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1.2 风力发电软件产品介绍
随着风力发电机容量和规模的增大，风力机控制系统设计和仿真验证的工作量不断增大，普通的手动计算已经不能满足需求，于是出现了很多计算机仿真软件，用于风力机的建模和仿真。现在比较流行的软件包括GH Bladed、FAST和QBlade等，其中GH Bladed作为一款工业级的风力机设计和验证工具，适用于陆上和海上的多种尺寸和型式的水平轴风机。该软件通过了德国劳式船级社的认证，在风力发电机设计和载荷分析中被广泛使用[4]。
图1.1 Bladed工具图标
2 Bladed概述
2.1 Bladed理论依据
2.1.1 空气动力学
在Bladed中，动量理论和叶素理论的组合理论是叶轮空气动力学模型的核心，并利用这一理论扩展出的两个主要理论来处理动态空气动力学特性，包括尾流的动态特性和失速后模型动态失速处理。
2.1.2 结构动力学
Bladed使用模态模型的风力机结构动力学的表达式，并利用计算机代数软件包依据拉格朗日方程和能量守恒原理推导。该表达式主要优点在于以相对较少的的自由度大大减少了计算机的计算。
2.1.3 传动系动力学
传动系动力学详细说明了与传动系有关的转动自由度和发电机动态特性。Bladed使用了三种传动系模型，包括：
（1）定速模型：允许传动系无自由度。
（2）刚性轴模型：允许叶轮和发电机有一个单自由度。
（3）柔性轴模型：有序叶轮和发电机转子各自拥有单独的旋转自由度。
Bladed推荐使用刚性轴模型。
2.2 Bladed主要功能
GH Bladed可以进行风机性能和载荷计算，包含3部分主要功能：
（1）风的建模
（2）稳态性能计算
（3）动态风况模拟。
2.2.1 风的建模
Bladed中有四种可以选择的风模型[5]
（1）定速风(No Variation)：不随时间变化的风。可以设置的变量包括风速，风速定义的高度，风向和风速的倾角。
（2）单点关系曲线(Single Point History)：风速和风向与整个叶轮耦合，其与时间的关系存在于二文表中，在时间点之间数值的变化是线性的。
图2.1 Bladed风参数输入界面
（3）3D湍流风(3D Turbulent Wind)：3D湍流风采用了大气层湍流的频谱和空间相干性的表达式，能准确模拟出风机的载荷与性能。
在Bladed中，3D湍流风需要预先生成风文件并导入到Bladed中。风文件的生成需要通过在Define turbulence中对湍流风的各项参数进行设定。可以将整个风速模型看作一个长方体，Y、Z方向构成风速采样的范围，而X轴构成时间轴，长方体上的每个点都存有某个确定的时间点确定的位置上的一个风速信息，进行仿真的过程相当于将这个长方体沿X轴方向推过风轮平面。
图2.2 3D湍流风模型生成界面
此外，Bladed已经提供了两个不同的大气湍流模型——Kaimal模型和von Karman模型。这两个模型的自频谱和交叉频谱密度函数的形式稍有不同，但均为真实大气湍流模型的良好表达，其中，前者仅仅给出了湍流的纵向分量，而后者可以产生所有的三文分量。
（4）IEC瞬变风(Transients)：该模型模拟的是国际电工委员会定义的IEC 1400-1标准中的风速和风向瞬变，以模拟如狂风下等特设情况的风机载荷。可以设置的参数包括：风速、风向、水平切变（从叶轮的一侧到另一侧风速的线性变化）、垂直切变（从叶轮的底部到顶部）
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