利用LMS SWT软件进行风电机组载荷计算

1 前言

       风电机组载荷计算是风电机组设计的第一步，得出的载荷结果用于作为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风电机组的设计至关重要。目前一般用多体动力学方法建立机组仿真模型来进行风机的载荷计算，仿真模型中将传动系简化为单自由度模型，只考虑传动系统的扭转自由度而不考虑俯仰等其它方向的自由度，叶片、塔架等机组结构部件只考虑其质量、惯性矩和阻尼等参数。

       近些年来由于市场的需求风电机组的设计容量在不断增加，导致风电机组的结构部件尺寸不断加大。这样整个风机系统重量增大，系统变柔，固有频率降低，低频成分增加；同时风机的主要部件叶片和塔架属于细长型结构体，自身柔度大，极易发生振动；此外大容量机组带来的传动系统刚度降低，使它非常容易受风轮振动和塔架振动的影响。

       如果还沿用以前的载荷计算方法，采用过多的假设条件，考虑的自由度相对较少，这样容易导致计算模型不精确。可能会丢失其它方向的重要信息，使得载荷计算结果不够精确，从而可能忽略影响风机安全的重要问题。

       基于以上原因，北京鉴衡认证中心联合比利时LMS公司，利用LMS SWT软件，采用多体动力学和有限元相结合的方法，建立非线性的风电机组系统级仿真模型，并针对大型风电机组传动系统动态特性进行研究。

       本文利用LMS SWT软件进行风机参数化建模和载荷计算，并和Bladed软件计算结果进行比较，用以验证利用LMS SWT软件计算风机载荷的有效性。

2 载荷计算方法

       2.1 LMS SWT软件

       LMS SWT软件计算版本为SWT V3.2，如下图所示：

       软件采用基于有限元方法的柔性多体动力学和基于动量一叶素理论描述的空气动力学。有限元方法被延伸到能考虑自由度之间的关系以使其能产生运动，这种理论联合Newmark法和HHT时间积分法，能为包含刚性单元、超单元和有限元单元部件的复杂模型建模和求解，这正适合于风机这样的包含机械和控制的复杂系统。

       同时采用自主开发的Areo单元来计算作用在叶片上的空气动力载荷，通常，叶片被离散为若干截面，每个截面赋予相应的空气动力、几何、弹性和机械特性。这种特定单元补充了动量一叶素理论，包含了来自实际风场的大气湍流模型、塔影效应、离地面不同高度的风剪切效应和叶片之间相互作用产生的影响等。

       风电机组的控制系统利用在线的软件控制方法，可以接入内部或者从Matlab等仿真工具外部导入的控制算法。完成机电耦合的风电机组仿真模型。

       2.2 Bladed软件

       Bladed软件为GL开发的用于风电机组载荷计算软件，基于叶素一动量理论，用多体动力学方法进行载荷计算。本次载荷计算软件版本为V4.2，如下图所示：

3 载荷计算

       3.1 机组建模

       本次载荷计算选取某1.5MW风力发电机组，机组基本参数见表1。机组主要部件的建模方式如下。

       3.1.1 叶片建模

       叶片选择梁单元。两种软件建模方式一致，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，即可完成对叶片的建模。LMS SWT软件中需要先建立连接点(connecters)并给出坐标值，便于后续的模型装配。

       3.1.2 塔架建模

       塔架建模选择梁单元，LMS SWT软件按每段塔架为单位进行，输入各段塔架的上下端面结构尺寸和材料物理属性并选择分段段数，本次建模选择6段。Bladed软件是直接输入各焊接端的结构尺寸和材料物理属性。

       对于塔架法兰的建模，LMS SWT软件是直接建模，Bladed软件中通过增加点质量的方式仿真。

       3.1.3 传动链建模

       传动链建模考虑主轴、高速轴的刚度和阻尼，同时齿轮箱弹性支撑对机组动态特性有重大影响，仿真中也加以考虑，将其模拟成一个弹簧，给出等效刚度和阻尼。两种软件建模方式一致。

       3.1.3 控制器建模

       载荷仿真中两种软件均通过调用外部控制器(.dll)对机组进行运行控制。

       3.1.4 其他建模

       其他结构部件如机舱、轮毂等结构部件的质量何转动惯量信息两软件中均可直接输入。

       3.2 工况定义

       对比计算中选取了表2所列工况进行计算。

       3.3 计算说明

       本次计算中，动态失速模型采用Beddoes-Leishman，叶尖损失和轮毂损失采用Prandtl，并考虑动态尾流影响，均考虑了塔影效应和风剪切的影响。对于风轮不平衡（气动和质量）和机械损失，本次计算未考虑。

4 结果比较

       4.1 模态分析

       以下表格列出了机组的基本模态（叶片和塔架）对比结果。通过对比发现，模型叶片和塔架的频率差异均在5%以内，但塔架的扭转频率不同软件计算结果差异较大。

       4.2 Cp曲线计算

       根据计算结果，本机组从从切入风速到切出风速，其叶尖速比范围为3.77-11.3。选取叶尖速比3-10进行机组CP值比较，如图5所示。

       根据比较结果，两种软件计算出的气动计算结果基本吻合。在叶尖速比3-4范围稍有差异。

       4.3 稳态风计算结果比较

       以下列出了DLC2.1(v=6m/s)稳态风工况结果数据对比。

       转速、气动扭矩和叶根载荷结果吻合较好，但塔架载荷有较大差异。

       经比较两种软件对于塔架阻尼的定义稍有不同。LMS SWT软件中是通过定义塔架材料阻尼系数来完成塔架结构阻尼的定义，软件会根据用户定义的材料阻尼系数自动计算塔架的整体结构阻尼比。而Bladed软件允许用户直接定义塔架的整体结构阻尼比系数，这样就需要进行相关的转化。

       4.4 湍流风计算结果

       以下列出了DLC2.2(v=6m/s)湍流风工况结果数据对比。

5 结论

       本文利用LMS SWT软件建立了参数化的某风力发电机组仿真模型，针对不同的工况条件，进行了风力发电机组的载荷计算，并与Bladed软件在同种风力发电机组，同种工况条件下的计算结果进行了对比。通过对比发现：

       (1)LMS SWT软件的风电机组的模态计算结果、Cp曲线计算结果和载荷计算结果与Bladed软件的计算结果基本一致。

       (2)LMS SWT软件中对塔架结构阻尼的定义与Bladed软件定义不同，需要做转化后再进行输入。

       (3)LMS SWT软件采用多体动力学和有限元相结合的方法，建立参数化的非线性风力发电机组建模方式和流程化的工况条件定义，相较于GHBladed软件的线性化风电机组模型，不仅可以帮助用户方便快捷的完成风力发电机组的载荷分析计算，而且可以使用户在进行风力发电机组的初始设计与改型设计时，准确理解设计参数的意义，及时发现设计中存在的缺陷，从而获得现实可行的设计方案。