IEC61400-1中文版

风力机

第一部分：设计要求

1 范围

为保证风力机的工程完整性，IEC61400的这个部分详细说明了基本设计要求。其目的是制定一个恰当的保护等级，以防止机组在计划寿命期内受到损坏。

本标准设计涉及到风力机的各子系统，如控制和保护机构，内部电气系统，机械系统及支撑结构。

本标准适用于各种大小的风力机。对于小型风力机IEC61400-2可能适用。 本标准应与第二部分提到的IEC和ISO标准结合使用。

2 引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而成为本标准的条文。凡是注日期的引用文件，只有被引用的版本适合本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括任何的修订）适用于本标准。

IEC 60204-1:1997, Safety of machinery – Electrical equipment of machines – Part 1: General requirements

IEC 60204-11:2000, Safety of machinery – Electrical equipment of machines – Part 11:Requirements for HV equipment for voltages above 1 000 V a.c. or 1 500 V d.c. and notexceeding 36 kV

IEC 60364 (all parts), Electrical installations of buildings

IEC 60721-2-1:1982, Classification of environmental conditions – Part 2: Environmental conditions appearing in nature. Temperature and humidity

IEC 61000-6-1:1997, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 1: Immunity for residential, commercial and light-industrial environments

IEC 61000-6-2:1999, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 2: Immunity for industrial environments 15

IEC 61000-6-4:1997, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 6: Generic standards –Section 4: Emission standard for industrial environments

IEC 61024-1:1990, Protection of structures against lightning – Part 1: General principles

IEC 61312-1:1995, Protection against lightning electromagnetic impulse – Part 1: General principle

IEC 61400-21:2001, Wind turbine generator systems – Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines

IEC 61400-24: 2002, Wind turbine generator systems – Part 24: Lightning protection

ISO 76:1987, Rolling bearings – Static load ratings

ISO 281:1990, Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life

ISO 2394:1998, General principles on reliability for structures ISO 2533:1975, Standard Atmosphere

ISO 4354:1997, Wind actions on structures

ISO 6336 (all parts), Calculation of load capacity of spur and helical gears ISO 9001:2000, Quality management systems – Requirements 3 术语和定义

本标准采用下列定义。 3.1 年平均

数量和持续时间足够充分的一组测量数据的平均值，供作估计期望值用。平均时间间隔应为整年，以便将不稳定因素如季节变化等平均在内。 3.2 年平均风速Vave

按照年平均的定义确定的平均风速。 3.3 自动重合周期

故障消除且电网重新接通后，断路器闭合需要的大约0.01s到数秒的一段时间。 3.4 锁定（风力机）

利用机械销或其他不会意外松动的装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮或偏航机构运动。

3.5 制动器（风力机）

能降低风轮转速或者停止风轮旋转的装置。

注：制动器可以靠空气动力、机械或者电动力工作。 3.6 特征值

不能达到的规定的概率值。(也就是 ) 3.7 复杂地形带

风电场场地周围属地形显著变化的地带或有能引起气流畸变的障碍物地带。 3.8 控制功能 (风力机)

基于风力机信息和/或环境信息，控制和保护系统的功能是，调节风力机，使其保持在工作要求范围内。 3.9 切入风速 vin

在风速稳定时，风力机开始发电时，轮毂高度处的的最低风速。 3.10 切出风速 vout

在风速稳定时, 风力达到设计功率时，轮毂高度处的的最高风速。 3.11 设计极限

设计中采用的最大值或最小值。 3.12 潜伏故障

正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。 3.13 下风向 主风方向 3.14 电网

用于输送和分配电能的专用设备、变电所、电线电缆。

注：电网各组成部分之间的界限由适当的判别标准如地理位置，所有权归属，电压级别等来确定。

3.15 紧急关机（风力机）

保护装置系统触发或人工干预下，使风力机迅速关机。 3.16 环境条件

影响风力机性能的环境特征（风，海拔高度，温度，湿度等）。 3.17 外部条件（风力机）

影响风力机工作的诸因素，包括环境条件（温度，雪，冰等）和电网条件。 3.18 极端风速

T秒内平均最高风速，它可能是特定周期（重现周期：N年）N年一遇。

注：本标准的重现周期N=50年和N=1年，平均时间t=3s和t=10s。极端风速俗称“安全风速”。本标准中的极端风速是为了设计风力机的载荷状况。 3.19 失效—安全

设计特性中的一项，为避免由故障引发产品严重破坏。 3.20 阵风

风速的短暂变化。

注：阵风可用上升时间、幅度和持续时间表达。 3.21 水平轴风力机

风轮轴基本上平行于风向的风力机。 3.22轮毂（风力机）

将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。 3.23 轮毂高度（风力机）zhub

从地面到风轮扫掠面中心的高度。（见3.51，扫掠面） 3.24空转（风力机）

风力机缓慢旋转但不发电的状态。 3.25 湍流惯性负区

风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流达到均质后逐步破碎，其能量损失忽略不计。 注：在典型的10m/s风速，惯性负区大致在0.2Hz~2kHz间。 3.26 极限状态

载荷作用于结构上的一种状态，若超出此范围，结构就不再满足设计要求

注：设计计算（极限状态的设计要求）的目的是使达到极限状态的可能性保持在某一规定值（见ISO2394）范围之内。 3.27 对数风切变律

见3.62 3.28 平均风速

给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。 3.29 机舱

设在水平轴风力机塔架顶部，内装有传动和其他装置的机壳。 3.30电网联接点（风力机）

对单台风力机是输出电缆的终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点 3.31 网损

不在风力机控制系统控制中的运转时间内的网络损失。 3.32 正常关机（风力机）

全过程都是在控制系统控制下进行的关机。 3.33工作范围

由风机设计者确定的支配控制系统和安全防护系统动作的诸多条件。 3.34风力机停机

根据风力机设计的不同，停机指的是风力机静止或是空转的状态。 3.35电力汇集系统（风力机）

汇集一台或多台风力机的电能的电力系统，包括所有的连接在风力机终端和电网联结点之间的所有电气设备。 3.36 风切变幂律

（见3.62） 3.37功率输出

以特殊的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率。 注：由风力发电机组输出的电功率。 3.38保护功能

控制和保护系统所具有的确保风力机在设计极限范围内运行的功能。 3.39 额定功率

部件、装置或设备在规定的运行条件下能达到的功率，通常由制造厂给出。 注：在正常运行条件下，风力机设计能达到的最大连续电力输出。 3.40 额定风速Vr

风速稳定时，风力机达到额定功率输出时，轮毂高度处的最小风速。 3.41 瑞利分布PR

概率分布函数，见3.63 3.42参考风速 Vref

用于确定风力机级别的基本风速参数。与气候有关的其他设计参数可以从参考风速和其他基本等级参数中的得到（参见第6部分）。

它在轮毂高度处承受的50年一遇10min注：对于参考风速为Vref的某一级别的风力机，的平均最大风速，应小于或等于参考风速Vref。

3.43旋转采样风矢量

旋转风轮上某固定点经受的风矢量。

注：旋转采样风矢量湍流谱与正常湍流谱明显不同。风轮旋转时，叶片切入气流，流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括相当大一部分转动频率下的流谱变化和由此产生的谐量。 3.44风轮转速（风力机）

风力机风轮绕其轴的旋转速度。 3.45粗糙长度 zo

在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化的情况下，平均风速为0时算出的高度。

3.46 定期维护

按预定的日期进行的预防性维护。

3.47 场地数据

风力机所在位置的环境、地震、土壤和电力网的数据。没有特殊规定的话，风数据都按10min的取样来统计。 3.48静止

风力机的停止状态。 3.49支撑结构（风力机）

由塔架和基础组成的风力机部分。 3.50安全风速

结构所能承受的最大设计风速的俗称。

注：本标准不采用这一术语。设计时参考极端风速（见3.18） 3.51 扫掠面积

风轮叶尖旋转运动所作的圆在垂直于风速矢量平面的投影面积。

3.52 湍流强度I

风速的标准偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。3.53 湍流尺寸参数 Λ1

无量纲的纵向功率谱密度等于0.05时的波长。 注：波长定义为Λ1=Vhubfo，其中f0S1(f0)21=0.05

3.54 湍流标准偏差

σ1

轮毂高度处湍流风矢量垂直分量的标准偏差。 3.55 最大极限状态

通常指风力机处于能承受最大载荷的极限状态。（ISO2394，修订） 3.56 不定期维修

不是根据确定的时间表，而是根据对某一状态的迹象而确定的临时性维护。 3.57 上风向

主风方向的相反方向。 3.58 垂直轴风力机

风力轴垂直的风力机。 3.59 威布尔分布 PW

概率分布函数，见3.63 3.60 风电场

见3.61 3.61风电场

由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站。 3.62 风廓线—风切变律

风速随离地面高度的数学表达式

注：通常用（1）对数廓线（2）指数廓线

v(Z)=v(Z(ZZ0)r)×

lnlnZ

rZ0(1)

式中：

α Z

v(Z)=v(Zr)×

Zr

(2)

v(Z)

高度Z处的风速；

Z 离地面的高度； Zr 用于拟合风廓线的离地面标准高度； Z0 粗糙长度；

α 风切变指数（或幂） 3.63 风速分布

用于描述时限内风速概率分布的函数。

注：通常应用的函数是锐利分布函数PR(vo)和威布尔分布函数Pw(vo)

2

PR(vo)=1 exp π(Vo2Vave)

(3)

k

Pw(vo)=1-exp -(v0)

vave

1

CΓ1+ k =

=Ck2 2

(4)

式中：

P(v0) v0 vave

C

k

累积概率函数，也即v<v0的概率； 风速（极限）； 风速的平均值；

威布尔分布函数的尺度参数；

威布尔分布函数的形状参数； Γ 伽马函数

C和k均由真值推算出。如果k=2，且C和vave满足(4)式k=2的条件，则瑞利分布函数和威布尔分布函数相同。

分布函数表达的是风速小于v0的累积概率函数。如果估算v1到v2之间的分布，则式

[P(v1) P(v2)]给出了v1与v2间的各风速对时间的分布函数。对分布函数求导就能得出相

应的概率密度函数。

3.64 风切变

风速在垂直于风向平面内的变化。 3.65 风切变指数α

通常是幂定律指数，参见3.62

3.66 风速V

空间特定点的风速为该点周围气体微团的移动速度。 注：风速也是当地风矢量（见3.69）的幅值。 3.67 风力发电机组

将风的动能转换为电能的系统。 3.68 风机站点

单独的风力机或者风场中某一风机的位置 3.69 风矢量

标有被研究点周围气体微团运动的方向，幅值等于该气体微团运动速度（即该点风速）的矢量。

注：空间任意一点的风矢量是气体微团通过该点时位置对时间的导数。 3.70 风机电力系统

所有内部电气设备到风力机，一直到并包括风力机终端，包括接地、连接和通讯设备。由风力机到地线网络的一段导线也包括在内。 3.71 风力机终端

风力机供电器上的一点，通过它风机被接到电力汇集系统上。它还包括为输送电能和通讯目的的连接。 3.72 偏航

风轮轴绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机） 3.73 偏航角误差

风轮轴线偏离风向的水平偏差。

4符号和缩写

4.1符号和单位

C

威布尔分布函数的尺度参数 湍流结构修正参数

CCT

CT 推力系数 Coh

相干函数 风轮直径 频率

材料强度的设计值 材料强度的特征值 设计载荷

D f fd fk Fd

kIref Ieff

k K L

10分钟内平均风速为15m/s时，轮毂高度处湍流密度的期望值 有效湍流密度

威布尔分布函数的形状参数 修正的贝赛尔函数

均匀湍流整体尺度参数 相干尺度参数

速度分量的总体尺度参数 Wöhler曲线指数

Le Lk

m

ni

载荷柜i中疲劳循环次数

用S-N特性曲线来表示应力函数时的故障周期数 极限状况出现周期 幸存概率

瑞利概率分布，也即v<v0的概率 威布尔概率分布 分矢量投影值

柜i内对应某一循环次数的应力（或应变）水平 纵向风矢量的能量谱密度函数 单面速度分量谱 阵风特性时间 时间 风速 高度z处风速

轮毂高度处年平均风速 风轮扫掠面上极端相干阵风值

N年一遇极大风速（平均3s）期望值，ve1，ve50分别表示一年一遇和50年一遇

N(.)

N

p

PR(V0) Pw(V0) r si

S1(f) Sk

T t V V(z) Vave Vcg VeN

Vgust

50年一遇极大阵风期望值

hubVin 切入风速

V0 Vout Vr Vref

V(y,z,t) V(z,t) x,y,z zhub zr z0

α

β

δ

Γ

γf γm γn

(t) θcg θe

Λ1

σ^

风速分布模型中极限风速 切出风速 额定风速 参考风速

用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量

用于描述极限阵风瞬时变化和风切变状况的纵向风速分量 用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风 风力机轮毂高度 离地面的参考高度 对数风廓线的粗糙长度 风切变指数

最大风向变化模型参数 变化系数 伽马函数 载荷安全系数 材料安全系数 损伤安全系数 风向变化过渡过程

阵风方向与平均风速方向最大偏离 N年一遇最大风向变化

由波长确定的湍流尺度参数，无量纲，纵向能谱强度fS1(f)

2

等于

10.05

湍流标准偏差估计值

θ

σeff σwake σT σσ σ1 σ2 σ3

EVar

^^

^

湍流标准偏差估计值的有效值 尾随湍流标准偏差 最大的中心尾流标准偏差

湍流标准偏差估计值有效值的标准偏差 轮毂高度处纵向风速标准偏差 轮毂高度处垂向风速标准偏差 轮毂高度处横向风速标准偏差

支架内部参数的期望值 支架内部参数的方差

4.2 缩写

A 异常（安全系数） a.c. 交流电 d.c. 直流电

DLC 设计载荷情况

ECD 风向变化的最大相干阵风 EDC 最大的风向变化 EOG 最大工作阵风 ETM 最大湍流模型 EWM 最大风速模型 EWS 最大风切变 F 疲劳 N 正常的或最大（安全系数） NWP 正常风速廓线模型 NTM 正常湍流模型 S IEC风机分类 T 运输和安装（安全系数） U 极限

5 基本要素

5.1 概述

为了保证风力机结构、机械、电气系统和控制系统的安全，在下面的条款中给出了技术要求。这些技术要求应用于风力机的设计、制造、安装、和维护以及相关的质量管理过程。此外，已有的风力机的安装、运输和维护要求中的各种安全规程也必须遵守。 5.2 设计方法

本标准要求采用结构动力学模型，以便预测设计载荷。这个模型应用第6章指出的湍流和其他极端风况以及第7章规定的设计状况来确定风力机工作风速范围内的载荷。应对规定的外部条件与设计工况和载荷情况的所有相关组合进行分析。

风力机的整体结构试验数据，能提高设计数据的可信度，并能验证结构动力模型设计的合理性。

应通过计算和试验来验证设计的合理性。如果用试验验证，则试验室的极限条件必须满足本标准规定的特性值和设计状况。试验条件的选择，包括试验载荷在内，必须考虑相关的安全因素。 5.3 安全等级

风机可按下面两种安全等级中的一种进行设计：

——一般安全等级，当失效的结果能导致人身伤害或造成经济损失和产生社会影响时，采用这一等级。

——特殊安全等级，当安全取决于局部调整或制造厂与用户二者协商决定时，采用这一等级。

一般等级风机的安全系数，本标准7.6条详细说明。

特殊等级风机的安全系数必须由制造厂与用户协商同意。根据特殊安全等级设计的风机即为6.2条定义的S级风级。 5.4 质量保证

质量保证是风力机及其零部件设计、采购、制造、安装和维护的主要部分。 建议质量体系遵照ISO9001要求。 5.5 风力机铭牌

下列内容应突出明显地标示在永久性的产品铭牌上： 风机的制造厂和国家； 型式和产品编号； 生产日期； 额定功率；

参考风速，Vref；

轮毂高度处工作风速范围，Vin Vout

工作环境的允许温度范围； IEC风力机等级（见表1）； 风力机输出端额定电压；

风力机输出端频率或频率范围，通常额定频率偏差大于2%时为频率允许变化范围。

6外部条件

6.1概述

风力机的设计应考虑本章阐述的外部条件。 风力机要承受环境和电气条件的影响，这些影响主要体现在载荷、使用寿命和正常工作等几个方面。为保证一定的安全性和可靠性水平，在设计中要考虑到环境、电力和土壤参数并在设计文件中予以明确规定。

环境条件可进一步划分为风况和其他外部条件。电气条件指的是电网条件。土壤特性关系到风机的基础设计。

各类外部条件可再细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的是周期性结构载荷状况。极端外部条件代表罕见的外部设计条件。潜在的临界外部设计条件与风力机运行模式和其他设计情况相结合构成了设计载荷情况。

对结构整体而言，风况是最基本的外部因素。其他环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等有影响。

根据风机安全等级的要求，设计中要考虑的正常和极端条件详见下列相关条款。 6.2 风机等级

设计中要考虑的外部条件由风力机安装场地或场地类型决定。风力机的等级取决于风速和湍流参数。分级是为了达到充分利用的目的，使风速和湍流参数在不同的场地大体再现，而不是与某一特定场地精确吻合，见11.3节。分级为分机提供了一个的由风速和湍流参数决定的明显的界定。表1规定了确定风机等级的基本参数。

设计人员和用户需要一个更高的风机等级，S级，用于特定风况或特定外部条件或一个特定的安全等级，见5.3。S级的设计值由设计者选取并在设计文件中详细说明。特定设计中，选取的设计值所反映的环境条件要比预期的用户使用环境更为恶劣。

详细的外部条件被分为等级Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，既不包括近海的状况和热带风暴(象飓风、 龙卷风、台风) 的风况，这些情况要求风力机设计为S级。

表1 风力机等级的基本参数

风力机等级

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

S

Vref (m/s)

A Iref( ) B Iref( ) C Iref( )

表中：各数值应用于轮毂高度。

0.16 0.14 0.12

由设计者规

定各参数

Vref表示参考风速10分钟的平均值，

A 表示较高湍流特性级， B 表示中等湍流特性级， C 表示较低湍流的性级

Iref表示在15m/s时湍流密度的期望值。

除了基本参数以外，在风力机设计中还需要其他一些重要的参数规定外部条件。后面称之为风力机ⅠA~ⅢC中增加的参数在6.3，6.4和6.5条中加以说明。

Ⅰ到Ⅲ级的风力机设计寿命至少为20年。

对S级风力机，制造厂应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用第6章的模型，对其参数值应作充分的说明。S级风力机的设计文件包含附录A所列内容。

加在本章后面的小标题后括号中的缩略语是用来描述7.4章定义的设计载荷所需要的风况。 6.3 风况

风力机应设计成能承受由其等级决定的风况。 风况的设计值须在设计文件中明确规定。

从载荷和安全角度出发风况风力机正常工作期间频繁出现的标准风况和一年或50年一遇的极端风况两种。

大部分情况下，风况包括一个恒定的平均气流，这个平均气流结合了一个变化的确定性阵风廓线或者湍流。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°的影响。假定此角的大小不随高度的改变而变化。

“风湍流”一词表示的是10分钟平均风速的随机变化。湍流模型使用时应包括风速、风切变和风向的变化效应并允许通过风切变的变化旋转取样。湍流的这三个分矢量定义为： ——纵向：平均风速方向

——横向：水平且垂直纵向的方向

——上向：垂直于纵向和横向，也就是从垂线方向倾斜一个平均气流倾斜角的方向

标准的风力机等级，湍流模型的风矢量应满足下列要求。

(a) 湍流标准偏差，σ1，其值在后面小节中给出，应假设其不随离地面高度变化。垂直于平均风速方向的两个分量有如下的最小标准偏差：

——横向分量：σ2≥0.7σ1 ——上向分量：σ3≥0.5σ1

（b）纵向湍流尺寸参数，Λ1，在轮毂高度z处由下式确定

0.7z z≤60m

Λ1＝

42m z≥60m

(5)

随频率在惯性负区的增加，三个互相垂直的分量的能量谱密度，S1(f)、S2(f)和

S3(f)，逐渐接近下列形式：

S1(f)=0.05σ(Λ1hub)21

f

(6)

S2(f)=S3(f)=

4

S1(f) 3

(7)

（c）将使用一个公认的相干模型，这个模型定义为联合光谱数与纵向速率分量的自动谱在纵向方向的法线面上的空间离散点处的比值。

满足上述要求的Mann均匀切变湍流模型由附录B给出。其他满足上述要求的常用模型也在附录B给出。其余的模型应慎用，因为模型的选择会严重影响载荷。 6.3.1 正常风况 6.3.1.1 风速分布

风速分布对于风机的设计至关重要，，因为它决定正常设计情况下各级载荷出现的频率。

10分钟平均风速按瑞利分布计算，此时轮毂高度概率分布为：

2 PR(Vhub)=1 exp π(V2V)hubave

(8)

其中，对标准的风机等级，Vave应按照式(9)选取。

6.3.1.2 正常风廓线模型（NWP）

Vave=0.2Vref

(9)

风廓线V(z)表所示的是平均风速随离地面高度z变化的函数。对风机的标准级， 正常的风廓线由幂函数给出：

V(z)=Vhub(zzhub)α

(10)

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切变。

6.3.1.3 正常湍流模型（NTM）

对正常湍流模型，湍流标准偏差的代表值σ1，90%情况下由轮毂高度处的风速给出。对标准风机等级，这个值由下式给出：

σ1=0.2Iref(0.75Vhub+b); 5.6m/sb=

(11)

湍流标准偏差σ1和湍流密度σ1hub如图1a和1b所示。Iref的值由表1给出。

图1 a 正常湍流模型的标准偏差

图1b 正常湍流模型的湍流密度

图1 正常湍流模型

6.3.2 极端风况

极端风况包括风切边及由暴风造成的风速峰值及风向和风速的迅速变化。 6.3.2.1 极端风速模型（EWM）

EWM可以是稳定风模型或者湍流风模型。这些风模型由参考风速Vref和固定的湍流标准偏差σ1的来定义。

对于稳定的极端风速模型，50年一遇和1年一遇极端风速Ve50和Ve1作为高度z的函数用下式计算：

和

Ve50(z)=1.4Vref(zzhub)0.11

(12)

Ve1(z)=0.8Ve50(z)

(13)

在稳定的极端风速模型中，与平均风向的短期偏离允许值可以通过假定固定的偏航角误差在±15°来确定。

对于湍流极端风速模型，50年一遇和1年一遇的10分钟内平均风速作为高度z的函数用下式计算：

V50(z)=Vref(zzhub)0.11

(14)

V1(z)=0.8V50(z)

纵向湍流标准偏差为：

σ1=0.11Vhub

6.3.2.2 极端工作阵风

标准等级风机轮毂高度处阵风幅值Vgust由下面关系是给出：

V=Min 1.35(Vσ1 gust

e1 Vhub);3.3 1+0.1(D

Λ) 1 式中：

σ1 由公式（11）给出；

Λ1 湍流尺寸参数，由公式（5）选取；

D 风轮直径。

风速由下式确定：

V(z,t)=

V(z) 0.37Vgustsin(3πt)(1 cos(2πt) 0≤t≤T

V(z) 其他

式中：

V(z) 由公式（10）确定

T= 10.5s

当Vhub=25m/s，等级为ⅠA，D=42m时的极端工作阵风如图2所示：(15)

(16)

(17)

(18)

图2 极端工作阵风范例

6.3.2.3 极端湍流模型（ETM）

极端湍流模型要用到6.3.1.2的正常风廓线模型，有纵向分量的湍流的标准偏差由下式给出。

σ1=cIref 0.072 ave+3 hub 4 +10 ;c=2 m/s

c c

V V

(19)

6.3.2.4 极端风向变化（EDC）

极端风向变化值，θe，由下列关系式计算：

σ1

θe=±arctan D V 1+0.1 hub Λ 1

(20)

式中：

σ1 由NTM公式（11）给出；

θe 限制在±180°之间

Λ1 湍流尺寸参数，由公式（5）选取；

D 风轮直径。

极端风向变化的瞬时值，θ(t)，由下式给出：

0° t<0

θ(t)= ±0.5θe(1-cos(πt)) 0≤t≤T

θe t>T

(21)

此处，风向极端变化持续时间T=6s。最大瞬时载荷发生时，应有信号发生。风向瞬时变化结束后，认为风向保持不变。 风速遵从6.3.1.2正常风廓线模型。

比如，湍流类型为A，风轮直径D=42m，轮毂高度zhub=30m时的极端风向变化随Vhub

的变化如图3所示。对应Vhub=25m/s时的瞬时值如图4所示。

图3 极端风向幅值变化范例 图4 极端风向变化范例 6.3.2.5 风向变化的极端相干阵风（ECD）

风向变化的极端相干阵风幅值为：

风速由下式确定：

Vcg=15m/s

(22)

V(z) t≤0

V(z,t)= V(z)+0.5Vcg(1-cos(πt)) 0≤t≤T

V(z)+Vcg t≥T

(23)

式中T=10s是上升时间，风速 V(z)由6.3.1.2的正常风廓线给出。Vhub=25m/s时极端相干风速中风速的上升如图5所示。

图5 方向变化的极端相干阵风幅值范例

假定风速的上升与风向变化θ从0°到θcg是同步的，θcg由下面的关系式确定：

180° Vhub<4m/s

θcg(Vhub)= 720°m/s

< 4m/s<VVhubref V

hub

(24)

同步的风向变化由下面的关系式给出：

0° t<0

θ(t)= ±0.5θcg(1-cos(πt)) 0≤t≤T

±θcg t>T

(25)

式中T=10s是上升时间。

风向的变化θ(t)与时间的关系（Vhub=25m/s时），风向的变化θcg与风速Vhub的关系，分别见图6和图7。

图6 ECD风向变化 图7 风向变化历程范例

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