风力发电机组安全要求

公司标准化编码[QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]风力发电机组安全要求GBICSF11中华人民共和国国家标准GB/T18451-2001idtIEC61400-1:1999风力发电机组安全要求Windturbinegeneratorsystems-Safetyrequirements2001-09-15发布2002-04-01实施发布中华人民共和国国家质量监督检验疫总局目次TOC\h\z\t"标题1,1,标题2,2"附录A（标准的附录）S级WTGS的设计参数32附录B（标准的附录）随机湍流模型33附录C（标准的附录）确定湍流的描述34前言本标准的第5章、第8章、第9章、第10章为强制性的，其他为推荐性的。本标准等同采用IEC61400—1：1999《风力发电机组安全要求》本标准的编写格式和规则符合GB／T，保留了IEC61400—1：1999的前言和引言，同时增加了本标准的“前言”。本标准的附录A、附录B和附录C是标准的附录。本标准由全国风力机械标准化技术委员会提出。本标准由全国风力机械标准化技术委员会归口。本标准起草单位：全国风力机械标准化技术委员会秘书处。本标准主要起草人：王建平、李秀荣。IEC前言1）IEC（国际电工委员会）是由各国电工委员会（IEC国家委员会）组成的世界标准化委员会组织。IEC的宗旨是促进电气和电子领域有关标准化问题的国际问合作。为了这个宗旨开展其活动。IEC发布国际标准，标准的制定工作委托给技术委员会；任何IEC国家委员会对涉及的项目感兴趣的话，都可以参加该项目的制定工作。与IEC建立了联络关系的国际的、政府的和非政府的组织均可参加制定工作。IEC与国际标准化组织（ISO）根据两个组织间确立的条件，密切合作。2）IEC技术问题的正式决议和协议，尽可能地表达了国际问对有关项目一致的观点·因为每个技术委员会都是由对该问题感兴趣的国家委员会代表组成的。3）制定的文件推荐给国际上使用，并以正式标准形式，技术形式或技术指导文件形式发布。这些文件，在某种意义上讲，要由各国家委员会认可。4）为了促进国际问的统一，各IEC国家委员会应明确，在其国家和地区性标准中应最大限度地采用IEC国际标准。IEC国际标准与相应的国家或地区性标准之间的差异，都应在后者给以明确指出。5）IEC不提供其标准制定及批准过程说明，也不对任何设备宣称的与某一标准相一致的说明承担责任。6）应注意本国际标准的某些部分属于专利项目的可能性。IEC不负鉴别这些专利项目的责任。国际标准IEC61400-1是由IEC第88技术委员会：风力发电机组工作组制定的。IEC61400-1第二版代替1994年发布的第一版，第一版取消。该标准版本基于下列文件：FDIS投票报告88／98／FDIS88／103／RVD关于赞同本标准的完整信息，可在上表指出的投票报告中找到。附录A，B和C是本标准必要的部分。日后，本标准将用两种文字发布。IEC引言本标准概述了风力发电机组最低的安全要求，它不能作为完整的#设计#或结构设计手册来使用。经适当论证后，认为取消某条要求不会牺牲机组安全，那么这条要求就可以放弃。但这一原则不适于第6条。使用本标准，并不意味着任何个人，组织或团体可以不遵守其他适用的标准或法规。中华人民共和国国家标准风力发电机组安全要求Windturbinegeneratorsystems-SafetyrequirementsGBidtIEC61400-1:19991范围本标准规定了风力发电机组（WTGS）在特定的环境条件下，设计、安装、维护和运行中的安全要求。本标准涉及到风力发电机组各子系统，如控制和保护机构，内部电气设备，机械系统。支承结构以及电气联接设备。本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40m2的风力发电机组。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构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB一l998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）（eqvIEC61000—3—2：1995）GB～1999电磁兼容限值对额定电流不大于l6A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（idtIEC61000—3—3：1994）GB／T～1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验（idtIEC61000—4—2：1995）GB／T～1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验（idtIEC61000-4-3：1995）GB／T1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（idtIEC61000—4—4：1995）GB／T1999电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验（idtIEC61000—4—5：1995）IS02394：1986结构可靠性基本原理IEC60204—1：1997工业机械电气设备——第1部分：通用技术条件IEC60364（全部）建筑物电气装置IEC60721—2—1：1982环境条件分类——第2部分：自然环境——温度和湿度IEC61024—1：1990建筑物防雷设计规范IEC61312—1：l995雷电电磁脉冲防护3定义本标准采用下列定义。年平均annualaverage数量和持续时间足够长的一组测量数据的平均值，供作估计期望值用。时间周期应是一个完整的年数，以便将不稳定因素（如季节变化等）平均在内。年平均风速annualaveragewindspeed按照年平均的定义确定的平均风速。自动接通周期auto-reclosingcycle故障消除后电网重新接通且WTGS也重新接通电网后，离合器松开需要的从到数秒的一段时间。锁定（风力机）blocking（windturbines）利用机械销或其他装置（而不是通常用的机械制动盘）防止风轮轴或偏航机构运动。制动器（风力机）brake（windturbines）能降低风轮转速或能停止风轮旋转的装置。严重故障（风力机）catastrophicfailure（windturbines）零部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受损。特性值（材料性能）characteristicvalue（ofamaterialproperty）材料具有的规定的概率值，这个值不是由假定的无限次试验获得。复杂地形带complexterrain风电场场地周围属地开显着变化的地带或有能引起所流畸变的障碍物带。控制系统（风力机）controlsystem（windturbines）接受风力机或其他环境信息，调节风力机，使其保持在工作要求范围内的系统。切入风速（υin）cutinwindspeed风力机开始发电机，轮毂高度（轮毂高度）处的最低风速。切出风速（υout）cut-outwindspeed风力机达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速。设计极限designlimits设计中采用的最大值或最小值。潜在故障dormantfailure（alsoknownaslatentfault）正常运行中未被发现的系统或部件的故障。下风向downwind主风方向。电网electricalpowernetwork用于输送和分配电能的专用设备、变电站、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。紧急关机（风力机）emergencyshutdown（windturbines）保护系统触发或人工干预下使风力机的迅速关机。环境条件environmentalcon影响WTGS工况的环境特征（海拔高度，温度，湿度等）。外部条件（风力机）externalconditions（windturbines）影响风力机工作的诸因素，包括风况，电网条件和其他气象因素（温度、冰、雪等）。极端风速extremewindspeedt秒内的平均最高风速，它可能是N年一遇（重现周期N年）。注：本标准采用的重现周期N=50年和N=1年，采用的时限T=3s和T=10s。极端风速即为俗称的“安全风速”。故障风险fail-safe避免由故障引发产品产品严重破坏的设计特性。阵风gust超过平均风速的突然和暂短的风速变化。注：阵风可用它的上升-时间，即幅度-持续时间表达。水平轴风力机horizontalaxiswindturbine风轮轴基本上平行于风向的风力机。轮毂（风力机）hub-windturbines将叶片或叶片组固定到轮轴上的装置。轮毂高度（风力机）hub-height（windturbines）从地面到风轮扫掠面（见扫掠面积）中心的高度。空转（风力机）idling（windturbines）风力机缓慢旋转而不发电的状态。湍流惯性负区inertialsubrange风速湍流谱的频率区间，此区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失忽略不计。注：在典型的10m/s风速，惯性负区的频率范围大致从到2kHz。孤立运行isolatedoperation离网后，分离的动力系统稳定的或是暂时的运行。极限状态limitstate结构受力的一种状态，如果作用力超过这一状态，则结构不再满足设计要求（ISO2394）注：设计计算（即极限状态的设计要求）的目的是使结构达到极限状态的概率小于结构规定值（ISO2394）。对数风切变律logarithmicwindshearlaw表示风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。最大功率（风力机）maximumpower（windturbines）正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。平均风速meanwindspeed给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间可从几秒到数年不等。机舱nacelle设在水平轴风力机塔架顶部，包容传动系统和其他装置的部件。电网联接点（风力机）networkconnectionpoint（windturbines）对单台风力机组是输出电缆终端，而对风电场是电网与电力汇集系统总线的联接点。正常关机（风力机）normalshutdown（windturbines）关机全过程都是在控制系统控制下进行的关机。工作范围operatinglimits由WTGS设计者确定的支配控制系统和安全防护系统的诸多条件。风力机停机parkedwindturbine根据风力机结构的不同，决定是采用静止或是空转的停机状态。电力汇集系统（风力机）powercollectionsystem（windturbines）汇集一个或多个风力发电机组电能的电力联接系统。它包括WTGS终端与电网联接点之间的所有电气设备。风切变幂律powerlawforwindshear表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。功率输出poweroutput通过专用设备将电能输送给用电设备的过程。保护系统（风力机）protectionsystem（windturbines）确保WTGS运行在设计范围内的系统。额定功率ratedpower在正常的工作条件下，部件、装置或设备赋予的功率数。注：（风力机）正常工作条件下，WTGS设计要达到的最大连续输出电功率。额定风速（υr）ratedwindspeed风力机达到额定功率输出时规定的风速。瑞利分布Rayleighdistribution经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于形状参数和尺度参数，它控制平均风速分布（见）。参考风速（υref）referencewindspeed用于确定WTGS级别的基本极端风速参数。与气候相关的其他设计参数均可从参考风速和其他基本等级参数中得到（见第6章）。注：用参考风速υref设计的风力机，轮毂高度承受的50年一遇10min平均最大风速应小于或等于υref。共振resonance振动系统中出现的一种现象，此时强迫振动频率非常接近振动系统固有振动频率。旋转采样风矢量rotationallysampledwindvelocity旋转风力机风轮上某一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有明显的不同。风轮旋转时，叶片切人气流，流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的流谱和由此产生的谐量。风轮转速（风力机）rotorspeed（windturbines）风力机风轮绕其轴的旋转速度。粗糙长度roughnesslength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，平均风速变为0时推算出的高度。安全寿命safeli{e严重失效前的预期使用时间。定期维护scheduledmaintenance严格按预定的日期表进行的预防性维护。使用极限状态serviceabilitylimitstate规范管理中正常使用下的边界条件。静止standstillWTGS的停止状态。支撑结构（风力机）supportstructure（windturbines）由塔架和基础组成的风力机部分。安全风速survivalwindspeed结构能承受的最大没计风速的俗称。注：本标准不采用这一术语，设计时可参考极端风速（见）。扫掠面积sweptarea垂直于风矢量平面上的，风轮旋转时叶尖运动所生成圆的投影面积。湍流强度turbulenceintensity标准风速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。湍流尺度参数turbulencescaleparameter纵向功率谱密度等于的无量纲的波长。注：由此。波长可以这样确定Λ1=υhub/f0，式中f0S1(f0)/σ20=。最大极限状态ultimatelimitstate通常指风力机处于能承受最大载荷的极限状态，即与损坏和可能造成损坏的错位或变形对应的极限状态。不定期维护unscheduledmaintenance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。上风向upwind主风方向的相反方向。垂直轴风力机verticalaxiswindturbine风轮轴垂直的风力机。威布尔分布Weibulldistribution一种概率分布函数，见（风速分布）。风力田windfarm见（风电场）。风电场windpowerstation由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站，通常称风电场。风廓线；风切变律windprofile；windshearlaw风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。注：通常应用（1）对数廓线（2）指数廓线。…………………（1）…………………………………（2）式中：υ（z）一高度Z处风速；Z——离地面高度；Zr——用于拟合风廓线的离地面标准高度；Z0——粗糙长度；α一一风切变指数（或幂）。风速分布windspeeddistribution用于描述连续时限内风速概率分布的函数。注：通常应用的函数是瑞利分布函数PR（υ0）和威布尔分布函数PW（υ0）。…………………………（3）………………………………（4）式中：P（υ0）——累积概率函数，也即υ＜υ0的概率；υ0——风速（极限）；υave一一风速的平均值；C——威布尔分布函数的尺度参数；k——威布尔分布函数的形状参数；Г——伽马函数。C和k者均可由真值推算出。如果选择k=2，也即C和υave满足（4）式k=2的条件，则瑞利分布函数与威布尔分布函数相同。分布函数所表达的是小于υ0风速的累积概率。如果估算υ1到υ2之间的分布，则式[P（υ1）-P（υ2）]给出了υ1与υ2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。风切变windshear风速在垂直于风向平面内的变化。风切变律指数windspearexponent通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。风速windspeed空间特定点的风速为该点周围气体微团的移动速度。注：风速即风矢量的数值（见风矢量）。风力发电机组（WTGS）windturbinegeneratorsystem将风的动能转换为电能的系数。风矢量windvelocity标有被研究某点气体微团运动方向，其值等于“气体微团”运动速度（即该点风速）的矢量。注：空间任意点的风矢量，是“气体微团”通过该点的时间的导数。WTGS电力系统WTGSelectricalsystem所有WTGS内部电气设备到WTGS的终端，包括接地、连接、通讯设备。由风力发电机到地线网络的一段导线也包括在内。WTGS终端WTGSterminalsWTGS供电器上的一点，通过它WTGS被接到电力汇集系统上。它还应包括为输送电能和通讯目的的连接。偏航yawing风轮轴绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。偏航角误差yawmisalignment风轮轴线偏离风向的水平偏差。4符号和缩写符号和单位α湍流标准偏差模型斜率[-]C威布尔分布函数的尺度参数[m/s]Coh相干函数D风轮直径[m]f频率[s-1]fd材料的计算应力值[-]fk材料的强度值[-]Fd设计载荷[-]Fk载荷值[-]I15轮毂高度10min平均15m/s风速下的湍流强度值[-]k威布尔分布函数的形状参数[-]K修正的贝塞尔函数[-]L均匀湍流整体尺度参数[m]Lk速度分量的总体尺度参数[m]nibinI中疲劳循环次数[-]N<.>由于应力（或应变）作用失效的理论循环次数（也即s-n）曲线[-]N极限状况出现周期[a]p幸存概率[-]PR（υ0）瑞利概率分布，也即υ＜υ0的概率[-]PW（υ0）威布尔概率分布[-]r分矢量投影值[m]Sibini内对应某一循环次数的应力（或应变）水平[-]Si（f）能谱密度分量谱[m2/s2]Sk单面速度分量谱[m2/s2]T阵风特性时间[s]V风速[m/s]t时间[s]V风速[m/s]υzZ高度风速[m/s]υave轮毂高度年平均风速[m/s]υcg风轮扫掠面上极端相干阵风值[m/s]υeNN年一遇极大风速（平均3s）期望值υe1、υe50分别表示一年一遇和50年一遇[m/s]υgustNN年一遇极大阵风期望值[m/s]υhub轮毂高度10min平均风速[m/s]υin切入风速[m/s]υ0风速分布模型中极限风速[m/s]υout切出风速[m/s]υr额定风速[m/s]υres10min平均参考风速[m/s]υ（y,z,t）用于描述瞬时水平风切变化的纵向风速分量[m/s]υ（z,t）用于描述限阵风瞬时变化和风切变状况的纵向风速分量[m/s]x,y,z用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风[m]Zhub风力机轮毂高度[m]Zr离地面参考高度[m]Z0对数风廓线的粗糙长度[m]α风切变指数[-]β最大风向变化模型参数[-]δ变化系数[-]Г伽马函数[-]γf载荷安全系数[-]γm材料安全系数[-]γn损伤安全系数[-]θ（t）风向变化过渡过程[°]θcg阵风方向与平均风速方向最大偏离[°]θeNN年一遇最大风向变化[°]Λ1由波长确定的湍流尺度参数，无量钢，纵向能谱强度fS1（f）／σ12等于[m]σ1轮毂高纵向风速标准偏差[m/s]σkk轮毂高风速分量标准偏差（k=l，2或3）[m／s]缩写A异常（安全系数）交流电C使用性制约直流电DLC设计载荷情况ECD方向变化的最大相干阵风ECG最大相干阵风EDC最大风向变化EOG最大工作阵风EWM最大风速模型EWS最大风切变F疲劳HAWT水平轴风力机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SIECWTGS分类T运输和安装（安全系数）U极限VAWT垂直轴风力机WTGS风力发电机组5基本要素概述为了保证WTGS机构、结构、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WTGS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WTGS的安装、运输和维护要求中的各种安全规程也必须遵守。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。以确定具体型号WTGS设计载荷组。WTGS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，则试验时的极限条件必须满足本标准规定的特性值与设计状况。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。安全等级WTGS可按下面两种安全等级中的一种进行设计：——一般安全等级，当失效的结果可能导致人身伤害，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WTGS的安全系数，本标准条详细说明。特殊等级WTGS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WTGS即为条定义的S级WTGS。质量保证质量保证是WTGS及其零部件设计、采购、制造、安装、运行和维护的主要部分。建议质量体系遵照相关国家标准要求。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：——WTGS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υref；——轮毂高工作风速范围υin-υout；——工作环境的允许温度范围；——WTGS的等级（见表l）；——WTGS输出端额定电压；——WTGS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外部条件概述在WTGS的设计中应考虑本章阐述的外部条件。WTGS要承受环境和电对它的影响，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。电力的条件则可参照电网条件。土壤特性关系到WTGS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长期结构载荷和运行状态。极端外部条件出现机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件。设计载荷情况由这些外部条件与风力机运行模式结合而构成。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WTGS安全等级的要求，设计中要考虑正常和极端条件，详见下列相关条款。风力发电机组分级设计中要考虑的外部条件由WTGS安装场地类型决定。而WTGS等级又取决于风速和湍流参数。分级是想要达到最大限度应用的目的，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细吻合，见ll章。总的目的是要得到明显由风速和湍流参数决定的W7I'GS的等级。表1规定了确定WTGS等级的基本参数。在这些情况中，需要一个特定的（例如特定风况或特定外部条件或一个特定安全等级，见）更高的WTGS等级，这个等级定为S级。S级WTGS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，选取的设计值所反应的环境条件要比预期的用户使用环境更为恶劣。近海安装的风力机的特殊外部条件要求WTGS的设计为S级。表1各等级WTGS基本参数WTGS等级ⅠⅡⅢⅣSυref[m/s]5030由设计者规定各参数υave[m/s]106AI15[-]a[-]2222BI15[-]a[-]3333表中：各数值应用于轮毂高。A表示较高湍流特性级，B表示较低湍流特性级，I15湍流强度15m/s时特性值，a公式（7）中斜率参数。除了基本参数以外，在WTGS的设计中还需要一些更重要的参数规定外部条件。后面称之为WTGS标准等级的ⅠA～ⅣB中增加的参数在，和条中加以说明。设计寿命应为20年。对S级WTGS，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WTGS的设计文件包含附录A所列内容。风况WTGS应设计成能安全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可分为WTGS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。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°的影响。假定此夹角大小不随高度改变而变化。正常风况风速分布场地的风速分布对WTGS的设计是至关重要的，因为它决定各级载荷出现的频率。对标准等级的WTGS计算设计载荷时，10min平均风速按瑞利分布计算。此时轮毂高概率分布为：PR（υhub）=1-exp[-π(υhub/2υave)2]…………………………………（5）正常风廓线模型（NWP）风廓线υ（Z）表示的是平均风速随离地高度Z变化的函数。WTGS的标准级，正常风廓线假定按：υ（Z）=υhub（Z/Zhub）a…………………………………（6）指数a假定为。风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风速切实。正常湍流模型（NTM）“风湍流”一词表示的是10分钟平均风速的随机变化。湍流模型包括风速变化效应，风向变化效应和样机转动的效应。标准级WTGS，随机风矢量场能谱强度，不管是否在模型中明确地应用，都必须满足下列要求：a）纵向风速分量标准偏差特性值由下式给出在计算载荷时除了表2内容外，还可以近似地使用不同的百分位数。这些百分位数的附加值，确定如下：Δσ1=（X-1）（2m/s）I15式中X由正常概率分布函数确定，如95%时，X=。：σ1=I15（15m/s+αυhub）/（α+1）…………………………………（7）I15和α值由表1给出。在I15和α有特定值前提下σ1和湍流强度σ1/υhub的特性值作随风速变化的函数见图1。假定标准偏差不随离地面高度变化。图1风湍流特性b）靠近惯性负区高频尾端，湍流纵向分量能谱强度S1（f）逐渐接近下列形式：S1（f）=（σ1）2（Λ1/υhub）-2/3f-5/3…………………………（8）湍流尺度参数由下式确定：…………………………………（9）满足上述要求的随机湍流模型的说明由附录B给出。在随机湍流模型基础上确立的简化模型由附录C给出。确定的简化模型当其被验证风轮叶片对旋转取样风速响应是充分衰减时使用。附录C也给出了对这个问题的说明。极端风速模型（EWM）50年一遇和1年一遇极端风速υe50(Z)=υref（Z/Zhub）…………………………………（10）υe1（Z）=υe50（Z）…………………………………（11）式中：Zhub——轮毂高2）现场设计准则可以这样描述，即风速和气动压力随高度而变化，但由上述关系式得到的结果同规定值差异甚少。。假定与平均风向短期偏离为±15°极端工作阵风（EOG）标准级WTGSN年一遇轮毂高阵风值υgutN由下面的关系式给出：……………………………………（l2）式中：σ1——标准偏差，由公式（7）计算；Λ1——湍流尺度参数，由公式（9）选取；D一风轮直径；β=N=1；β=N=50。………………………（13）式中：υ（Z）由公式（6）进行计算：T=SN=1；T=SN=50。如一年一遇，湍流种类为A类，风轮直径42m，轮毂高30m，υhub=25m／s的极端工作阵风，见图2。极端风向变化（EDC）N年一遇极端风向变化值护θeN，用下面公式进行计算：………………………（14）式中：θeN——限定在±180°范围内；Λ1——湍流尺度参数，由（9）式计算；D——风轮直径；β=N=1；β=N=50。N年一遇风向瞬时极端变化θN（t），由下式给出：…………………（15）此处，瞬时风向极端变化持续时间T=6s。最大瞬时载荷发生时，应有信号发出。风向瞬时变化结束后，认为风向保持不变。并假定风速遵从正常风廓线模型（NWP）。如50年一遇，湍流类型为A，风轮直径42m，轮毂高30m，υhub=25m／s的极限风向变化见图3。（N=50，A类，D=42m，Zhub=30m）（N=50，A类，D=42m，Zhub=30m，υhub=25m／s）极端相干阵风（ECG）标准级WTGS的设计需假定极端相干阵风具有υcg=15m／s的幅值。风速由下式确定：……………（16）此外，上升时间T=10S，υ（z）为给出的风速。应用公式（6）规定的正常风廓线。υhub=25m／s时极端相干阵风见图5。方向变化的极端相干阵风（ECD）在这种情况下，假定风速的上升（由ECG阐述的，见图5）与风向的变化是同步进行的。θcg由下面的关系式确定：……………………（17）同步的方向变化由下面关系式给出：…………………（18）此处上升时间T=10S。应用公式（6）规定的正常风廓线。风向的变化θcg与风速υhub的关系，风向的变化与时间的关系（υhub=25m／s时），分别见图6和图7。图6ECD风向变化图7υhub=25m/s时风向变化时间历程极端风速切变（EWS）50年一遇极端风速切变应用于下列两种瞬时风速来计算：——瞬时垂直切变…………………（19）——瞬时水平切变…………………（20）式中：α=；β=；T=12s；Λ1——湍流尺度参数，由公式（9）计算；D——风轮直径。图8图9要挑选水平风速切变信号，以使最严重的瞬时载荷出现。两种极端风切变是分别考虑的，所以不能同时应用。作为一例，50年一遇极端垂直风速切变在图8中予以说明，图中示出开始前的风速切变（t=0s）和最大切变（t=6s）。图9则表示出风轮上部和下部风速切变的时间历程。两图中均假定湍流类型为A，υhub=25m/s，Zhub=30m，风轮直径D=42m。其他环境条件除了风速外，其他环境（气候）条件通过热、光、化学、腐蚀、机械、电的或其他物理作用都会影响WTGS的完整性和安全性。而且综合的气候因素更会加剧这种影响。至少应考虑下列其他环境条件，并将它们的作用在设计中阐明。——温度；——湿度；——空气密度；——太阳辐射；——雨、冰雹、冰雪；——化学作用物质；——机械作用颗粒；——雷电；——地震；——盐雾。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。选择设计值中，诸多气象条件同时出现的可能性也应予考虑。对应一年周期里正常范围内气候变化不应影响WTGS正常运行。除了相关存在因素外，中的极端环境条件应和中正常风况结合起来考虑。其他正常环境条件应考虑的其他正常环境条件——设备正常工作环境温度范围-10℃～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（见IEC60721-2-1）；——太阳辐射强度1000W/m2；——空气密度m3。由设计者规定附加外部环境条件参数时，这些参数的值应在设计文件中说明，并应符合IEC60721-2-1的要求。其他极端环境条件WTGS设计中应考虑的其他极端环境条件是温度、雷电、冰和地震。温度标准级WTGS极端温度范围设计值至少应是-20℃～+50℃。雷电第条防雷措施适用于标准级风力发电机组。冰应给出标准级WTGS结冰时的最低要求。地震应给出标准级WTGS地震时的最低要求。电网条件下面列出设计中要考虑的WTGS终端正常条件。当下列参数在下述范围内时.采用正常电网条件。——电压，额定值±l0％——频率，额定值±2%——电压不稳定，电压的负量与正量的比值不超过2％——断电，假定一年内断电20次，风力机设计的最长断电持续时间为一星期以上来设计。7结构设计概述风力机结构设计应以承载件结构完整性的验证为基础。零部件的极限强度和疲劳强度须通过计算或试验来验证，以表明相应安全等级的WTGS结构的完整性。应以ISO2394为基础进行结构分析。确定一个能够接受的安全等级，并通过计算或试验来验证，以示载荷未超过设计值。采用适当的方法进行计算。设计文件中需提供计算方法的说明。说明应包括计算方法有效性的证据或相应研究验证的参考文献。试验中的载荷水平应能反映相应计算中的安全系数。设计方法应验证风力机极端状态未超出设计范围。模型试验和样机试验可以代替计算来验证结构没计的合理性，如ISO2394的规定3）IsO2394定义极限状态和使用状态如下：结构和作用于其上的力的一种状态，一旦超过这种状态，结构不再满足设计要求。设汁计算的目的是要使所研究的结构处在规定极限值以下。例如：最大极限状态相当于：●视为刚体的结构或其一部分失去平衡（如倾覆）；●自由超过极限强度（或由于交变载荷强度减少）或材料最大变形，造成结构危险剖面的断裂；●机构机理破坏.失去稳定（弯曲等）。例如.使用效能和影响结构件或非结构件外表的变形：●造成不舒适，影响非结构件或设备的超标振动（尤其是发生共振）；●减少结构耐久性的和影响使用功能或影响结构件非结构件外表的局部损伤。为了在设计中控制使用极限状态，通常使用一个或多个约束，如规定最大变形、最大加速度、最大裂纹等。。载荷设计计算中应考虑阐述的载荷。惯性力和重力载荷惯性力和重力载荷是作用于WTGS的静态和动态载荷，它们是由振动、旋转、地球引力以及地震的作用产生的。空气动力载荷空气动力载荷也是静态的和动态的载荷，它们是由气流与WTGS的固定件或运动件相互作用引起的。空气动力视风轮转速，穿过风轮平面的风速、湍流、空气密度和风力机零部件气动类型和它们之间相互作用（包括气动弹性）而定。运行载荷运行载荷由WTGS的操作和控制而产生。与其他载荷是一样的。均与风轮转速的控制有关，如通过叶片变浆或其他气动装置进行扭矩控制，从而控制转速。这些载荷包括由风轮起动和停止而引起的传动机构制动瞬时载荷，发电机接通和分离引起的载荷和偏航引起的载荷。其他载荷其他载荷，如波动载荷，尾流载荷，冲出载荷，冰载荷都可能发生。这些载荷可适当计入总载荷考虑，见第ll章。设计工况和载荷状态本条阐明了WTGS结构载荷状态，并规定了设计中需考虑的最低数量。为了达到设计目的，WTGS的寿命以机组将要承受的。包含各重要条件的设计工况来体现。载荷状态取决于装配、吊装、维护、运行状态、设计工况与外部条件的组合方式。将具有合理发生概率的各相关载荷状态与控制和保护系统动作，放在一起考虑。通常用于确定WTGS结构完整性的载荷状态，用下面的组合形式进行计算：——正常设计工况和正常外部条件；——正常设计工况和极端外部条件；——故障设计工况和相应的外部条件；——运输、安装和维护设计工况与相应的外部条件。如果极端外部条件和故障工况二者相关存在，可以考虑将它们组合在一起，作为一种载荷状态。在每种设计工况中。为使WTGS结构设计的完整，要考虑几种载荷状态。表2所列是考虑的最少载荷情况。表中，每种设计工况通过对风、电和其他外部条件的说明都规定了设计载荷状态。在特殊的WTGS的设计中，如需要，也可以考虑其他有关安全设计载荷状态。表2中，对各设计工况用“F”和“U”注明相应的分析方法。F表示疲劳载荷分析，用于评定疲劳强度。U表示极限载荷分析，如超越材料最大强度极限的分析、叶尖挠度分析、稳定分析等。标有“U”的设计工况，又分为正常（N），非正常（A），运输和安装（T）等类。在风力机正常寿命期内，正常设计工况是要频繁出现的。此时风力机经常处于正常状态或仅出现短时的异常或轻微的故障。非正常设计工况出现的可能性较小。它的出现往往对应产生严重故障，例如保护系统的故障。设计工况的形式N，A或T决定极限载荷使用的安全系数γf。这些系数在条的表3和表4中给出。表2列出了风速范围，应考虑到风速对WTGS产生的最严重影响。将风速范围分成若干个区段，并对每一段给出WTGS适当的寿命百分比。确定载荷状态时，应参考第6章阐述的风况。表2载荷情况设计工况DLC风况其他情况分析方法局部安全系数1）发电NTMυhub=υr或υoutUNNTMυin<υhub<υoutF*ECDυhub=υrUNNWPυhub=υr或υout外部电故障UNEOG1υhub=υr或υout电线损伤UNEOG50υhub=υr或υoutUNEWSυhub=υr或υoutUNEDC50υhub=υr或υoutUNECGυhub=υrUN2）发电兼有故障NWPυhub=υr或υout控制系统故障UNNWPυhub=υr或υout保护系统或内部电气故障UANTMυin<υhub<υout控制（保护）系统故障F*3）起动NWPυin<υhub<υoutF*EOGlυhub=υinυr或υoutUNEDClυhub=υinυr或υoutUN表2(完)设计工况DLC风况其他情况分析方法局部安全系数4）正常关机NWMυin<υhub<υoutF*EOG1υhub=υr或υoutUN5）紧急关机NWPυhub=υr或υoutUN6）停机（静止或空转EWMυhub=υr或υ腻0可能电网损坏UNNTMυhub<υrefF*7）停机兼故障EWMυhub=υe1UA8）运输、组装、维护、修理由制造厂加以说明T缩写见下面。*如果未确定切出风速υout,mjetυref代替。DLC设计载荷状态ECD方向变化的极端相干阵风（见）ECG极端相干阵风（见）EDC极端风向变化（见）EOG极端工作阵风（）EWM极端风速模型（）EWS极端风速切变（）Subscript以年计发生一次的机会NTM正常湍流模型（见）NWP正常风廓线模型（见）F疲劳U最大N正常的和极端的A非正常的T运输和安装*疲劳安全系数（见）发电（～）这种设计工况，WTGS处在运行状态，并被接有电力负载。WTGS总布局应考虑风轮不平衡的影响。设计计算中应考虑制造中规定的最大不平衡重量的气动不平衡（如叶片浆距和偏航角）。另外，理论最佳运行状态偏差，如偏航角偏差，控制系统轨迹误差等，在分析运行荷载时应予考虑。计算中应假设各种情意最不利的组合，例如风向变化与偏航角偏差的组合（）或阵风与电负荷损失（）的组合。设计载荷情况和包含了由大气湍流造成的载荷要求。和～规定了WTGS使用寿命期间可能出现的临界事件的瞬态情况。和考虑的则是外部故障和电负荷损失的瞬态情况。发电兼有故障（～）控制系统或保护系统故障，电气系统内部故障（如发电机短路），WTGS大的负荷都有可能在发电过程中发生。对控制系统产生的故障（认为是正常现象）应进行分析。对保护系统或内部电气系统出现的故障（认为是罕见的现象）应进行分析。如果发生故障后未能引起立刻关机，由此产生的荷载可导致严重疲劳破坏，这种情况可能持续的时间，应在中估计到。起动（～）这种设计工况包括WTGS从静止或空转状态到发电状态的瞬间作用于其上的所有载荷。正常关机（～）这种设计工况包括WTGS从正常发电到静止或空转状态的瞬间作用于其上的所有载荷。紧急关机（）由紧急关机造成的载荷增长应予考虑。停机（静止或空转）（～）风力机停机时，风轮停止不动或空转，此时应考虑极限风况。如果某些零件产生严重疲劳损坏（例如由空转叶片重力造成疲劳破坏），应考虑对应各种风速的空转时数即不发电时数。电网损坏对停机后的风力机的影响也应加以考虑。停机兼有故障（）WTGS停机中，由于电网或WTGS自身故障造成的不正常现象，要进行分析。任何故障，电网亏损造成的WTGS正常特性变化可能造成的结果，都应成为分析对象。故障原因应与极端风速模型（EWM）和一年一遇的外部条件结合起来分析。运输、组装、维护和修理（）制造厂应指定WTGS运输、组装、维护和修理中的风况和设计工况。如果在WTGS上有大的载荷产生，那么就应考虑规定一个最大允许风况。载荷计算对每种设计载荷情况都要考虑中叙述的载荷。也要考虑下列相关问题：——由WTGS自身引起的流场的扰动（尾流诱导速度、塔影效应等）；——三维流对叶片气动特性的影响（例如三维失速和叶尖气动损失）；——不稳定空气动力影响；——结构动力与振动的耦合模型；——气动弹性影响；——WTGS控制系统和保护系统动作的影响。最大极限状态分析方法安全系数取决于载荷和材料的不确定性和易变性。分析方法的不确定性以及失效零件的重要性。安全系数为保证载荷与材料的安全设计值，载荷与材料的不确定性和易变性用公式（21）与（22）确定的载荷与安全系数进行补偿。…………………（21）式中：Fd——载荷的设计值；γf——载荷安全系数；FK——载荷的实际值。载荷的实际值不容易估计出。…………………（22）式中：fd——材料的设计值；γm——材料安全系数；fk——材料性能值。本标准中应用的载荷安全系数还要考虑下列因素：——载荷实际值出现不理想偏差的可能性；——载荷模型的误差。本标准中应用的材料安全系数还要考虑下列因素：一一材料性能值出现不理想偏差的可能性；·——零件截面阻抗或结构承载能力计算不准确的可能性；——几何参数的误差；——零件材料性能与试验样品所测性能之问的差别，也即转换误差。这些误差仅在个别安全系数中存在，本标准与大多数其他标准一样，载荷的相关因素并入系数γf，而材料的相关因素并人系数γm。引入重要失效系数γn，以便进行区分：一类零件安全系数：用于“失效一保险”结构件，结构件的失效不会引起WTGS重要零件的失效。二类零件安全系数：用于“非失效一保险”结构件。结构件的失效会迅速引起WTGS重要零件的失效。WTGS最大极限状态的分析，执行下列四种分析形式：——极限强度分析（见）；一一疲劳损伤分析（见）：——稳定性分析（弯曲等）见（）；——临界挠度分析（叶片与塔架机械干扰等）（见）不超出最大极限状态的通用公式：γn×S（Fd）≤R（fd）……………………………（23）每种分析都要求不同的载荷和阻抗函数，S和R，安全系数的使用要涉及不同的公差源。材料规范的应用在确定WTGS结构完整性中，可采用国内或国际的相应材料设计规范。当国内或国际规范中的安全系数弓本标准安全系数同时使用时，应特殊注意。须确保最终的安全水平不低于本标准的安全水平。当考虑各种类型的不确定性时.如材料强度的固有可变性、加工控制范围或交工方法等，不同的标准将材料局部安全系数γm分为若干局部安全系数。本标准给出材料局部安全系数即所谓“一般材料安全系数”，是仅由强度参数固有变化决定。按照材料标准是给出安全系数还是给出不确定因素的影响简化后的安全系数，要认真考虑。一个规范可选择不同的载荷和材料安全系数。这里的安全系数是ISO2394确定的安全系数。如果这里选出的安全系数偏离了ISO2394，应根据本标准的要求进行必要的调整。极限强度分析一般来讲，R就是材料抗载能力允许没计值，在此，R（fd）=fd，而极限强度函数S通常认为是结构最大应力值。对同时作用的多个载荷公式变为：………………………（24）载荷安全系数各种来源的载荷可分别进行计算，载荷系数应由表3规定的最小值。很多情况下，特别是变化的载荷产生动态效应时，变化的载荷很难单独计算出来。此时载荷安全系数应选取表3中相应的最大安全系数。另一方面.应力的计算结合实际载荷或表现载荷的计算进行。对于不易确定因素.用表3的安全系数隐含定义的安全水平处理。表3载荷安全系数γf载荷来源非良性载荷良性载荷设计工况类型（见表2）所有设计工况正常和极限非正常运输、安装空气动力工作重力／“1,25其他惯性力*因质量而非因重量产生。无通用设计规范的材料安全系数材料安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。考虑到材料强度的固有可变性。当使用95％置信度及95％幸存率的典型材料性能时，所用的材料一般局部安全系数应不小于。如果要获得其他幸存率P（但置信度为95％）和／或变异系数δ为10％或高于l0％的典型材料性能，根据表4选取一般的系数。为了从一般系数导出综合材料系数，必须考虑尺寸效应以及外部环境如紫外线辐射、湿度以及通常探测不到的损伤造成材料强度容限减小的影响。表4材料通用安全系数（由固有可变性）Pδ=10%δ=l5％δ=20％δ=25％δ=30％99％98％95％90％80％重大失效安全系数一类零件：γn一二类零件：γn一有通用设计规范的材料安全系数载荷、材料的安全系数和重大失效安全系数γf，γm，和γn应大于或等于和的规定。对材料幸存率P和伸长率没有规定的，其值可假定为P=95％，δ=l0％。疲劳损伤疲劳损伤可通过适当疲劳损伤计算来估计。例如，根据梅纳准则，累积损伤超过1时，达到极限状态。所以，在风力机寿命内，累积损伤应小于或等于1。损伤…………………………（25）式中：ni一载荷特性谱i区段中疲劳循环次数，包括所有载荷情况；Si——i区段中与循环次数对应的应力（或应变）水平，包括平均应力和应力幅的影响；N（.）一一至零件失效的循环次数，它是应力（或应变）函数的变量（即S-N特性曲线）；γm，γn，γf一一分别为材料安全系数、重大失效安全系数和载荷安全系数。载荷安全系数正常和非正常设计工况载荷安全系数γf均为。设计规范不适用时的材料安全系数当幸存率不小于95%和置信度为95%，伸长率为10%时，由S-N曲线提供的材料安全系数γmo。如果材料特性为其他幸存率P和其他伸长率δ，则相应的通用材料安全系数查表4。疲劳强度应从有统计意义的试验循环数中获取，而特性值的偏差须考虑尺寸效应和由于诸如紫外线辐射和通常探测不到的外部影响造成的容限下限。重大失效安全系数一类零件：γn=；二类零件：γn=。设计规范适用时的材料安全系数载荷和材料安全系数，重大失效安全系数应不小于和中规定。对材料特性幸存率P和伸长率未规定的，假定P=95%，δ=10%。稳定性在载荷作用下，零件不应弯曲和扭曲。设计载荷下，仅“非失效-保险”承载件不放弯和扭，而其他零件允许产生弹性变形。临界挠度分析应验证表2详列的设计工况没有产生影响WTGS安全的变形。最重要的一条是要验证叶片与塔架之间无机械干扰。应确定表2详列载荷情况不利方向上的最大弹性变形，并乘以载荷安全系数，材料安全系数和重大失效安全系数。载荷安全系数载荷安全系数γf从表3选取材料安全系数材料安全系数γm根据选取。应特别注意几何形状不确定性和挠度计算方法的准确性。重大失效安全系数一类零件：γn=；二类零件：γn=。在不利方向，须将弹性变形的影响叠加到不变形的部位，将其最终位置与无干扰条件进行比较。特殊安全系数由测量或在测量基础上的分析得出的载荷值，如果把握性较正常情况高，可以用较低的载荷安全系数。使用的安全系数值，在设计文件中应加以说明。8控制和保护系统概述WTGS工作和安全性受控于控制系统和保护系统。控制和保护系统应满足本条款的要求。手动或自动的介入，应不损害保护系统功能。允许手动介入的装置在必要处应有清晰可辨的相应标记。控制和保护系统的复位应能自由进行，不受干扰。控制系统承受件或活动件中任何一件单独失效不应引起保护系统误动作。风力机控制WTGS的控制系统通过主动的或被动的方式控制WTGS的运行，并使运行参数保持在它们的正常范围内。控制方式的选择要认真考虑。例如对维修而言，除了是紧急停机按钮外，它的每种控制方式都应超载其他控制。控制方式的选择由选择器操纵，它可以被锁定在相应单独控制方式的每个位置上。当某些控制是数字控制时，要提供选择相应功能的数字码。控制系统可控制的功能或参数如下：——功率范围；——风轮转速；——接通电负荷；——起动或关机过程；——电网或负荷亏损的关机；——电缆线严重缠绕；——风力机对风调解。风力机保护由于控制系统失效或内部或外部损伤或当发生危险导致WTGS不能保持正常工作时，保护系统应起作用。保护系统在下列情况下应起作用：——超速；——发电机超载或出现故障；——过分振动；——电网失电、负载丢失时风力机出现的关机故障；——电缆线非正常缠绕（由于偏航机舱旋转造成）。保护系统按具有自动防止故障的功能来设计。保护系统通常能够在系统内电源或无安全寿命零件单独失效或故障情况下对WTGS进行保护。如果两个或多个失效相互关联或共同作用，可将它们按单一失效处理。保护系统的非沉余零件必须分析最大强度、疲劳破坏和最大载荷，并满足的要求。控制和保护系统的功能要求保护系统应有一个或多个能使风轮由任意工作状态转入停止或空转的装置（机械的、电动的或气动的）。它们之中至少应有一个必须作用在低速轴上或WTGS的风轮上。须提