GHBladed理論手冊資料

GHBladed理論手冊

1.緒論

目的

GHBladed是一個關于風力發(fā)電機性能和負載計算的集成軟件包。應用于以下方面：

?風力發(fā)電機初步設計

?詳細設計及部件規(guī)范

?風力發(fā)電機的驗證

本軟件有著尖端的用戶繪圖界面，允許用戶直接完成下列任務：

?所有風機參數(shù)，風速輸入和載荷的規(guī)范。

?穩(wěn)態(tài)特性的快速計算，包括：

O空氣動力學數(shù)據(jù)

O性能系數(shù)

O功率曲線

O穩(wěn)定運行載荷

?穩(wěn)定停機載荷

?完成以下動態(tài)仿真：

?正常運行

O啟動

O正常與緊急停車

?空轉

?停車

?動態(tài)功率曲線

?所得結果的后期處理：

?基本統(tǒng)計

O周期分量分析

?概率密度，峰值和平面交叉分析

O譜分析

?交叉普，一致性和傳遞功能分析

O雨流周期計算和疲勞分析

?變量的集合

O產(chǎn)生的年功率

?最終載荷（惡劣狀況的可鑒別性）

?嚴重閃變

?陳述：結果可以以圖解形式描述或整理成文字報告。

理論背景

GH計算風機性能和載荷的方法已經(jīng)研發(fā)了好多年。這種主要的研發(fā)目標已經(jīng)取得了用

于風機設計和驗證的可靠工具。

本軟件中的模型和理論方法已經(jīng)通過許多不同型號和配置的風機的監(jiān)控數(shù)據(jù)被加以驗證泡

括：

?WEGMS-1,UK,1Q91

?HowdenHWP300andHWP330,USA,1993

?WCN25mHAT,Netherland,1993

?Newinco500Kw,Netherland,1993

?Nordex26m,Denmark,1993

?NibeA,Denmark,1993

?HolecWPS30,Netherlands,1993

?RivaCalzoniM30,Italy,1993

?Nordtank300KW,Denmark,1994

?WindMaster750kw,Netherlands.1994

?Tjaereborg2MW,Denmark,1994

?ZondZ-40,USA,1994

?Nordtank500KW.UK.1995

?VestasV27,Greece,1995

?Danwin200kw,Sweden,1995

?Carter300kw,UK,1995

?NedWind50.1MW,Netherlands,1996

?DESA,300KW,Spain1997

?NTK600,UK,1998

?WestMedit,ltaly,1998

?Nordex1.3MW,Germany,1999

?TheWindTurbineCompany350kw,USA,2000

?Windtec1.3MW,Austria,2000

?WEGMS-4400KW,UK,2000

?EHN1.3MW,Spain,2001

?Vestas2MW.UK,2001

?Lagerwey750Netherlangds,2001

?Vergnet200,France2001

這些文獻描述了GHBladed軟件中不同模型和具體的數(shù)字方法的理論背景。

支持

GHBladed軟件提供一年的維護和支持協(xié)議，本協(xié)議可持續(xù)更新。這項支持包括使用

電話的熱線幫助服務，傳真或電子郵件：

電話：+44(0)1179729900

傳真：+44(0)1179729901

E-mail:bladed@bristol.garradhassan.co.uk

1.4文件

除了本理論手冊，還有GHBladed用戶手冊用以介紹編碼的使用。

1.5感謝

發(fā)展于JOULEII項目下的GHBladed得到了歐洲協(xié)會的代理的幫助，其項目編號為

JOU2-CT92-0198o

2.空氣動力學

由本公司提供的風輪空氣動力學的建模是以對組合葉素確定一個好的處理和動力理論

為基礎的。動力理論的兩個主要的擴展是用來選擇編碼以處理空氣動力學的不穩(wěn)定性。這兩

個擴展中的第一個允許尾跡的動力學的使用，第二個通過使用一個失速滯后模型給出動力學

失速的陳述。

下面給出由Bladed提供的風輪的空氣動力學的運用的不同方面的理論背景。

2.1組合葉素和動量理論

由Bladed提供的空氣動力學模型的核心是組合葉素和動量理論。風輪空氣動力學的運用的

特點描述如下。

2.1.1起動圓盤模型

為了幫助理解組合葉素和動量理論，開始時將風輪看作是一個起動圓盤是非常有用的。

盡管這一模型非常簡單，它還是為風輪的空氣動力學提供了頗有價值的視野。

風力發(fā)電機是通過在穿過風輪橫掃面的靜壓產(chǎn)生一個級變來從風中吸取能量的。當氣流

到達風輪時它逐漸降速，導致靜壓得降低，通過風輪圓盤的靜壓的減少導致了后面的氣流形

成了一個次級氣壓。當氣流為下風向時，氣壓就會爬回到導致風速進一步降低的氣流值。

因此風的動能就會減少，而這些動能是可以由發(fā)電機轉化為有用能的。

在以上描述的起動圓盤模型的過程中，在風輪圓盤的風速U”與上風向的風速有下

面的聯(lián)系：

力=0-也

在風輪圓盤處減小的風速明顯的由。的大小決定，。是軸向流動感應因數(shù)或流入因數(shù)。

通過應用Bernoulli等式并假定流動是均衡的和不可壓縮的，由風輪所產(chǎn)生的功率P可由下

式給出：

此處p是空氣密度，A是風輪圓盤的面積。

作用在風輪圓盤上的推力T可近似有下式給出：

r=2pAU02a(j)

無星綱的功率和推力因數(shù)，C〃和分別表示如下：

2

CP=P/{^pAU(^=4a(\-a)

CT=T/(y2pAU^=^a(\-a)

功率因數(shù)的最大值是16/27,此時。等于1/3,這是由Betz限制得到的。

推力因數(shù)C/?的最大值是1,此時。是1/2。

2.1.2尾流旋轉

上面所用的起動圓盤的概念允許從風中吸取能量的估計而不考慮由風輪所吸收的轉化

成風輪的轉矩Q和角速度。的那部分能量。風輪轉矩必須產(chǎn)生一個與對應風速角度動量變

化率相等，并因此降低氣流切線方向的速率。根據(jù)切線方向氣流感應因數(shù)〃可以明確確定

切線方向的速率的變化。風輪圓盤上風向的切線速率是3,在半徑為r的風輪的圓盤上的切

線速率是。，a,遠離下風向的切線速率是因為切線速率反作用于轉矩上，所以它

與葉片的運動是相對的。

風輪所產(chǎn)生的轉矩與角度變化成比例可以表示如下：

Q=7ipR4(\-a)aU^

2.1.3葉素理論

組合葉素和動量理論是上述起動圓盤理論的拓展。風輪葉片被分成許多的葉素，前面描

述的理論并不是將風輪圓盤作為一個整體來應用，而是應用在每一個葉素所掃略過的一系列

圓環(huán)上。并且假定每一個圓環(huán)都是作為一個獨立的起動圓盤以相同的方式起作用。在每一個

徑向位置上軸向和角度動量的變化率與每一個葉片元素所產(chǎn)生的推力和轉矩相等。

半徑為「處長度為dr的葉素所產(chǎn)生的推力4T為：

2

dT=%pW(CLcos</)+CDsin(/))cdr

其中W是葉素的視在風速向量的模，。是入射角，指定了相對于葉片旋轉平面的視在風速

矢星的方向,c是葉素的弦，G和C〃分別是升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

機翼的升力和阻力系數(shù)由下式確定：

2

CL=L/^pVS)

2

CD=D/^pVS)

其中L和D是升力和阻力，S是機翼的俯視面積，V是相對于機翼的風速。

半徑為r處長度為力?的卜素所產(chǎn)生的轉矩dQ為：

2

dQ=%pWr(CLsin^-CDcos(/))cdr

為了解決適合特殊葉素徑向位置的軸向與切線氣流感應因數(shù)，葉素所產(chǎn)生的推力和轉矩與通

過葉素掃略的圓環(huán)的軸向和角度動量的變化率相等。應用軸向和角度動量的表達類似于上面

2.1.1和2.1.2部分的起動圓盤，環(huán)形感應系數(shù)表述如下：

a=gj(l+gj

。=?/(1一&2)

其中

,_Be(Gcos0+G)sin0)H

的271r4Fsin2

Be(C\sin°—CDcos。)

271r4Fsin^cos^

此處B是葉片的數(shù)量，F(xiàn)是考慮到葉尖和輪轂損耗的因數(shù)，參考2.1.4部分。

參數(shù)H定義如下:

當440.3539時，//=!.()

4a(l-〃)

當時，

a>0.3539H=(0.6+0.61。+0.79。2)

當軸向感應系數(shù)。大于0.5時，風輪過載并運行在“湍流尾流狀態(tài)”。在此條件下2.1.1部分

所展現(xiàn)的執(zhí)行圓盤理論不再有效，推力系數(shù)的表達式：

CT-4a(l-a)

必須由經(jīng)驗表達式取代：

CT=0.6+0.616/+0.79

Bladed葉素理論的實現(xiàn)是基于經(jīng)驗模型的a值大于0.3539而不是0.5的變換。這一策略導

致了兩種氣流狀態(tài)模型之間的平滑轉換。

a與/所展現(xiàn)的等式只能給出迭代格式。其過程包括給出a和，的初始估計值，計算作為a

和a1函數(shù)的參數(shù)&和g?，然后用上面的等式來修正a和a'的值。一直持續(xù)這個過程直到〃

和,達到要求的值。在Bladed中假設下面的情況下才會得到解：

a'k-<-i4，。1

其中tol是用戶所允許的空氣動力公差值。

2.1.4葉尖與輪轂損耗模型

風機風輪的尾流在每一個風輪葉片之后形成一個漩泗。因此在風輪盤面上固定點的感應

速率不是時間常數(shù)，而是在每一個葉片的通道之間波動，旋轉片的槳距越大，葉片的數(shù)量越

多，感應速率的變化量就越大。整體效果就是減少純動量變化并因此減少純發(fā)電功率。如果

感應系數(shù)。定義為葉片通過風輪盤面的一個給定點時的瞬時值，在那一點的平均感應系數(shù)將

是，此處F,是一個低于整體的系數(shù)。

通過與在航空機翼的葉尖上相同的方式，尾流漩渦將葉片葉尖上的流通降低到0。因此，

在葉尖上系數(shù)F,?是0。按照航空機翼的類推，這一降低是由來自葉尖痕跡的漩渦造成的，￡

作為葉尖降低系數(shù)。

Prandtl[2.2]采用一種方法來處理這種螺旋槳理論。結果，遠離尾流，螺旋渦流平面可

以由實心盤面代替，調(diào)整相同的槳距為以尾流速度移到下風向的連續(xù)旋轉片之間的正常的問

距。

尾流之外的流速是自由氣流值因此要比盤面上的快。在盤面的邊緣，最快的自由氣流其

波形彎曲介于兩者之間，故造成了盤面之間的平均軸向速率要比盤面本身的速率高，因此要

模擬動量改變的降低。

系數(shù)F,可以表示如下：

E二%arcco{exp（一%）|

此處s是來自風輪葉片的葉尖處半徑的距離d是兩個連續(xù)螺旋片的距離。

同在葉尖處相似在葉片的根部也發(fā)生了類似的降低，氣流一定降到0,因此渦流被拖到

尾部，可計算出獨立的輪轂降低系數(shù)乙,在葉片任何乳位的有效高度降低系數(shù)為：

F=FE

結合的葉尖和輪轂降低系數(shù)被用在上面2.1,3部分提到的葉素理論的等式中。

2.2尾流模型

2.2.1平衡尾流

對于風機性能的時域動態(tài)模擬的葉素理論的應用是假設尾流瞬時起作用于葉片載荷的

變化。這種處理被認為是一種平衡尾流模型，涉及在每一個風輪葉片的每一個元素和動態(tài)模

擬的每一個時間步長的軸向和切線的感應系數(shù)的重新計算?；谶@種處理沿每一個葉片的誘

導速度可以以瞬時解的形式求得其在特殊氣流條件和每一個葉片的每一個元素所承受的載

荷下的解。

很明顯，在葉素理論的說明中特殊的葉素軸向與切線方向感應速率隨時間而變化且在由

葉素掃略的環(huán)面里并非常數(shù)。

葉素理論的平衡尾流處理是此處所描述的三個處理中最要求計算的。

2.2.2靜態(tài)尾流

在靜態(tài)尾流模型中，對于統(tǒng)一風場在平均輪轂高度處的模擬風條件下的風速苴軸向與切

線方向的誘導速度是通過使用葉素理論來計算的。根據(jù)平均，統(tǒng)一的氣流條件計算的誘導速

率被假定是固定的或者在時間上是靜態(tài)的。沿葉片方向從一個葉素到另一個葉素的誘導速率

是不同的但在由葉素掃略的環(huán)面里卻是常數(shù)。因此，每一個葉片經(jīng)歷著相同的相同的誘導氣

流的徑向分布。

注意到此處的靜態(tài)對象是軸向和切線方向的誘導速率和，乂2而不是感應系數(shù)。

和，是非常重要的。

2.2.3動態(tài)尾流

誠如以上所描述的，平衡尾流模型假設尾流和誘導速率流場在葉片載荷中同時發(fā)生變

化。另一方面，靜態(tài)尾流模型假設誘導流場在瞬時風條件和葉片載荷中其變化是完全獨立的。

實際上這些處理嚴格來說沒有一種是正確的。葉片載荷的變化改變了風輪尾流拖拉而成的漩

渦，這些改變的整體效果花費了有限的時間來改變誘導流場。與此方法相關的動態(tài)一般是被

作為“動態(tài)注入”。

動態(tài)注入的研究始于40年前的直升機空氣動力學的文章。簡單來說，這一理論提供了

一種描述風輪載荷所經(jīng)歷的誘導流場的動態(tài)相關性。Bladed所用的動態(tài)注入模型是以在直

升機領域已經(jīng)得以真實確認的Pitt和Peters的論文為基礎的，參考舉例Gaonker等[2.4]O

Pitt和Peters模型的最初發(fā)展是對于一個啟動盤，假設此啟動盤涉及穿過盤面的入流

的分布。在Bladed里，既然這個模型避免了任何關于穿過盤面的人流的分布的假設，因此

它被用在葉素和啟動輪等級中。

由半徑與和&所確定的葉素需要以風速，基本推力，47來均勻軸向氣流，表達式

如下：

dT=2U^atn+U[ymAd

其中m是流過環(huán)面的質量，加八是環(huán)面作用的外觀質量，a是軸向感應系數(shù)。

流過換面葉素的質量由下式給出：

tn=pU^(\-a)dA

其中4A環(huán)面的橫截面積。

對于半徑為R的圓盤，它所作用的外觀質量基本上是通過勢論，Tuckerman[2.5]給出的：

%=%。斤

因此與環(huán)面相關的推力系數(shù)表達如下：

二4&\16（凡3一靡）

’3叫）（R；一R：）

因此微分等式可以用來代替葉素理和動量理論等式計算軸向入流。等式在每一個步長

上積分已給出葉片上葉素的入流值所確定的時間。切線方向的入流用常用的方式就能得到，

因此它依賴于軸向值所確定的時間。已經(jīng)證明等式將一個時間滯后引入由徑向位置所確定的

入流的計算中。

可能對于每一個在這種方式下計算的葉素來說時間滯后值將低估動態(tài)人流的某些效

果，比如單獨處理一個葉素而不考慮尾流的三維性或者葉尖渦流的可能的支配效果。然而這

種處理是與葉素理論相一致的，它提供了一個簡單、計算便宜并可靠的風輪尾流和誘導速度

流域的模擬動態(tài)的方法。

2.3靜態(tài)失速

關于旋轉風力發(fā)電機葉片的空氣動力學失速的一般理解的陳述及一定的延伸依然比較

少。考慮到相對于工業(yè)來說失速的重要性這便成為一種非常特別的情形。

由于三維的入射流場風輪葉片的艙內(nèi)部分的失速延遲已經(jīng)通過模型和實體的測量得以

全面驗證。許多半經(jīng)驗模型已經(jīng)發(fā)展成校正二維機翼數(shù)據(jù)來計算失速延遲。盡管這種模型被

用在失速調(diào)節(jié)風輪的設計分析上，但是現(xiàn)在，應用于大部分的機翼部分和風輪結構的綜合有

效性比較薄弱。因此，Bladed并沒有具體的機翼數(shù)據(jù)修正模型來處理失速延遲，但是用戶

能夠應用任何他認為較先前輸入編碼合適的機翼數(shù)據(jù)的修正。

2.4動態(tài)失速

失速及其結果對于大多數(shù)動力學設施的設計和運行是非常重要的。大多數(shù)傳統(tǒng)航空力學

的應用都是通過很好的控制在所用機翼的靜態(tài)失速角之下來避免失速的。然而，直升機與失

速調(diào)節(jié)的風輪機運行的狀態(tài)，此狀態(tài)為至少他們的風輪葉片有一部分是在失速狀態(tài)。確實失

速調(diào)節(jié)風力發(fā)電機依靠機翼的失速行為來限制風輪在高風速時的最大功率輸出。

一定的不穩(wěn)定度總是伴隨著高度沖擊時機翼上面的湍流。經(jīng)歷不穩(wěn)定狀態(tài)的提升表面的

失速比靜態(tài)失速更復雜。

在傾角快速增長的振蕩機翼上，失速的起始時間可以延遲到傾角大大超過靜態(tài)失速角。

然而，當動態(tài)失速發(fā)生時，通常要比靜態(tài)失速更加嚴重?？諝鈩恿εc力矩相對于沖擊的瞬態(tài)

角呈現(xiàn)出很大的滯后，尤其是當振蕩為接近于靜態(tài)失速角的平均角。對于直接，唯一的流場

調(diào)整的準穩(wěn)定狀態(tài)，傾角的每一次變化都呈現(xiàn)出非常重要的差異。

許多預測機翼部分動態(tài)失速的方法已經(jīng)得以發(fā)展，主要用于直升機行業(yè)。

采用的包括機翼的不穩(wěn)定性在內(nèi)的方法取自Beddoeso發(fā)展Beddoes模型用于直升機

風輪性能計算，并且對于用于直升機風輪的機翼部分的動態(tài)風道測試已經(jīng)闡述了很多年。已

經(jīng)被Harris和Galbraith等公司成功用于垂直軸風力發(fā)電機的行為預測。

Bladed中所用的模型是Beddoes模型的發(fā)展，已經(jīng)被幾種風力發(fā)電機的失速調(diào)節(jié)的測

量得以驗證。此模型可利用以下在［2.8］中描述的模型元素來計算非穩(wěn)定升力系數(shù)。

?附加氣流的模擬的階躍響應功能

?單獨葉片后緣和渦流升力的模擬的時間滯后基爾霍夫公式

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單獨機翼前緣的模型應用在水平軸風力發(fā)電機上并不合適，水平軸風力發(fā)電機

的機翼特性由逐次葉片后爆失速支配。

在單獨葉片后緣的發(fā)展的時間延遲是一個Bladed執(zhí)行模型的用戶定義參數(shù)。時間滯后

包括對于變化沖擊角的壓力分布和界面層的響應的延遲。時間延遲的大小直接與升力系數(shù)的

滯后等級有關。

應用伴隨升力系數(shù)的計算所確定的有效的不穩(wěn)定沖擊角的半穩(wěn)定輸入數(shù)據(jù)來計算阻力

矩和俯仰力矩。

3結構動力學

工業(yè)發(fā)展早期，風力發(fā)電機的設計采用的是受結構動力學影響的半靜態(tài)空氣動力學計

算，這種影響或者被徹底忽略或者通過估計動態(tài)放大因數(shù)的使用而誘導出。從1970年以

后科研人員開始考慮動態(tài)分析的更可靠的方法，因此得到兩個基本方法：有限元表示和模態(tài)

分析。

標準的慣例應用處理結構動力學問題的商業(yè)有限元分析編碼在風機中還存在一定的問

題。這是因為結構的一部分的總的運動，風輪，至于另一部份則為塔架。標準有限元軟件包

只用于考慮對于一個平均的不可取代的位置發(fā)生運動的結構，鑒于此對已經(jīng)發(fā)展起來的風機

的有限元模型進行了特別構造來處理這個問題。

作為設計計算基礎最普遍的應用的風機動態(tài)模擬形式是包括一個模態(tài)表示。這種方法借

鑒于直升機行業(yè)，其最大優(yōu)勢就是它提供了一個相對少自由度的風機的動力學的可靠表示。

用于表示特殊風機的動力學的模態(tài)自由度的數(shù)量及類型取自設備本身的外形及結構。

現(xiàn)在，在很大程度上因為拓展的計算機程序要求結合有限元模型的應用，在設計分析風

機動力學模擬的文章中藝術情形是基于自由模特模型的有限度數(shù)的使用。Bladed中風機結

構動力學的表示是以一個模態(tài)模型為基礎的。

3.1模態(tài)分析

因為相對于塔架支撐結構的風機的葉片的旋轉，描述其動力學的運動方程含有周期系

數(shù)。周期性意味著作為一個完整的結構實體一臺運行的風機的模態(tài)特性的計算不可能使用商

業(yè)有限元編碼提供的標準特征分析。

解決此問題的一種方法是用弗洛蓋分析來確定周期系統(tǒng)的模態(tài)特性。然而，由這種計

算所獲得的模式非常復雜且不能直接用于強制響應分析。

取而代之的方法是以“元件模式和成”為基礎的。此處風機旋轉與非旋轉部件的模態(tài)特性

獨立計算。在強制響應分析中元件模式由風機運動等式的適當?shù)墓奖磉_連接起來。這一方

法已經(jīng)被Bladed所采用。

3.1.1風輪模式

風機風輪的錐形與螺旋形的葉片的振動是一個很復雜的現(xiàn)象。表示這一振動的經(jīng)典方法

是依靠正交，結構的非耦合“標準”振蕩模。每一個模式都是根據(jù)以下參數(shù)定義的：

?模型頻率，?

?模型的阻尼系數(shù)，,

?模態(tài)振型，（/）卜）

其中寫在下方的i表示第，個模態(tài)的特性。

模態(tài)頻率和風輪的模態(tài)振型是根據(jù)以下信息計算出來的：

沿葉片的質量分布。

質量分布根據(jù)任何離散的、集中的塊的數(shù)量和位置作為每一個徑向位置上的局部質量密

度定義的。

沿葉片的鸞曲硬度。

彎曲硬度是在每一個徑向位置的局部？副翼方式和邊緣方式？的方向上被定義的。

沿葉片的扭轉角分布。

模態(tài)振型是在平面上和平面外的方向上計算的，因此在每一個徑向位置的flapwiseand

edgewise硬度都是通過局部扭轉角解決的。

葉片槳距及設定槳距角。

模態(tài)振型是在平面上和平面外的方向上計算的，因此在每一個徑向位置的flapwiseand

edgewise硬度都是通過葉片槳距及設定槳距角解決的。Bladed用戶可以選擇一系列用于

執(zhí)行模型分析的不同槳距角。在以后的動力學仿真中，適合瞬時葉片槳距角的模型頻率由模

型分析結果的線性插值得到。

雙葉片風輪輪轂搖擺合頁的存在及其他方式。

對于雙葉片風輪輪轂可能是剛性的或者搖擺的。搖擺合頁的存在將引入一個包括搖擺合

頁的風輪的平面外旋轉的不對陳風輪模型。

單葉片風輪明合頁的存在及其他方式O

對于單葉片風輪輪轂可能是剛性的或者有一個明合頁。明合頁的存在將引入一個包括搖

擺合頁的風輪的平面外旋轉的不對陳風輪模型。

單葉片風輪明合頁的抗衡質量和慣性力矩。

如果輪轂可以旋轉。

輪轂的旋轉會影響風輪模型的頻率和模態(tài)振型。隨著軸的制動及風輪鎖定在適當?shù)奈?/p>

置，平面內(nèi)模型將包括對稱和不對陳懸臂式兩種模型。伴隨著風輪自由旋轉，懸臂式不對陳

模型被包含風輪軸旋轉的不對陳模型所代替。

風輪的旋轉速度。

平面內(nèi)與平面外模型的頻率和模態(tài)振型隨風輪的旋轉速度而定。由于作用在偏離風輪葉

片的離心載荷，這種依賴可以通過傳統(tǒng)的彎曲剛度的發(fā)展得以解釋。Bladed用戶可以選擇

一系列用于執(zhí)行模型分析為不同旋轉速度。在以后的動力學仿真中，適合瞬時旋轉速度的模

型頻率由模型分析結果的線性插值得到。

風輪模型的頻率和模態(tài)振型是計算自風輪結構的有限元表示的特征值和特征向量。風輪

的有限元模型是以二維流束元的應用為基礎來描述風輪葉片的質量與硬度特性。

風輪模型分析的輸出是定義在風輪平面內(nèi)和平面外方向的模型頻率和模態(tài)振型。模型的

阻尼系數(shù)是由用戶定義的輸入值可以用來表示結構阻尼。

3.1.2塔架模型

塔架的彎曲動力學的表示是以縱向與并行方向的運動的模型自由度為基礎的。相對于風

輪，塔架模型是根據(jù)他們的模型頻率，模型阻尼和模態(tài)振型來定義的。

塔架的模型頻率和模態(tài)振型是以下列信息為基礎進行計算的：

沿塔架的質量分布

質量分布根據(jù)任何離散的、集中的塊的數(shù)量和位置作為塔架位置高度的局部質量密度定

義的。

沿塔架鸞曲硬度

假設塔架是軸對稱的，因此其彎曲硬度不受彎曲方向約束。

塔架基礎的質量,慣性和硬度特性。

在塔架彎曲模型中的基礎質量和硬度特性的影響可以計算，模型考慮了相當于移動及轉

動硬度的基礎質量和慣性運動。

機艙及風輪的質量和慣性

為了塔架模型的計算，機艙和風輪分別作為位于重力的機艙中心和風輪輪轂的集中塊和

慣量來進行模擬。對于單葉片和雙葉片的風輪，風輪慣量在塔架模型特性上的影響由風輪方

位角確定，因此用戶可以自行定義。帶有風輪方位角的塔架模型頻率的變化通常都很小，因

此對于模型分析的單個風輪方位角位置的假設是一個可靠的近似值。當然，用戶可以通過對

一系列不同的風輪方位角進行模型分析來確定塔架模型頻率的方位角變化的拓展。

塔架模型的頻率和模態(tài)振型是計算自塔架結構的有限元表示的特征值和特征向量。塔架

的有限元模型是以二維流束元的應用為基礎來描述塔架的質量與硬度特性。

塔架模型分析的輸出是定義在縱向與平行方向的模型頻率和模態(tài)振型。模型的阻尼系數(shù)

是由用戶定義的輸入值可以用來表示結構阻尼。

3.2運動方程

因為旋轉與非旋轉元件的模型自由度的耦合的復雜性，包括風機運動方程的求導的代數(shù)

處理是一個復雜的問題。在Bladed的動態(tài)模型中，已經(jīng)通過一個計算機代數(shù)軟件包執(zhí)行了

求導并將其用于能量原理和拉格朗日等式中。

3.2.1自由度

Bladed中包括結構動態(tài)模型的運動方程的自由度展示如下：

?風輪平面外包括搖擺，最多6種模式

?風輪平面內(nèi)，最多6種模式

?機艙偏航

?塔架縱向，最多3種模式

?塔架并行，最多3種模式

另外，此手冊的第4部分的描述提供了動力傳動動力學的經(jīng)典展示。

3.2.2運動方程的公式表示

假定沒有其他自由度的耦合，單個自由度的運動方程表示如下：

2

5①:q=FJMj

其中%是時間變量模型位移，

M.=卜7GM2(廠皿.是模型質量，

rotor

Ft=]76?；2卜”/?是模型的動力。

rotor

其中/(r)是整個風輪或者塔架組成的分布力。

當然，Bladed中自由度模型的偶合和運動方程的公式表示展現(xiàn)如下：

囚[+仁卜+的b=尸

其中［M］,［c］和［K］分別是模型質量、阻尼和硬度矩除，q是模型位移向量，F(xiàn)是模型動

力向量。系統(tǒng)矩陣是自由度的耦合并包含周期系數(shù)主要是因為風輪和塔架的動力學的時間變

量的相互作用。

因為它們的復雜性，本手冊沒有展示動態(tài)方程。然而卻提供了下面關鍵的內(nèi)容：

?盡管運動方程是以結構動力學的線形模型處理為基礎，模型并沒有包含起初聯(lián)想的陀螺

力矩的非線性條件。

?風輪的自由搖擺度是由第一個平面外模型和包括機械阻尼、硬度和用戶指定的預加載荷

約束所表示的運動方程提供的。

?機艙偏航自由度的運動方程是以風機的慣量為基礎的，此慣量是關于有用戶指定的偏航

阻尼和硬度提供的機械限制的偏航軸的。

?鑒于風輪葉片的每一個葉素的總的結構速度矢量和風速矢量之間的相互作用，在運動方

程中考慮了空氣彈性變形。風輪葉片的每一個葉素的總的結構速度矢量是由每一個結構

自由度的適當?shù)乃俾屎徒M成。此外，也考慮到結構速率反饋回風輪葉片空氣動力學，風

輪搖擺的結構位移和機艙偏航。

3.2.3運動方程的解答

運動方程運用變步長，四階龍格-庫塔積分通過微分方程的時間-行程積分求解。

3.3結構載荷的計算

作用在風輪，動力傳動系和塔架上的結構載荷可由用于空氣動力載荷和慣性載荷的適當

的總數(shù)計算而得。慣性載荷可由每一處的質量特性和總的加速度矢量綜合計算而得?？偟募?/p>

速度矢量包括模態(tài)矢量，離心矢量，科里奧利矢量和重力矢量幾種。

4動力傳動空氣動力學

動力傳動空氣動力學定義驅動鏈，驅動鏈裝備和發(fā)電機的空氣動力學的旋轉自由度。驅

動鏈由低速軸，齒輪箱和高速軸組成。也可以模擬直接驅動發(fā)電機。

4.1驅動鏈模型

4.1.1鎖定速度模型

適用的最簡單的驅動鏈模型是鎖定速度模型，它允評動力傳動無自由度。因此假設風輪

以絕對恒速旋轉，假設發(fā)電機瞬時反作用轉矩與空氣動力轉矩向平衡。很明顯這一模型并不

適合啟動和停車時的仿真，但是在驅動鏈和發(fā)電機被完全表現(xiàn)出來之前，對于載荷與性能的

快速，初始計算非常有用，

4.1.2剛性軸模型

剛性軸模型是通過選擇無軸扭轉擾行的動態(tài)驅動鏈模型得到的。它允許風輪和發(fā)電機的

單個旋轉自由度?？杀挥糜谒械挠嬎悖绻寗渔湹呐まD硬度非常高則可推薦此種模型。

發(fā)電機和風輪的加速度可以通過風輪和發(fā)電機的組合慣量劃分的轉矩的不平衡來計算，估計

出齒輪箱比率。直接驅動發(fā)電機可以通過設定齒輪箱比率為1來簡單模擬。扭矩不平衡實

質上是在考慮齒輪箱比率的情況下空氣動力學扭矩和發(fā)電機反作用扭矩及應用的任何制動

扭矩之間的差額。然而，需要修正此值以計算由于任何邊沿葉片振動模式造成的葉片偏離的

慣性效應。使用剛性軸模型，必須提供發(fā)電機模型，因此得到發(fā)電機反作用轉矩。

停車仿真期間，或者在停車仿真中一旦制動使得風輪靜止，實際制動轉矩與空氣動力轉

矩平衡（如果制動是在高速軸上則可估計出齒輪箱比率）且不再繼續(xù)旋轉。然而，如果空氣

動力轉矩增大以至超過最大值或者應用制動轉矩，制動開始滑動且旋轉重新開始。

剛性驅動鏈模型可以用在柔性驅動鏈裝備的組合中，此處運動方程更復雜一參4.3部

分。

4.1.3柔性軸模型

單軸或雙軸柔性軸模型可以通過選擇扭轉擾性的動態(tài)驅動鏈模型得到。它允許渦輪的風

輪和發(fā)電機的風輪的旋轉的自由度分離。低速與高速軸的扭轉擾性可以單獨設定。與剛性軸

模型類似，也必須提供發(fā)電機模型因此發(fā)電機反作用轉矩也是指定的。

渦輪的風輪由于空氣動力轉矩（用于調(diào)節(jié)4.1.2部分所講的邊沿模型的作用）和低速軸

轉矩之間的轉矩不平衡而加速。發(fā)電機風輪由于高速軸轉矩和發(fā)電機反作用轉矩之間的不平

衡而加速。軸轉矩可以通過軸扭轉與任何依靠剎車位置的應用制動轉矩一起計算得到，剎車

位置可以被指定在高速軸或低速軸的末端。

在停車仿真期間，或者在停車仿真期間一旦制動圓盤停止，根據(jù)剎車位置運動方程發(fā)生

變化。如果制動臨近風輪或發(fā)電機其元件將不再旋轉，但其他元件將繼續(xù)運動且相對于軸的

扭矩擾性振動。如果制動臨近齒輪箱且雙軸是柔性的，則兩個風輪和發(fā)電機將振動。然而，

如果制動圓盤的轉矩增長至超過最大值或所應用的制動轉矩，則制動又開始滑動。

柔性驅動鏈模型可以用在有柔性驅動鏈裝備的組合中，此處運動方程更加復雜一參考

4.3部分。

必須指出當柔性軸模型在載荷預測中提供更大的準確性時，對于高頻率的驅動鏈振蕩模

型中的一種還是有一定潛力的，這有賴于發(fā)電機的慣性和軸硬度。這種高頻率模型的出現(xiàn)可

能導致較慢的仿真。

4.2發(fā)電機模型

如果剛性軸或者柔性軸驅動鏈模型指定則必須提供發(fā)電機特性。可以采用以下三種發(fā)電機模

型：

?直接連接感應電機模型（恒速渦輪機）

?變速發(fā)電機模型（變速渦輪機）

?變量滑動發(fā)電機模型（提供上述變速的限制范圍）

4.2.1恒速感應發(fā)電機

模型展示了一個直接連接到電網(wǎng)上的感應電機。其特性是由滑差斜率力和瞬時短路時間

常數(shù)「確定的。氣隙或發(fā)電機反作用力矩。是由以下微分等式定義的：

T

其中。是實際發(fā)電機速度，g是發(fā)電機同步速度或空載速度。

滑差斜率由下式計算得到：

/?=—1—

皿（例-4）

其中口，是發(fā)電機在額定功率輸出P,時的速度，由叱=g（l+S/100）確定，此處S額定滑

動百分數(shù)，￡是發(fā)電機的滿載效率。

4.2.2恒速感應發(fā)電機：電氣模型

Bladed也采用了一個更加完整的直接連接感應電機模型。這個模型要求提供發(fā)電機的

等值電路參數(shù)（在工作溫度，而不是‘冷'值），以及極對數(shù)，電壓和電網(wǎng)的頻率。也可能模擬

功率因數(shù)修正電容器和輔助載荷例如發(fā)電機輔助裝置。等值電路結構見圖4.1o

R$=Statorresistance

xs=Statorreactance

Rr=Rotorresistance

xr=Rotorreactance

xm=Mutualreactance

C=Powerfactorcorrection

Ra=Auxiliaryloadresistance

Xa=Auxiliaryloadreactance

s=slip

圖4.1感應電機的等值電路

應該給出星形連接的發(fā)電機的等值電路參數(shù)。如果發(fā)電機是角形連接，則電阻和電抗應

當除以3以轉換成等價的星形連接結構。

電壓應當是均方根值線電壓形式。將峰值電壓轉換成均方根值形式要除以、方。將相電

壓轉換成線電壓要乘以6。

既然在發(fā)電機及其輔助設施中此模型必須包含電氣損耗，盡管可以指定機械損耗-參見

4.4部分，但是還是不可能指定任何額外的電氣損耗。

圖4.1所闡述的系統(tǒng)的電氣動態(tài)的四種不同的模型如下：

?恒穩(wěn)態(tài)

?一階

?二階

?四階

恒穩(wěn)態(tài)模型簡單計算了圖4.1中瞬時恒穩(wěn)態(tài)電流和電壓。一階模型將一個一階滯后引入

了滑差（s）和等效轉子電阻（R/s）之間的聯(lián)系中，所采用的瞬時短路時間常數(shù)由下式

給出：

其中X,，Xr=xr+x/M,牡是電網(wǎng)角頻率。

二階模型將發(fā)電機作為一個電壓源￡落后一個暫態(tài)電抗X'=X'—x//x,,忽略了暫態(tài)定

子流量：

其中。和匕,分別是定子電流和出口電壓。轉子磁鏈匕.的動態(tài)方程可寫為：

1.

—7.―JSW,

其中S是組合滑差速度（發(fā)電為正），L轉子電流,根據(jù)感應電壓￡應用

上式可重寫為：

八+jX$.,.X「x‘

2

q+jx'一二百匕

V

其中八二一

①3

四階模型是發(fā)電機在d-q軸的表示，用Park變換將發(fā)電機的三相繞組等效成正交的兩

相繞組。應用復數(shù)記法來表示電流和電壓的直軸與交軸的合成作為單個復數(shù)的實部和虛部，

可以得到：

X/+A?(1+S)7/+jx,x(\+s)k.

nr+

例力L」一一",/s(l+s)X"一/X匕(1+5)Ur_

其中所有的電壓和電流都是復數(shù)。

當仿真速度要比精確度更重要，可以用到其中的一個低階模型。4階模型用在較高的精

確度要求的情況下，盡管在許多情況下低階模型給出了相似的結果。然而，低階模型并不能

給出啟動瞬時的精確表示，

4.2.3變速發(fā)電機

這一模型應當被用在帶有頻率轉換器的變速發(fā)電機依據(jù)電網(wǎng)頻率解耦發(fā)電機轉速。包括

發(fā)電機和頻率轉換器的變速驅動可以整體仿真?，F(xiàn)代變速驅動可以接受一個轉矩命令并在很

短的時間內(nèi)響應它給出發(fā)電機空隙處所需轉矩，無關于發(fā)電機轉速(只要它是在設定范圍

內(nèi)卜一階滯后模型提供下面的響應：

其中Q(l是命令轉矩，Q*是氣隙轉矩，晨是一階滯后模型的時間常數(shù)。注意，一個小的時

間常數(shù)的應用可以導致一個較低的仿真。如果時間常數(shù)非常小，設定其為0則可加速仿真，

而對精確度沒有影響。

變速發(fā)電機要求一個控制器來發(fā)出適當?shù)霓D矩命令，以使發(fā)電機的轉速得以適當?shù)恼{(diào)

整。Bladed所采用的控制模型的詳細情況見第5章。

最小和最大發(fā)電機轉矩必須設定。如果設定一個負的最小轉矩則空轉就會發(fā)生。

假設流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率以與轉矩相同的時間常數(shù)控制，電流與電壓之間的

相角，功率因數(shù)便可設定，頻率轉換控制器則用來維持恒功率因數(shù)。

提供驅動鏈阻尼反饋的選項。這表示附加功能可以用在頻率轉換控制器上，只要從測量

的發(fā)電機轉速上加一個條件驅動到引入的轉矩命令上即可。這個條件是作為作用在測量速度

上的轉移函數(shù)而定義的。轉移函數(shù)是拉普拉斯運算的一個比率多項式。因此氣隙轉矩心的

等式為

0-QdIM〃水)

4(1+U)Den(s)"

其中Num(s)和Den⑸是多項式。轉移函數(shù)通常是一些調(diào)諧帶通濾波器設計來為驅動鏈扭

力振動提供阻尼的，在變速運行情況下可能阻尼比較小，有時會造成嚴重的齒輪箱載荷。

4.2.4變滑差率發(fā)電機

變滑差率發(fā)電機實質上是轉子回路串聯(lián)電抗的感應電機。低于額定功率時，它與恒速感

應電機相同，因此其參數(shù)要求與4.2.1部分相同。

超過額定值，變滑差率發(fā)電機使用一個快速轉換控制器來調(diào)節(jié)轉子電流和氣隙轉矩，因

此雖然有速度限制范圍，發(fā)電機的實際行為類似于變速系統(tǒng)。與變速系統(tǒng)相同的參數(shù)必須提

供，相角除外因為功率因數(shù)控制在此種情況下不被采用。

可以采用變滑差發(fā)電機的完美的電氣模型。4.2.2部分模擬發(fā)電機，轉子電流控制器被

模擬作為連續(xù)時間PI控制器調(diào)節(jié)定義的限制范圍之間的轉子阻抗(綜合限制降低)，相應實

際值與要求轉子電流之間的差值。轉矩與轉子電流之間的穩(wěn)態(tài)聯(lián)系在仿真的開始就可以計

算，因此轉矩命令可以被轉換成轉子電流命令。見圖4.2的圖解。

TorqueCuirent

demandJdemand

Measuiedcurrent11|

圖4.2變滑差發(fā)電機一轉子電流控制器

4.3驅動鏈裝備

如果需要，扭轉擾性可以指定在齒輪箱裝置上或者塔架頂部的托盤與臺板之間。這一選

項只有在確定剛性或柔性嫗動鏈之后才被允許，且它加了一個額外的旋轉自由度。

在每一種情況下，假設考慮到轉軸，伴隨著旋轉軸都可以確定裝置的扭轉剛度和阻尼。

關于低速軸的運動部分的慣性力矩必須指定。在柔性齒輪箱裝備里這是齒輪箱的慣性力矩。

在柔性托盤裝備里，它是齒輪箱、發(fā)電機定子、運動托盤和其他部分的慣性力矩。

如果裝置的每一種形式都被指定，發(fā)動機軸的旋轉萬向將影響一些內(nèi)部驅動鏈載荷。如

果低速軸和高速軸旋轉方向相反，則在驅動鏈模型中指定一個負的齒輪箱比率值。低速軸與

高速軸之間的偏移量的影響可以忽略。

任何軸制動都被假設嚴格設置在托盤上。因此制動盤的任何運動都會停止轉動這有賴于

驅動鏈裝備的類型及低速或高速軸上的制動的位置。例如，如果有一個軟的托盤裝置，即時

軸是剛性的在制動盤停止后依然會有風輪的振蕩。

類似于柔性軸驅動鏈模型的情況應當指出當柔性裝置的仿真效果在載荷預測中提供較

精確值時，對于所造成的驅動鏈振蕩模型的一種或兩種有可能產(chǎn)生相當高的頻率，這有賴于

不同的慣性力矩和軸與裝置的硬度。高頻率模型可導致較低的仿真。

4.4能量損耗

動力傳動能量損耗是作為發(fā)動機（包括變速發(fā)電機情況下的頻率轉換器）機械損耗和電

氣損耗的組合來仿真的。

在齒輪箱和/或軸承上的機械損耗是作為轉矩損耗或功率損耗來仿真的，它可以計算，

也可以線性插入查詢表格，這是一個相對于轉速、齒輪箱轉矩和軸功率的查詢表格，或者是

一個相對于轉速和軸轉矩或軸功率的二維查詢表格。如果在第轉速或者0轉速執(zhí)行計算則

機械損耗依據(jù)功率仿真并不適合，例如，開始、停止、空轉和停車計算時。在這些情況下，

根據(jù)轉矩可以更好的表達出損耗。

電氣損耗可以由兩種方法中的一種指定：

線性方法：這要求一個空載損耗和效率￡,電功率輸出以與發(fā)電機軸輸入功率R有關，

方程式如下：

PLCR-LN）

查詢表格：功率損耗L（P,）是作為發(fā)電機軸輸入功率函數(shù)代通過一個查詢表定義的。電功率

輸出心由下式給出：

線性插值用在查詢表格的點之間。

注意如果應用一個完美的發(fā)電機的電氣模型，這種形式的額外的電氣損耗不能指定，因

為發(fā)電機模型已經(jīng)包括所有的電氣損耗。

4.5電力網(wǎng)絡

用到所提供的感應電機的詳細的電氣模型或者變速發(fā)電機模型，因此可以計算電力電流

和電壓，無功功率及有功功率，發(fā)電機接入的電網(wǎng)的特性也可以得到。因為允許電壓振蕩，

所以電網(wǎng)不同點的閃爍可以計算，在直接連接感應電機的情況下，網(wǎng)絡的存在可能影響發(fā)電

機的動態(tài)相應特別是在弱電網(wǎng)中。

網(wǎng)絡仿真是作為一個有定義阻抗的普通耦合點的連接及連接到初始母線的同樣帶有定

義阻抗的深入連接。增進發(fā)電機可以被連接在普通耦合點。這些額外的發(fā)電機每一個都是假

設與被仿真的發(fā)電機是相同的，包括普通耦合點的連接阻抗。然而對他們的仿真及仿真中的

電流和相角常量作為靜態(tài)要超過其動態(tài)。初始條件的計算要假設所有的發(fā)電機處于完全相同

的狀態(tài)，‘其他'的發(fā)電機也要始終維持相同的狀態(tài)。由于所有處于普通耦合點的發(fā)電機則在

計算發(fā)電機的用于仿真的性能時要考慮穩(wěn)態(tài)電壓增長。

Othertuibmes

(ifrequired)

Wind

turbine<S)——|R1+JX1|—和+JX)|---------------

PCC

WindfarmNetwork

interconnectioncoimection

impedanceimpedance__.

rInfinite

busbar

圖4.2網(wǎng)絡模型

5閉環(huán)控制

5.1引言

對于變速發(fā)電機，閉環(huán)控制可以被用于發(fā)電機的正常運行中以控制葉片槳距角和轉速。

以下提供了四種不同的控制方式：

1.恒速失速調(diào)節(jié)。發(fā)電機直接連接到恒頻率電網(wǎng)上，在正常功率生產(chǎn)期間沒有主動的空氣

動力控制。

2.恒速變槳距調(diào)節(jié)。發(fā)電機直接連接到恒頻率電網(wǎng)上，變槳距控制在高風速時用于調(diào)節(jié)功

率。

3.變速失速調(diào)節(jié)。頻率轉換器耦合發(fā)電機與電網(wǎng)，允許通過控制發(fā)電機的反作用力矩來改

變轉速。在高風速時速度控制裝置用來降低風輪的轉速直到空氣動力失速限制功率到

要求的水平。

4.變速變槳距調(diào)節(jié)。頻型轉換器耦合發(fā)電機與電網(wǎng)，允許通過控制發(fā)電機的反作用力矩來

改變轉速。在高風速時，轉矩被保持在額定水平，變槳距控制用于調(diào)節(jié)轉送及功率。

對于恒速失速調(diào)節(jié)的發(fā)電機來說當沒有控制作用時便沒有參數(shù)需要定義。在控制作用的

其他情況中將確定發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行點及其動態(tài)相應。對于穩(wěn)態(tài)運行計算它只需要指定那些

定義發(fā)電機運行曲線的參數(shù)即可。對于動態(tài)計算增強參數(shù)用于定義閉環(huán)控制的動態(tài)特性。所

要求的參數(shù)在以下部分會更進一步定義。

注意所有的閉環(huán)控制數(shù)據(jù)都是相對于高速軸定義的。

5.2恒速變槳距調(diào)節(jié)控制器

這種控制器適用于在高風速時使用葉片變槳控制調(diào)節(jié)功率的直接聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機。它適合全

檔或者半檔變槳控制，以及像副翼這種空氣動力控制的其他形式。在后一種情況中，槳距角

可以被拿去引證副翼的展開角。

從最適宜的位置，葉片可以在任意方向上變槳以降低空氣動力轉矩。如果選擇順槳槳距

方式，葉片變槳距部分在風速（及功率）提高時轉動以降低其沖擊角。如果選擇失速變槳方

式，當風速提高時它向相反的方向轉動以使葉片失速。在順槳情況下，最小槳距角定義變槳

距設定在額定值之下，而在失速情況下最大槳距角被用在額定值之下，變槳距降低到額定值

之上的最小值（通常是一個負的槳距角卜

WindElectncPowerMeasured

Tuibhie

powertransducerpowerConholle

Power

Pitchset-point

Bladepitch

Pitchdemand

actuator

Figure5.1:Thefixedspeedpitchregulatedcontrolhop

圖5.1顯示了用于仿真的恒速變槳距調(diào)節(jié)控制環(huán)的基本元素。

5.2.1穩(wěn)態(tài)參數(shù)

為了定義穩(wěn)態(tài)運行曲線，必須定義功率置位點和最大最小槳距角設置，及上面所描述的

變槳距的方向。為了獲得任何給定穩(wěn)態(tài)風速的職位點功率可以計算修正槳距角。

5.2.2動態(tài)參數(shù)

為了計算控制環(huán)的動態(tài)行為，必須指定功率傳感器和變槳執(zhí)行元件的動態(tài)響應，以及控

制器用來計算響應測量功率信號的變槳命令采用的實際運算法則。5.5部分描述了可用的傳

感器和執(zhí)行元件模型，而5.6部分描述了控制器所采用的PI運算法則。

5.3變速失速調(diào)節(jié)控制器

控制器模型適合于變速發(fā)電機，這種發(fā)電機使用一個頻率轉換器從電網(wǎng)的恒頻中解耨發(fā)

電機轉速，超過額定風速時不使用變槳控制來限制功率。相反，在高風速時控制發(fā)動機反作

用力矩以降低轉速直至失速。控制環(huán)展示見圖5.2。

5.3.1穩(wěn)態(tài)參數(shù)

穩(wěn)態(tài)運行曲線可以由象圖5.3那樣的轉矩-速度曲線圖來描述。穩(wěn)態(tài)允許的速度范圍是

S1到S2。低風速時通過跟隨相應的運行在最大功率因數(shù)的常數(shù)葉尖速比載荷線可以捕獲最

大風能。載荷線是轉矩-速度平面內(nèi)的二次曲線，見圖5.3里的線BG?？梢灾付ㄒ粋€查詢表

格。如果有最大允許運行速度S1出現(xiàn)，則不再跟隨低風速下的曲線，風機沿圖中的AB曲

線以恒速運行。類似于在高風速時，一旦達到最大運行速度S4,通過沿GH曲線以恒速運

行離開最有載荷線再次成為必須。

Figure5.2:Thevariablespeedstallregulatedcontrolloop

一旦最大功率達到H點，必須沿恒功率曲線HI降低風輪轉速至失速。如果運行高旋轉速度，

當然對于GH曲線崩潰是可能的以至于使恒功率曲線和恒葉尖速比曲線相交于J點。

LineofoptimumpowercoefficientLineofconstantwindspeed

LineofconstantpowerOperatingcurve

SIS2S3S4Generatorspeed.

Figure5.3:Variablespeedstallregulatedoperatingcurve

穩(wěn)態(tài)運行曲線需要指定的參數(shù)如下：

?最小速度，S1

?在恒葉尖速比模型中的最大速度，S4

?最大穩(wěn)態(tài)運行速度。通常是S4，但是在發(fā)電機特性為以下情況時會變高，即當風速增

大時，以上額定運行點從H移動到I點，然后又降叵到H點，然后在非常高的風速上繼

續(xù)（朝J點方向卜然而這并不是我們希望的情形，因為在非常高的風速時如果旋轉速

度超過S4,則沒有理由不增長到S4且運行低風速時相同高的風輪轉速。

?相應于曲線HI,以上額定功率置位點。這是根據(jù)軸功率定義的。當然如果電氣損耗也

進行仿真的話電氣功率將會降低。

?參數(shù)K/用來定義曲線BQ的恒葉尖速比。由下式給出：

K,=中」.（力/2；13G3

其中p:是空氣密度

R:是風輪半徑

2:是所要得到的葉尖速比

C//1）:是葉尖速比4的功率因數(shù)

G:齒輪箱比率

當發(fā)動機轉矩命令設定成K/O之時其中①是測得的發(fā)電機轉速，這確保在穩(wěn)態(tài)時風機

將維持葉尖速比％及相應的功率因數(shù)。注意動力傳動損耗隨著旋轉諫度而變化，在

此情況下最優(yōu)風輪轉速不會導致最大空氣動力功率因數(shù)。

參數(shù)K?？蛇x，查詢表可以被指定給出發(fā)電機轉矩作為速度函數(shù)。

5.3.2動態(tài)參數(shù)

要計算控制環(huán)的動態(tài)行為，必須指定功率與速度傳感器的動態(tài)相應，以及控制器用來計

算響應測量功率和速度信號的發(fā)電機轉矩命令采用的實際運算法則。5.5部分描述了可用的

傳感器和執(zhí)行元件模型。

發(fā)電機轉矩控制可以應用兩個閉環(huán)控制環(huán)，如圖5.4中顯示的。內(nèi)控制環(huán)用發(fā)電機速度

誤差函數(shù)計算發(fā)電機轉矩命令，而外控制環(huán)則用功率誤差函數(shù)計算發(fā)電機速度命令。兩個控

制環(huán)都采用PI控制器，如5.6部分所描述的。

低于額定值時，速度置位點在S1到S4之間轉換。低風速時在S1,轉矩命令輸出受最

優(yōu)葉尖速比曲線BG所給出的最大值的限制。這使得運行點追蹤軌跡ABG。在較高風速時，

職位點變化到S4，轉矩命令輸出受最優(yōu)葉尖速比曲線所給出的最小值限制，使得運行點追

蹤軌跡BGHo一旦轉矩達到QR,外控制環(huán)就會使速度置位點沿HI降低，內(nèi)控制環(huán)則追蹤

變化的速度命令。

5.4變速變槳距調(diào)節(jié)控制器

這個控制器模型適于變速發(fā)電機，，這種發(fā)電機使用一個頻率轉換器從電網(wǎng)的恒頻中解

耦發(fā)電機轉速，超過額定風速時使用變槳控制來限制功率?？刂骗h(huán)展示見圖5.5。

5.4.1穩(wěn)態(tài)參數(shù)

穩(wěn)態(tài)運行曲線可以由象圖5.6那樣的轉矩-速度曲線圖來描述。低于額定值時，即從A

點到H點，運行曲線是5.3.1部分所描述的失速調(diào)節(jié)變速情況，見圖5.3o而超過額定值時，

調(diào)解葉片槳距來維持所選擇的運行點，指定的L點。槳距的變化改變了恒定風速曲線，迫

使他們穿過所期望的運行點。

Figure5.5:Thevariabl