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风力发电机组标准(外部条件)

发布时间：2009/6/12 阅读次数：967 字体大小: 【小】【中】【大】

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外部条件 (内容没经过教对,上载上可能有一定的错误)

一般要求

在风力发电机组的设计中，至少应考虑本节所述的外部条件。

风力发电机组承受环境和电网的影响，其主要体现在载荷、使用寿命和正常运行等方面。为保证安全和可靠性，在设计中应考虑到环境、电网和土壤参数，并在设计文件中明确规定。环境条件可划分为风况和其它外部条件。土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。

各类外部条件可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及结构长期承载和运行状态。极端外部条件是潜在的临界外部设计条件。设计载荷系由这些外部条件和风力发电机组的运行状态组合而成。

对结构整体而言，风况是最基本的外部条件。其它环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等均有影响。

根据风力发电机组安全等级的要求，设计中要考虑本节所述的正常外部条件和极端外部条件。

风力发电机组分级

风力发电机组的设计中，外部条件应由其安装场地和场地类型决定。风力发电机组的安全等级及相应的风速和风湍流参数应符合表2.2.2.1 的规定。

对需要特殊设计（如特殊风况或其它特殊外部条件）的风力发电机组，规定了特殊安全等级——S 级。S 级风力发电机组的设计值由设计者确定，并应在设计文件中详细说明。对这样的特殊设计，选取的设计值所反映的外部条件比预期使用的外部条件更为恶劣。近海安装为特殊外部条件，要求风力发电机组按S 级设计。

各等级风力发电机组的基本参数^①表2.2.2.1

风力发电机组等级	I	II	III	S
参考风速Vref〔m/s 〕	50	42.5	37.5	由设计者确定各参数
A I 15 〔—〕		0.16
B I 15 〔—〕		0.14
C I 15 〔—〕		0.12

注：表中数据为轮毂高度处值，其中：

A 表示较高湍流特性级；参考风速Vref 为10min 平均风速；

B 表示中等湍流特性级；I 15 风速为15m/s 时的湍流强度特性值。

C 表示较低湍流特性级；

除表基本参数外，在风力发电机组设计中，还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA～IIIC 级，统称为风力发电机组的标准等级，在本节2.2.3 、2.2.4 、2.2.5 中规定了这些等级的补充参数值。

一般风力发电机组的设计寿命应为20 年。

对S 级风力发电机组，制造商应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用本章模型时，对其参数值应作充分的说明。S 级风力发电机组的设计文件应包含本规范附录3 所列内容。

风况

风况的设计值须在设计文件中明确规定，风力发电机组应能承受所确定安全等级的风况。

从载荷和安全角度考虑，风况可分为风力发电机组正常工作期间频繁出现的正常风况和1 年或50 年一遇的极端风况。

在许多情况下，风况可视为定常流与变化的阵风廓线或湍流的结合，在所有情况下，应考虑平均气流相对水平面成8^о角时的影响。假定此倾斜角不随高度改变而变化。

正常风况

(1) 风速分布

场地的风速分布对风力发电机组的设计至关重要。对于正常设计状态，其决定各载荷情况出现的频率。应采用10min 时间周期内的平均风速，来得到轮毂高度处平均风速Vhub 的瑞利分布PR(Vhub)，并由下式给出：

P R（Vhub）＝1— exp 〔—π（Vhub∕2Vave）²〕式中：Vave ＝0.2 Vref ，对标准等级的风力发电机组。

(2) 正常风廓线模型（NWP）风廓线V（z）可表示成平均风速随离地高度z 的变化函数，对标准等级的风力发电机组，正常风廓线由下列幂定律公式给出：V（z）＝V hub（z∕z hub）^a

式中：zhub ——轮毂高度，幂指数α假定为0.2。风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风切变。

(3) 正常湍流模型（NTM）风湍流是指10min 内平均风速的随机变化。风湍流模型应包括风速变化，风向变化和旋转采样的

影响。湍流风速的三个矢量分量分别定义如下：

——纵向分量：沿着平均风速方向；

——横向分量：在水平面内，垂直于纵向分量：

——竖向分量：垂直于纵向分量和横向分量。

对于正常湍流模型，湍流标准偏差特性值б1，在给定轮毂高度的风速应按概率分布为90%^①分位点值给出。对标准等级的风力发电机组, 随机风湍流模型速度场应满足下列要求：

a）纵向风速分量的标准偏差特性值б1 由下式给出：

б1＝I 15（0.75Vhub + b）

式中：b=5.6 m/s；

I15 由表2.2.2.1 给出。假定标准偏差不随离地面高度变化。

平均风速方向的垂直分量应具有以下最小标准偏差^②：

——横向分量：б2≥0.7б1

——竖向分量：б3≥0.5б1

b）在惯性子区间，三个正交分量的功率谱密度S1（f），S2（f）和S3（f），作为频率f 的函数应逼

近下列渐近线形式：S1（f）＝0.05（б1）2（∧1 / Vhub）-2/3 f -5/3

S2（f）= S3（f）= 4/3 S1（f）

在轮毂高度，纵向湍流尺度参数Λ₁由下式确定：

c）应使用公认的模型，且模型的相关性定义为互谱的大小除以与纵向垂直的平面内空间离散点的纵向速度分量的自谱。建议使用满足上述要求的湍流模型：曼恩均匀剪切模型，见本规范附录4。在附录4 中，也给出了另一个满足上述要求的经常使用的模型。其它模型应慎重使用，因为模型的选择会对载荷产生重大影响。

2.2.3.5 极端风况

极端风况用于确定风力发电机组的极端风载荷。极端风况包括由暴风造成的风速峰值、风向和风速的迅速变化。

(1) 极端风速模型（EWM）

EWM 可以是稳态风速模型或湍流风速模型。这个风模型基于参考风速Vref 和一个确定的湍流标准偏差б1。

① 对于稳态极端风速模型，50 年一遇（N=50 ）和1 年一遇(N=1) 极端风速（3s 的平均值）Ve50

和Vel 应作为高度z 的函数用下式计算：

V_e50（z）＝1.4V_ref（z／z_hub）^0.11

Vel （z）＝0.8 Ve50 （z）

式中：zhub—— 轮毂高，假定与平均风向短期偏离为±15°。

参考风速Vref 按表2.2.2.1 选取。

② 对于湍流极端风速模型，50 年一遇（N=50 ）和1 年一遇(N=1) 的风速10min 的平均值作为高度z 的函数用下式给出：

V_e50（z）＝V_ref（z／z_hub）^0.11

Vel （z）＝0.8 Ve50 （z）

纵向湍流标准偏差б1 ^①至少等于0.11 Vhub 。

(2) 极端运行阵风（EOG）

对标准等级的风力发电机组，轮毂高度处的阵风幅值Vgust②由下列关系式给出：

式中：б1—— 标准偏差，按本节2.2.3.4（3）a)中的公式计算；

∧1—— 湍流尺度参数，按本节的公式选取；

D —— 风轮直径；风速由下列方程式确定：

极端风向变化幅值θeN 按下列关系式计算：

其中：T＝6s为极端风向瞬时变化的持续时间。通过选择θN(t)的取值情况来确定产生最严重瞬时加载。在风向瞬时变化结束时，假定风向保持不变，并按本节2.2.3.4（2）中的公式确定风速。

(4) 极端湍流模型（ETM）极端湍流模型应使用本节2.2.3.4（2）的正常风廓线模型。湍流纵向分量标准偏差按下式计算：

б1＝c I ref [0.072（Vave / c + 3）（Vhub / c - 4）+10]

式中： c=2 m/s

(5) 方向变化的极端持续阵风（ECD）方向变化的极端持续阵风的幅值为：

Vcg ＝15m/s

风速由下式确定：

式中T=10s 是上升时间，风速V（z）按本节2.2.3.4（2）的正常风廓线模型给出。

假定风速的上升与风向的变化θcg(0 到θcg )同时发生。θcg 由下面的关系式确定：

此处上升时间T＝10 s。

(6) 极端风切变（EWS）

应用下列两个瞬时风速来计算极端风切变：
瞬时垂直风切变（有正负号）：

其它环境条件

除风速外，其它环境（气候）条件如热、光、化学、腐蚀、机械、电或其它物理作用都

会影响风力发电机组的完整性和安全性，且气候因素共同作用会更加剧这种影响。至少应考虑下列其它环境条件，并应将其影响在设计文件中说明：

— 温度；

— 湿度；

— 空气密度；

— 太阳辐射；

— 降雨、冰雹、覆冰和积雪；

— 化学活性物质；

— 机械活动颗粒；

— 雷电；

— 地震；

— 盐雾；

— 沙尘。近海环境，需要考虑附加特殊条件。设计中的气候条件可依照惯用值或气候条件变化范围来确定。选择设计值时，诸多气候条件同时

出现的可能性也应予以考虑。对应1 年周期里正常范围内气候变化不应影响风力发电机组设计的正常运行工况。除相关因素外，本节2.2.4.3 中的极端环境条件应和本节2.2.3.4 中正常风况同时考虑。

2.2.4.2 其它正常环境条件应考虑的其它正常环境条件包括：－设备正常工作环境温度范围-20℃～40℃；

－最高相对湿度小于或等于95％；－大气成分相当于无污染的内陆大气；－太阳辐射强度1000W/m²；－空气密度1.225kg/m³。
由设计者规定附加外部环境条件参数时，这些参数值应在设计文件中说明，并应符合本社接受的

有关标准的要求。

2.2.4.3 其它极端环境条件
风力发电机组设计中应考虑的其它极端环境条件包括温度、雷电、覆冰和地震。

(1) 温度标准安全等级风力发电机组极端设计温度范围值至少应为-20℃～50℃

① 如果安装场地的温度多年来平均每年低于-20℃或高于50℃的全年天数超过9 天，则温度的上下限就得相应改变，且应验证风力发电机组的运行和结构噪声在所选温度范围内。如场地在多年内的平均温度与本节2.2.4.2 中的设计温度有超过15℃的偏差，则应予以考虑。

② 应考虑极端温度的以下影响：
—空气密度；
—材料的力学性能；
—热膨胀系数及其导致的应力；
—降温或升温设备的周围温度；
—电子设备及电子元件对温度的要求；
—安全控制系统中的元器件失效温度。
—结冰对空气动力系数的影响。

(2) 雷电本规范第10 章防雷电措施适于标准等级的风力发电机组。

(3) 覆冰
标准等级的风力发电机组（安装在结冰地区）应按以下情况考虑覆冰影响：

① 风轮不旋转时，所有表面（包括风轮叶片）覆冰厚度达到30mm，冰的密度ρ_E=700kg/m³。

② 风轮旋转时，要考虑所有风轮叶片上的覆冰和除一个叶片以外其它风轮叶片上的覆冰两种工

况。其质量分布（质量/单位长度）假定在叶片前缘，从风轮轴心为零到0.5R处线性增加到μ_E，从0.5R

到叶片外端R处保持为常量，μ_E值计算如下：

式中：μ_E＝覆冰质量分布[kg/m]；

ρ_E=冰的密度（700kg/m³）；

c_max= 叶片最大弦长；

c_min= 叶梢处弦长，从叶片轮廓线线性外推；

k=0.00675+0.3exp(-0.32R/R1)。

式中：R=风轮半径；

R1=1m。

(4) 地震

标准等级的风力发电机组未提出抗震要求，因为地震仅发生在世界上的少数区域。在有可能发生地震的地区，应对风力发电机组的场地条件验证工程的完整性。地震载荷评估可基于本规范附录5。载荷评估应考虑地震载荷和其它重要的、经常发生的运行负荷的组合。

地震载荷应由当地规范所规定的地面加速度和响应谱的要求来确定。如当地规范不适用或没有提供

地面加速度和响应谱，则应对其进行适当的评估。地面加速度应按475 年的重现期评估。地震载荷应和运行负荷叠加，其中运行负荷应取下述两种情况中的较大值：

① 风力发电机组寿命期内正常发电期间载荷的平均值；

② 在选定的风速下紧急关机期间的载荷，因关机前的载荷等于上述①所获得的载荷。所有载荷分量的局部安全系数应取为1.0 。地震载荷评估可用频域方法进行。该方法中，运行负荷直接加上地震载荷。地震载荷评估也可用时域方法进行。该方法中，应采取充分的模拟以保证运行负荷代表上述①或②

的时间平均值。上述任一种评估中所使用的塔架固有振动模态的阶数应按通用的地震规范来选取。如无这样的规范，应使用总质量的85％的总模态质量的连续模态。结构抗力的评估可仅假设为弹性响应或韧性能量损耗。但对所使用的特殊类型的结构（如晶格结构和螺栓连接件）应进行后期评估修正。塔架的载荷计算和组合见本规范附录5 的保守方法。如除了塔架外，地震还可能引起结构产生重要载荷，则不应使用本规范附录5 的方法。

电网条件

以下列出设计中要考虑的风力发电机组输出端正常条件。当相关参数在下述范围内时，

应采用正常电网条件：——电压：额定值±10％； ——频率：额定值±2％； ——三相电压不稳定度：电压的负序分量与正序分量的比值不超过2％； ——自动并网的时间间隔：应考虑第一次合闸后的重合时间间隔为0.1s～5s 和第二次合闸后的重合时间间隔为10s～90s。——断电：假定一年内电网断电20 次，断电持续时间不超过6h^①可认为是正常工况。风力发电机组设计的最长断电持续时间为1 周。

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