重点讲解风力发电机组 设计要求Word文件下载.docx

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　　3.1.5复杂地形

　　风电场地貌有明显变化的周围地形和会引起气流畸变的地面障碍物。

　　3.1.6控制系统（对风力机）

　　接收风力机状态和（或）其环境条件信息以及调整风力机使其保持在运行限制范围之内的一种子系统。

　　3.1.7固有故障（又称潜在故障）

　　在正常运行期间，零部件或系统存在的未被发现的故障。

　　3.1.8顺风

　　沿主风矢量方向的风。

　　3.1.9电网

　　为传输、分配电力而特有的装置、变电站、电线和电缆。

　　注：

该网各部分的界面由适当的准则，例如地理位置、所有权、电压等确定。

　　3.1.10极端风速

　　按t秒平均的最高平均风速。

它是所规定N年时间周期（重复周期为N年）内，很可能遇到的风速。

本标准采用重复周期N=50年和N=1年及平均时间间隔t=3s和t=10min。

往往采用欠严谨的术语“存活风速”，但是对设计载荷情况本标准使用极端风速设计风力机。

　　3.1.11破损–安全

　　项目的一种设计特性，具有这种特性可防止其破损而引起临界故障。

　　3.1.12阵风

　　一种风速瞬间变化的风。

阵风可以用它的增强时间、幅值和持续时间来表征。

　　3.1.13轮毂高度（对风力机）

　　风力机风轮扫掠面积中心距地面的高度（扫掠面积见1.3.39）。

　　3.1.14空转（对风力机）

　　风力机慢速旋转而不发电的状态。

　　3.1.15湍流惯性副区

　　风湍流谱的频率间隔，在此间隔内气团达到各向均匀后，其旋转运动不断减弱，并有微小的能量消耗。

对典型的10m/s风速，其惯性副区大致为0.02Hz到2kHz。

　　3.1.16隔离运行

　　当脱离电网后，电力系统的独立部分长时和短时运行。

　　3.1.17限制状态

　　结构和作用在结构上的载荷的一种状态，超出此状态时结构不再满足设计要求（ISO2394）。

设计计算（即限制状态设计要求）的目的在于使限制状态的概率保持低于为所研究结构型式规定的某个值（ISO2394）。

　　3.1.18对数风切变定律

　　见风廓线（3.1.46）。

　　3.1.19最大功率（对风力机）

　　在正常运行情况下，风力机发出的净电功率的最大值。

　　3.1.20平均风速

　　对风速瞬时值按给定时间周期平均的统计平均风速，时间周期可以从几秒到许多年。

　　3.1.21机舱

　　位于水平轴风力机塔顶而容纳驱动–传动和其他元件的结构空间。

　　3.1.22电网连接点（对风力发电机组）

　　单台风力机或风电站电缆的终端同场站电力汇集系统电力总线的连接点。

　　3.1.23电力汇集系统（对风力发电机组）

　　汇集一台或多台风力机功率的电力连接系统，它包括连接风力发电机组终端和电网连接点之间的所有电气设备。

　　3.1.24风切变幂定律

　　3.1.25输出功率

　　为了特定的目的，一种装置以特定的形式产生的功率。

（风力机）在任何时间，由风力发电机组所产生的电能。

　　3.1.26保护系统（对风力机）

　　保证风力发电机组保持在设计限制内的系统。

　　3.1.27瑞利分布

　　一种概率分布函数，见风速分布3.1.47。

　　3.1.28参考风速（Vref）

　　为定义风力发电机组等级而采用的一个基本极端风速参数，由参考风速和其他基本风力发电机组等级参数可导出其他设计相关气候参数（见5.2）。

以参考风速定义风力发电机组等级的风力机，应设计成能经受在风力机高度处重复周期为50年的极端10min平均风速的气候条件，此极端平均风速应小于或等于参考风速Vref。

　　3.1.29共振

　　在一个振动系统内，当强迫振动周期非常接近自由振动周期时出现的一种现象。

　　3.1.30旋转抽样风速

　　在旋转风力机风轮固定点所经受的风速。

旋转抽样风速的湍流谱和正常湍流谱有着明显不同。

当旋转时，叶片切穿空间变化的风流，因此最后得到的湍流谱在旋转频率和相同谐波含量方面将有很大的差异。

　　3.1.31粗糙度长度

　　如果假设垂直风廓线随高度呈对数变化，则可外推出平均风速等于零的高度。

　　3.1.32安全寿命

　　具有公认灾难性破坏概率的规定使用寿命。

　　3.1.33计划维修

　　根据制定的时间计划进行的预防性维修。

　　3.1.34可使用限制状态

　　符合正常使用管理职能准则的限制状态（ISO2394）。

　　3.1.35正常关机（对风力机）

　　一种通过控制系统控制来实施所有关机步骤的关机。

　　3.1.36停止

　　使风力机停止运行的状态。

　　3.1.37支撑结构

　　风力机塔架及基础部分。

　　3.1.38存活风速

　　所设计结构应能承受最大风速的一个常用名称。

本标准不用此名称，设计状态用极端风速（见3.1.10）替代。

　　3.1.39扫掠面积

　　风轮旋转一周形成的面积在垂直风向平面内的投影。

　　3.1.40湍流强度

　　风速标准差与平均风速之比，它可以根据在一规定时间周期内用同组风速测量数据子样确定。

　　3.1.48风切变指数

　　也称为幂定律指数，见3.1.46。

　　3.1.49风速

　　一空间规定点的风速是此规定点周围微量空气运动的速度。

风速也是当地风速矢量的大小（见3.1.51）。

　　3.1.50风力发电机组

　　将风的动能转化成电能的系统。

　　3.1.51风速矢量

　　所研究点周围微量空气运动方向上的一矢量点，此矢量大小等于该空气微团的运动速度（即当地风速）。

在任何一点的矢量是通过此点运动的空气微团位置矢量的时间导数。

　　3.1.52风力发电机组的电气系统

　　风力发电机组内的所有电气设备，直至和包括该系统的各个接线端，包括接地、搭铁和通讯设备。

　　还包括风力发电机组自身的导体，这些导体专门用于为其提供接地网。

　　3.1.53风力发电机组导线接头

　　由风力发电机组供应商确定的一个或几个点，在这些点可把风力发电机组接入电力汇集系统，这些接头还包括能量转换和通讯接头。

　　3.1.54偏航

　　风轮轴绕垂直轴转动（仅对水平轴风力机而言）。

　　3.1.55偏航角误差

　　风力机风轮轴偏离风向的水平偏差。

　　3.2符号和缩略语

　　3.3坐标系

　　3.3.1叶片坐标系

　　叶片坐标系的原点在叶片根部且随风轮旋转，XB轴的正向顺着风向，ZB轴沿叶片径向，指向叶尖，YB轴方向按右手坐标系法则确定。

　　3.3.2轮毂坐标系

　　轮毂坐标系的原点在转动中心且不随风轮转动，XH的正向顺着风，ZH轴垂直向上，YH轴方向按右手坐标系法则确定。

　　3.3.3塔架坐标系

　　塔架坐标系的原点在风轮旋转轴线和塔架的中心线的交点，且不随风轮转动，XT轴顺着风向，ZT轴垂直向上，YT轴方向按右手坐标系法则确定。

　　4一般要求

　　4.1总则

　　在规定外部条件、设计工况和载荷情况下，应保证风力发电机组在其设计使用寿命期内安全正常地工作。

　　本标准要求采用结构动力学模型、5.2.3规定的湍流和其他极端风况，以及5.3.4规定的设计工况和载荷情况，确定整个速度范围的载荷。

应对规定的外部条件和设计工况的所有相关组合进行分析，以确定具体型号风力发电机组设计载荷情况组。

　　应采用计算和（或）试验方法验证设计结果的正确性。

当采用试验方法验证时，试验条件应满足本标准规定的要求。

　　4.2安全等级

　　应根据下列两种安全等级之一设计风力发电机组：

　　a）正常安全等级，当风力发电机组损坏将导致人员受伤或造成经济损失和社会影响时，可使用此等级；

　　b）特殊安全等级，当根据地方法规确定安全要求和（或）由制造商与用户之间商定安全要求时，可使用此等级。

　　本标准5.3.6规定了正常安全等级风力发电机组的局部安全系数，制造商和用户之间应商定特殊安全等级风力发电机组的局部安全系数。

根据特殊安全等级设计的风力发电机组，即为5.2.2风力发电机组等级中规定的S级风力机。

　　4.3质量保证

　　质量保证应是风力发电机组及其所有零部件设计中的一个组成部分。

　　质量保证体系应遵循GB/T19001的要求。

　　4.4风机标牌

　　至少下列信息应显著和清楚地标示在不易消失的风力发电机组铭牌上：

　　——风力发电机组制造商和国家；

　　——产品型号和系列号；

　　——生产年份；

　　——额定功率；

　　——参考风速；

　　——轮毂高度运行风速范围Vin~Vout；

　　——运行大气温度范围；

　　——风力发电机组等级（见表1）；

　　——风力发电机组输出端额定电压；

　　——风力发电机组输出端频率或频率范围，对此情况，额定偏差应大于2%。

　　5详细要求

　　5.1总则

　　风力发电机组设计，应满足本章各条规定的要求，其中包括外部条件、设计工况和载荷情况、局部安全系数、结构强度分析、各零部件和系统设计，以及噪声、安装和维修等。

　　5.2外部条件

　　5.2.1概述

　　设计风力发电机组时，应当考虑本章规定的外部条件。

风力发电机组经受的环境和电力条件，可能会影响其受载、耐久性和运行。

为保证适当的安全性和可靠性水平，设计中应考虑环境、电网和土壤参数，并应在设计文件中明确规定。

　　环境条件可进一步分为风况和其他外部条件，电力条件是指电网的状况。

土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。

　　每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。

正常外部条件一般涉及的是长时期的结构受载和运行状态。

而极端外部条件是罕见的，但它是潜在的临界外部设计条件。

设计载荷情况应由这些外部条件同风力发电机组运行模式组合构成。

　　风况是结构完整性设计主要考虑的外部条件。

其他环境条件也对设计特性，比如控制系统功能、耐久性和腐蚀等有影响。

　　在下列条文中，规定了根据风力发电机组等级设计时，所要考虑的正常和极端外部条件。

　　5.2.2风力发电机组等级

　　设计中需考虑的外部条件，取决于风力发电机组安装的预定场地或场地类型。

依据风速和湍流参数确定风力发电机组的等级。

划分等级的目的是为了包含最广泛的应用。

风速值和湍流参数可用于表示许多不同场地的特性值，但不能给出任何特定场地的准确表述。

目的是按强度变化明显程度对风力发电机组分类，而强度变化取决于风速和湍流参数。

表1规定了风力发电机组等级的基本参数。

　　对一些需要特殊设计（如特殊风况或其他外部条件或特殊安全等级）的情况，规定了其他风力发电机组等级—S级。

S级风力发电机组的设计值应由设计者选择，并在设计文件中规定。

对这样的特殊设计，设计状态的选取值应反映比预期使用风力发电机组更严重的环境。

　　近海安装的特殊外部条件，要求风力发电机组按S级设计。

　　除这些基本参数外，还需要某些其他重要参数，以便用来完整规定风力发电机组设计中采用的外部条件。

对风力发电机组的IA~IVB级，以后统称为标准风力发电机组等级，在5.2.3、5.2.4、5.2.5中规定了这些等级的补充参数值。

　　设计寿命应至少20年。

　　对S级风力发电机组制造商，应在设计文件中说明使用的模型和主要设计参数值。

采用第5章模型时，对参数值应作充分说明。

S级风力发电机组的设计文件包含附录A列出的资料。

　　在5.2.3中，条文标题括号中的缩写字母表示5.3.4中规定设计工况和载荷情况的风况。

　　5.2.3风况

　　风力发电机组应设计成能安全承受由选定的风力发电机组等级决定的风况。

　　风况设计值应在设计文件中明确规定。

　　从载荷和安全角度考虑，风况可分为风力发电机组正常运行期间频繁出现的正常风况及按1年或50年重复周期确定的极端风况。

　　在所有情况中，应考虑平均气流相对水平面达8°

倾斜角的影响，假定气流倾斜角不随高度改变而变化。

　　5.2.3.1正常风况

　　5.2.3.1.1风速分布

　　场地的风速分布对风力发电机组设计相当重要，因为它决定了各个载荷状态出现的频率。

对标准等级的风力发电机组，为了便于设计载荷计算，假定在10min时间周期内风速平均值按瑞利分布。

在此情况下，轮毂高度的平均风速概率分布由式（5）给出：

　　5.2.4其他环境条件

　　除风况之外，其他环境（气候）条件如热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用，都会影响风力发电机组的安全性和完整性。

而且，给出的气候参数的组合会增加其影响。

　　至少应考虑下列其他环境条件，并且在设计文件中说明其作用：

　　——温度；

　　——湿度；

　　——空气密度；

　　——阳光辐射；

　　——雨、冰雹、雪和冰；

　　——化学活性物质；

　　——机械活动微粒；

　　——雷电；

　　——地震；

　　——盐雾。

　　近海环境需要考虑附加特殊条件。

　　应根据典型值或可变条件的限制，确定设计用的气候条件。

选择设计值时，应考虑几种气候条件同时出现的可能性。

在与年轮周期相对应的正常限制范围内，气候条件的变化应不影响所设计的风力发电机组的正常运行。

　　5.2.4.1其他正常环境条件

　　应考虑下列其他正常环境条件值：

　　——机组正常运行环境温度范围–10~+40℃（对于北方型风力机，低温为–20℃）；

　　——相对湿度不大于95%；

　　——大气成分含量与无污染的内陆大气（见IEC60721–2–1）相当；

　　——阳光辐射强度1000W/m2；

　　——空气密度1.225kg/m3。

　　当设计者规定附加外部条件参数时，这些参数及其值应在设计文件中说明，并应符合IEC60721–2–1的要求。

　　5.2.4.2其他极端环境条件

　　风力发电机组设计应考虑的其他极端环境条件有温度、雷电、冰和地震。

　　5.2.4.2.1温度

　　对于标准风力发电机组等级，极端温度范围的设计值应至少是–20~+50℃（对于北方型风力机，低温为–30℃）。

　　5.2.4.2.2闪电

　　对于标准等级的风力发电机组，应考虑5.5.2.2要求的闪电防护措施。

　　5.2.4.2.3冰

　　对于标准等级的风力发电机组，应给出最低防冰要求。

　　5.2.4.2.4地震

　　对于标准等级的风力发电机组，应给出最低防震要求。

　　5.2.5电网条件

　　设计中应考虑的风力发电机组输出端的正常条件列出如下。

　　当下列参数在下述范围之内时，采用正常电网条件：

　　——电压

　　额定值±

10%；

　　——频率

2%；

　　——电压不稳定性

　　电压负序分量与正序分量的比率不超过2%；

　　——停电

　　假定电网停电每年20次，应按最长停电持续时间设计风力机，最长停电持续时间应至少一周。

　　5.3结构设计

　　5.3.1概述

　　风力发电机组的结构设计应以承载零部件结构完整性的验证为基础。

应通过计算和（或）试验验证结构件的极限强度和疲劳强度，以证实具有适当安全水平风力发电机组的结构完整性。

　　结构分析应以ISO2394或其他适用标准或手册为依据。

　　应通过计算和（或）试验来确定和验证可接收的安全水平，以证实设计加载不会超过相应的设计抗力。

　　应使用适当的方法进行计算，在设计文件中应有计算方法说明。

这些说明应包括计算方法有效性的证据，或相应验证研究用的参考文献。

任何试验载荷水平都应反映相应计算用的安全系数。

　　5.3.2设计方法

　　应验证风力发电机组的设计不超过限制状态，正如ISO23943）所规定，也可用模型试验和原型机试验代替结构设计验证计算。

　　5.3.3载荷

　　设计计算应考虑的载荷在5.3.3.1~5.3.3.4中规定。

　　5.3.3.1惯性载荷和重力

　　惯性载荷和重力是由于振动、转动、地球引力和地震引起的作用在风力发电机组上的静态和动态静荷。

　　5.3.3.2气动载荷

　　气动载荷是由气流及气流与风力发电机组不动和运动部件相互作用引起的静态和动态载荷。

　　气流取决于风轮转速、通过风轮平面的平均风速、湍流、空气密度和风力发电机组零部件的气动外形及相互影响（包括气动弹性效应）。

　　5.3.3.3运动载荷

　　运行载荷是由于风力发电机组的运行和控制产生的，可将它们分成若干类。

每一类都与风轮转数的控制有关，例如通过叶片或其他气动装置的变距进行扭矩控制。

运行载荷包括由风轮停转和启动，发电机接通和脱开引起的传动链机械刹车和瞬态载荷，以及偏转载荷。

　　5.3.3.4其他载荷

　　其他载荷，如波动载荷、尾流载荷、冲击载荷、冰载荷等都可能发生，凡是适用的均应考虑。

　　5.3.4设计工况和载荷情况

　　本条介绍风力发电机组设计载荷情况的构成，并规定了应考虑的最低数量。

　　为了设计目的，可用一组包含风力发电机组可能经历的最重要状态的设计工况来给出风力发电机组的寿命。

　　确定载荷情况应以具体的装配、吊装、维修、运行状态或设计工况同外部条件的组合为依据，必须考虑具有合理出现概率的所有相关载荷情况，以及控制和保护系统的特性。

　　通常用于确定风力发电机组结构完整性的设计载荷情况，可由下列组合进行计算：

　　——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；

　　——故障设计工况和允许的外部条件；

　　——运输、安装和维修设计工况和适当的外部条件。

　　如果极端外部条件和故障工况之间存在某种联系，则应将两者的实际组合作为一种设计载荷情况。

　　在每种设计工况中，应考虑用几种设计载荷情况验证风力发电机组零部件的结构完整性。

至少应考虑表2中的设计载荷情况，此表中的设计载荷情况是按照每个设计工况给出的，并有风况、电网和其他外部条件规定。

　　如特殊风力发电机组设计需要时，应考虑与安全有关的其他设计载荷情况。

　　对每种设计工况，在表2中用F和U规定了分析适用的类型。

F表示疲劳载荷分析，用于疲劳强度评定；

U表示极限载荷分析，如超过材料最大强度分析，叶尖变形分析和稳定性分析。

　　标有U的设计工况分为正常（N）类、非正常（A）类或运输和吊装（T）类。

在风力发电机组寿命期内，预期的正常设计工况是经常出现的，风力机处于正常工作状态或可能出现轻微故障或异常。

非正常设计工况出现的可能性较小，它们通常对应于产生较严重故障，如保护系统故障的设计工况。

N、A或T类设计工况规定了对极限载荷使用局部安全系数Υf。

这些系数在5.3的表3和表4中给出。

　　当表2指出风速范围时，应考虑导致风力发电机组设计最不利状态的风速。

可将该范围分为若干段，对每一段应给出风力发电机组寿命的适当百分比。

在设计载荷情况定义中，应使用5.2.3所描述的风况。

　　5.3.4.1发电（DLC1.1~1.9）

　　对此设计工况，风力发电机组处于运行状态，并有电负载。

设定的风力发电机组构形应计及风轮不平衡的影响。

在设计计算中应考虑风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制（如叶片的变距角和扭转角偏差）。

　　此外，在运行载荷分析中，应考虑实际运行同理论上最佳运行工况的偏差，如偏航角度误差和控制系统跟踪误差。

　　在计算中应假设各种情况的最不利组合，如风向改变与典型偏航角度误差组合（DLC1.8）或者阵风与电气接头损坏组合（DLC1.5）。

设计载荷情况（DLC1.1和1.2）包含由大气湍流引起的载荷要求。

　　DLC1.3和1.6~1.9规定了作为风力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。

在DLC1.4和1.5中，考虑了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。

　　5.3.4.2发电和产生故障（DLC2.1~2.3）

　　控制和保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路），对风力发电机组负载有明显影响，应假设它们在发电期间有可能发生。

对于DLC2.1，控制系统出现的故障属正常事件，应加以分析。

对于DLC2.2，保护系统或内部电气系统出现的故障为罕见事件，应加以分析。

如果一故障未引起立刻停机和随后的负载可导致结构产生明显疲劳损伤，则应在DLC2.3中评估这种工况的可能持续时间。

　　5.3.4.3启动（DLC3.1~3.3）

　　这种设计工况包括从任一静止位置或空转状态，到发电过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。

　　5.3.4.4正常关机（DLC4.1~4.2）

　　此设计工况包括从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。

　　5.3.4.5应急关机（DLC5.1）

　　考虑由于应急关机引起的载荷。

　　5.3.4.6停机（静止或空转）（DLC6.1~6.2）

　　停机后的风力机风轮可能处于静止或空转状态，采用极端风况对其进行设计。

如果某些零部件可能产生明显疲劳损伤（如由于空转叶片重量引起的），还应考虑在每个适当风速下所预期的不发电小时数。

　　电网损坏对停机后的风力机影响，也应当加以考虑。

　　5.3.4.7停机和故障状态（DLC7.1）

　　当电网或风力发电机故障引起停机后的风力发电机组正常特性变化时，应要求对其进行分析。

在停机工况中，如果风力发电机组正常特性变化是由任一非电网损坏故障引起时，则各种可能的后果应是分析的主题。

故障状态应当同极端风速模型（EWM）及一年重复周期相组合。

　　5.3.4.8运输、组装、维护和修理（DLC8.1）

　　制造商应规定风力发电机组运输、组装、