的意义：

DLC：设计载荷工况（Design load case）；

ECD：极限风况+阵风+风向改变（Extreme coherent gust with direction change）；

ECG：极限风况+阵风（Extreme coherent gust）；

EDC：极限风况+风向改变（Extreme direction change）；

EOG：极限风况阵风运行（Extreme operating gust）；

EWM：极限风速模型（Extreme wind speed model）；

EWS：极限风剪（Extreme wind shear）；

NTM：正常湍流模型（Normal turbulence model）；

NWP：正常风轮廓模型（Normal wind profile model）；

F：疲劳强度（Fatigue strength）；

U：极限强度（Ultimate strength）；

N：正常+极限（Normal and extreme）；

A：反常（Abnormal）；

T：运输、安装、维护（Transport，erection，installation and maintenance）。

利用第三步的三维风模型计算出风速文件（∗.wnd），编制多种工况，充分考虑风力发电机组在各种不同工况下的载荷情况，选取最大的、最恶劣的工况作为部件设计的载荷。以DLC6.1工况为例，编制工况见表6-16。

表6-16 DLC6.1工况

读入湍流风模型后如图6-19所示，Wind direction按照偏航误差设置。同一种风，由于风种子、偏航误差等不同，要求有多个风况，所以一般需要提前计算多个风况（多个风文件，本书要求为15个）。

所有需要计算的工况都编制完成后，可试着计算几个简单的工况，如DLC6.1、DLC6.2等，检查一下计算模型是否正确。正确的话就完成所有的工况计算。

第七步：后处理。疲劳、极限、频谱分析等。经过第六步后，通过Bladed功能强大的后处理，得出想要的结果。现以计算塔架根部的载荷极限为例。

图6-19 读入湍流风速文件

1）定义要处理的变量，如图6-20所示。

图6-20 定义变量

2）定义要处理的载荷工况，如图6-21所示。

3）定义载荷工况组的安全系数，按照GL标准，设置极限载荷的安全系数为1.35，如图6-22所示。

4）Bladed自动处理后得出结果，见表6-17。

图6-21 定义要处理的载荷工况

图6-22 设置安全系数

表6-17 塔架根部极限载荷

（续）

5）坐标定义。

①桨叶坐标，如图6-23所示。

②轮毂坐标，如图6-24所示。

图6-23 桨叶坐标

Z_B—沿叶片（桨距）轴指向叶尖 X_B—垂直于Z_B指向下风方向 Y_B—根据右手定理，垂直于Z_B和ZB

图6-24 轮毂坐标

风轮静止时：

X_N—沿主轴指向下风方向 Z_N—垂直于X_N，和叶片1一起在垂直平面内指向上方 Y_N—根据右手定理，垂直于Z_N和X_N，沿水平方向

风轮转动时：

X_N—沿主轴指向下风方向 Z_N—垂直于X_N，和叶片1一起转动，如果锥角为零则与翼展方向相同 Y_N—根据右手定理，垂直于Z_N和XN

③塔架坐标，如图6-25所示。

第八步：检查是否正确，生成报告文件。首先，按照第七步，逐个计算出相应点的载荷，再回到第五步进行控制器优化，修正相应的控制算法和控制参数，检查设计的载荷工况，再次进行计算；然后把多次计算的结果进行比较，得出最优的计算载荷，同时也确定了控制策略；最后再对部件提出载荷要求。整个过程是螺旋上升的过程，具体流程如图6-26所示。如计算出塔架根部的载荷，可以设计基础及塔架的法兰；计算出桨叶根部的载荷，可以提出变桨轴承的载荷要求等。经过一系列的计算，可以得出各个部件的相应的载荷要求，最后形成统一的载荷报告。

图6-25 塔架坐标

X_T—指南方向 Z_T—垂直于风向 Y_T—指东方向

图6-26 Bladed计算过程

载荷报告一般包含以下内容：

1）该风力发电机的技术描述；

2）载荷计算的依据和方法；

3）设计工况；

4）极限载荷；

5）疲劳载荷；

6）外部控制器参数设置；

7）整机的计算模型设置。