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1、风力发电机标准IEC中文版风力发电机标准IEC中文版 IEC61400-1第三版本 2019-08 风机-第一分项：设计要求 1. 术语和定义 1.1 声的基准风速 acoustic reference wind speed 标准状态下（指在10m 高处，粗糙长度等于0.05m 时），8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注：测声参考风速以m/s表示。 1.2 年平均 annual average 数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值，用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年，以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。 1.3 年平均风速V a

2、ve annual average wind speed 基于年平均定义的平均风速。 1.4 年发电量 annual energy production 利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。 1.5 视在声功率级 apparent sound power level 在测声参考风速下，被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW 点辐射源的A 计权声级功率级。注：视在声功率级通常以分贝表示。 1.6 自动重合闸周期auto-reclosing cycle 电路发生故障后，断路器跳闸，在自动控制的作用下，断路器自动合

3、闸，线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。 1.7 可利用率 （风机） availability 在某一期间内，除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值，用百分比表示。 1.8 锁定（风机）blocking 利用机械销或其它装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮轴或偏航机构运动，一旦锁定发生后，就不能被意外释放。 1.9 制动器（风机）brake 指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注：刹车装置利用气动，机械或电动原理来控制。 1.10 严重故障（风机）catastrophic failure 零件或部件严重损坏，导致主要功能丧

4、失，安全受到威胁。 1.11 特征值 characteristic value 在给定概率下不能达到的值（如超越概率，超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率）。 1.12 复杂地形 complex terrain 指地貌显著变化和充满障碍物的地形，往往会存在气流畸变现象。 1.13 控制系统（风机） control system 接受风机信息或环境信息，调节风机，使其保持在工作要求范围内的系统。 1.14 切入风速V in cut-in wind speed 没有湍流时，风力发电机组开始输出有用功率时，在轮毂高度处的最小风速。 1.15 切出风速V out cut-out wind spee

5、d 没有湍流时，设计时规定的风力发电机组输出有用功率时，在轮毂高度处的最大风速。 1.16 数据组（用于功率特性测试） data set 在规定的连续时段内采集的数据的集合。 1.17 设计极限 design limits 在设计中用到的最大或者最小值。 1.18 设计工况 design situation 风力发电机组可能发生的运行模式，例如发电、停机等。 1.19 指向性（风机） directivity 在风力机下风向与风轮中心等距离的各不同测量位置上测得的A 计权声压级间的不同。注：指向性以分贝表示；测量位置由相关标准确定。 1.20 距离常数 distance constant 风速仪

6、的时间响应指标。在阶梯变化的风速中，当风速仪的指示值达到稳定值的 63%时，通过风速仪的气流行程长度。 1.21 日变化 diurnal variations 以日为基数发生的变化。 1.22 潜伏故障 dormant failure 正常工作中零部件或系统存在的未被发现的故障。 1.23 下风向 downwind 与主要风向一致的方向。 1.24 电网 electrical power network 指由发电、输电系统形成的网络。 1.25 应急关机（风机） emergency shutdown 在保护系统或者人工干预下，风机立即停止运转。 1.26 环境条件 environmental

7、conditions 指会影响风机运行的环境特性，如风、高度、温度和湿度等。 1.27 外部条件 external conditions 指会影响风机工作的诸因素，包括风况、其它气候因素（雪，冰等），地震和电网条件。 1.28 外推功率曲线 extrapolated power curve 由于在实际测试中，切出风速很少有测得，故用预测的方法对测量功率曲线在测量到的最大风速到切出风速之间的延伸。 1.29 极端风速 extreme wind speed t 秒内平均最高风速。它往往是特定周期（重现期）T 年一遇的。重现期T=50年和T=1年，相应的时间为t=3s和t=10min。 1.30 故

8、障安全 fail-safe 当系统出现故障时，其后果不危及系统的安全或者后果不引起严重故障。 1.31 气流畸变 flow distortion 由障碍物、地形变化或其它风力机引起的气流改变，其结果是相对自由流产生了偏离，造成一定程度的风速测量误差。 1.32 自由流风速 free stream wind speed 常指轮毂高度处，未被扰动的自然空气流动速度。 1.33 掠射角 grazing angle 麦克风盘面与麦克风到风轮中心连线间的夹角。注：拒用“入射角”这一术语；掠射角以度表示。 1.34 阵风 gust 指风速的瞬间变化。可用形成时间，强弱和持续时间来表示其特性。 1.35 水

9、平轴风力机 horizontal axis wind turbine 风轮轴基本上平行于风向的风力机。 1.36 轮毂 hub 将叶片或叶片组固定到转轴上的装置。 1.37 轮毂高度 hub height 从地面到风轮扫掠面中心的高度，对垂直轴风力机是赤道平面高处。 1.38 空转 idling 风力机缓慢旋转但不发电的状态。 1.39 惯性负区 inertial sub-range 风速湍流谱的频率区间，该区间内涡流经逐步破碎达到均质，能量损失乎略不计。注：在10m/s风速时，惯性负区的频率大致在0.02Hz 2kHz之间。 1.40 互联（风力发电机组） interconnection 风

10、力发电机组与电网之间的电力联接，从而电能可从风机输送给电网。 1.41 潜伏故障 latent fault 正常工作未被发现的零部件或系统故障。 1.42 极限状态 limit state 构件的一种受力状态，如果作用其上的力超出这一状态，则构件不再满足设计要求。 1.43 载荷情况 load case 结合考虑设计工况和外界条件所产生的结构载荷。 1.44 对数风切变律 logarithmic wind shear law 1.45 最大功率 maximum power 正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。 1.46 平均风速 mean wind speed 在一段时间内，测得的

11、风速瞬间值的统计平均值。时间段从几秒到数年不等。 1.47 测试周期 measurement period 收集功率特性试验中具有统计意义的基本数据的时段。 1.48 测量功率曲线 measured power curve 用正确的方法测得并经修正或标准化处理后的风力发电机组净电功率输出的图和表。它是经测试获得的风速的函数。 1.49 测量扇区 measurement sector 测取测量功率曲线所需数据的风向扇区。 1.50 分组方法 method of bins 将实验数据按风速间隔分组的数据处理方法。 1.51 机舱 nacelle 位于水平轴风机的塔架顶部，包含传动链和其他部件的箱体

12、。 1.52 净电功率输出 net electric power output 风力发电机组输送给电网的电功率值。 1.53 电网联接点（风机） network connection point 对单台风力发电机组是输出电缆终端，而对风电场是与电力汇集系统总线的联接点。 1.54 电网损失 network loss 1.55 正常关机 normal shutdown 全过程都是在控制系统作用下的关机。 1.56 障碍物 obstacles 邻近风力发电机组的，并能引起气流畸变的固定物体，如建筑物、树林等。 1.57 运行极限 operating limits 1.58 停机的风机 parked

13、 wind turbine 指静止的风机或者空转的风机，这依据风机的具体设计而定。 1.59 桨距角 pitch angle 在指定的叶片径向位置（通常为100%叶片半径处，即叶尖）叶片弦线与风轮旋转面间的夹角。 1.60 电力汇集系统（风机） power collection system 指从一个或多个风机中汇集电能的电力系统。它包括了在电网联接点和风机终端之间相连的所有的电力设备。用于汇集风力发电机组电能并输送给电网升压变压器或电负荷的电力联接系统。 1.61 功率系数 power coefficient 净电功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比。 1.62 风切变幂定律 pow

14、er law for wind shear 表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。 1.63 输出功率 power output 以特定的方式，为达到特定的目的通过一种装置输出的功率 1.64 功率特性 power performance 风力发电机组的发电能力的相关特性。 1.65 风机保护系统 protection system 确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。注：在产生矛盾时，保护系统优先于控制系统。 1.66 额定功率 rated power 正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。 1.67 额定风速V r rated wind speed 指在

15、风场稳态下，风机达到额定功率时，位于轮毂处的最小风速。 1.68 瑞利分布 Rayleigh distribution 经常用于风速的概率分布函数。 1.69 基准距离 reference distance 从风力发电机组基础中心到指定的各麦克风位置中心的水平公称距离。注：基准距离以米表示。 1.70 基准高度 reference height 用于转换风速到标准状态的约定高度。注:参考高度定为10m 。 1.71 基准粗糙长度 reference roughness length 用于转换风速到标准状态的粗糙长度。注：基准粗糙长度定为0.05m 。 1.72 参考风速V ref refere

16、nce wind speed 它是用来定义风机等级的基本参数。从参考风速可推得与气候有关的设计参数和其他的基本风机等级参数，详细见条例6。注：在设计风机中，我们选定某个风机等级后，就会有相应的参考风速与之对应。则设计的风机必须能抵抗在轮毂处小于或等于的参考风速。该参考风速一般指50年一遇的极端风速，该极端风速是在10min 内的统计上的平均风速。 1.73 旋转采用风矢量 rotationally sampled wind velocity 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，湍流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的

17、湍流谱变化和由此产生的谐量。 1.74 风轮转速 rotor speed 风力机风轮绕其轴的旋转速度。 1.75 粗糙长度z 0 roughness length 在假定垂直风廓线随离地面高度按对数关系变化情况下，平均风速变为0时算出的高度。 1.76 定期保养 scheduled maintenance 依据制定的时间表的预防性保养。 1.77 使用极限状态 serviceability limit states 正常使用要求的边界条件。 1.78 现场数据 site data 风力机现场的环境，地震，土壤和电气网络数据。现场数据必须是10分钟的统计样本，除非另有说明。 1.79 风场电气设

18、备 site electrical facilities 风力发电机组电网联接点与电网间所有相关电气设备。 1.80 声压级 sound pressure level 声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，以分贝计。注:对风力发电机组，基准声压为20Pa 。 1.81 标准风速 standardized wind speed 利用对数风廓线转换到标准状态（处于10m 高，粗糙长度为0.05m 的情况）的风速。 1.82 静止 standstill 风力发电机组的停止状态 1.83 支撑结构 support structure 由塔架和基础组成的风力机部件。 1.84 安全风速（该名称不

19、能被使用） survival wind speed 结构所能承受的最大设计风速的俗称。注:IEC 61400系列标准中不采用这一术语。设计时可参考极端风速。 1.85 扫掠面积 swept area 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。 1.86 试验场地 test site 风力发电机组试验地点及周围环境。 1.87 音值 tonality 音值与靠近该音值临界波段的遮蔽噪音级间的区别。注：音值以分贝表示。 1.88 湍流强度I turbulence intensity 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。 1.89 湍流尺度参数1 t

20、urbulence scale parameter 纵向功率谱密度等于0.05时的波长。注：纵向功率谱密度是个无量纲的数。 1=V hub /f 0，其中f 0S 1(f 0)/1=0. 05。 2 1.90 湍流标准差1 turbulence standard deviation 在轮毂高度处，湍流风速纵向分量的标准差。 1.91 最大极限状态 ultimate limit state 与损坏危险和可能造成损坏的误差或变形对应的极限状态。 1.92 测量误差 uncertainty in measurement 测量所得的值与被测事物的真实值之间的差异。 1.93 不定期保养 unsched

21、uled maintenance 收到有关一个项目状态的指示后，对其进行保养，该保养不是依据制定的时间表进行的。 1.94 上风向 upwind 与主风向相反的方向。 1.95 垂直轴风力机 vertical axis wind turbine 风轮轴垂直的风力机。 1.96 威布尔分布P W Weibull distribution 经常用于风速的概率分布函数，分布函数取决于两个参数，控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。瑞利分布是威布尔分布的一种特殊形式，当形状参数为2时，威布尔分布即为瑞利分布。 1.97 声级 sound level 已知声压与20Pa 基准声压比值的对数

22、。声压是在标准计权频率和标准计权指数时获得。注：声级单位为分贝，它等于上述比值以10为底对数的20倍。 1.98 风障 wind break 相互距离小于3倍高度的一些高低不平的自然环境。 1.99 风电场 wind farm 由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.100 风电场 wind power station 由一批风力发电机组或风力发电机群组成的电站。 1.101 风廓线-风切变律 wind profile-wind shear law 风速随地面高度变化的曲线称为风廓线，变化规律称为风切变律。注：常用的风廓线数学表达式为对数形式（式1）或者指数形式（式2）。 ln z

23、z 0 V (z )=V (z r ) z ln r z 0 z V (z )=V (z r ) z r （1） 其中： V (z ) （2） 在高度z 处的风速； 距离地面的高度； 距离地面的参考高度，用于拟合风廓线； 粗糙长度； 风切变指数。 风速 wind speed z z r z 0 1.102 空间某点的风速是指改点周围气体微团的移动速度的数值。注：风速是风矢量的数值。 1.103 风速分布 wind speed distribution 用于描述连续时间内风速概率分布的分布函数。注：常用瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)。 P R (V 0)=1-exp -

24、(V 02V ave ) 2 （3） （4） P R (V 0)=1-exp -(V 0C ) k 瑞利分布P R (V 0)和威布尔分布P W (V 0)的V ave 的表达式各自为： 其中： P (V 0) 1 V ave =C 1+ k （5） （6） V ave =C /2 累计概率函数，即风速； V V 0 的概率为 P (V 0) ; V 0 V 0 该分布的平均风速，即均值； 威布尔分布的尺度参数； 威布尔分布的形状参数； 伽马函数。 风切变 wind shear C K 1.104 风速在垂直于风向平面内的变化。 1.105 风切变指数 wind shear exponent

25、通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。见1.101。 1.106 1.107 1.108 风力机发电系统 wind turbine generator system 风机地址 wind turbine site 风矢量 wind velocity 标有被研究点周围气体微团运动方向，其值等于该气体微团运动速度大小。 1.109 1.110 风机电力系统 wind turbine electrical system 风机终端 wind turbine terminals 用于传输电能，风机与电力汇集系统相连的点。同时，也包括信息的传输点。 1.111 偏航 yawing 风轮轴绕绕垂直轴的旋转（

26、仅适用于水平轴风力机）。 1.112 偏航误差 yaw misalignment 水平轴风机转轴与风速方向的水平偏差。 2 外部条件 2.1 概述 在风机设计过程中，本条例给出的外部条件必须被考虑。环境和电力条件都会对风机的载荷、耐久性和运行产生影响。为了保证合适的安全和可靠性，在风机设计中必须考虑环境、电力和土壤条件，并在设计文件中详细描述。环境条件被分成风况和其他的环境条件两部分。电力条件是指电网条件，而土壤条件在风机的基体设计中才涉及到。同时，外部条件被分成正常和极端部分。正常的外部条件一般只要考虑常见的结构载荷条件，而极端外部条件是指不常见的外部设计条件。设计载荷情况必须包括这些潜在的

27、，严重的极端外部条件和正常外部设计条件。风况是影响风机结构完好性的主要外部条件。当然，其他的外部条件也会对其产生影响，如：腐蚀等。在以下的子条例中，给出了在风机设计应考虑的正常和极端条件。 2.2 风机等级 在风机设计中，必需要考虑安装地点的风速情况。对于不同的安装地点，风机尺寸等参数是不同的。考虑到风速特性的地区差异性，IEC 国际标准给出了四个风机等级，这四个风机等级是依据风速和湍流密度来划分的。这里给出的风速和湍流强度的参数可代表多数地区的风况，当然，它并不能很精确的反映任何安装地点的风况。表1给出了用于划分风机等级的基本参数。其中，S 等级在特殊的风况下(如暴风带，海上区域等) 或特殊

28、安全等级下使用。 表1 风机等级 在表1中，所以的参数都是基于轮毂高度处而言的，其中： V ref 指10min 参考平均风速； 表征高的湍流特性范畴； 表征适中的湍流特性范畴； 表征低的湍流特性范畴； 15m /s A B C I ref 平均风速时，湍流密度均值。 在风机设计过程中，除了以上这些基本参数外，还需要其他重要的参数才能完整定义外部风况，其他的参数将在2.3、2.4和2.6中给出。我们将处于从I A 到III C 等级的风机称之为标准风机等级。 对于从I A 到III C 等级的风机，规定其设计寿命至少达20年。 对于S 等级的风机，制造商必须给出用于设计风机的详细设计参数的文件

29、，文件需要的信息在附件A 中给出。 2.3 风况 设计的风机应能安全承受与选定的风机等级相对应的风况。 在设计文档中应详细给出风况的设计值。 出于载荷计算和风机安全的考虑，将风域划分为正常风况和极端风况，正常风况在风机运行期间是时常发生的，极端风况是指50一遇或一年一遇的情况。 在多数情况中，风况包含带有阵风的风廓线或湍流的恒定平均风速。在所有情况中，当平均风速方向与水平面的夹角出8时，必须要考虑该影响。该夹角沿高度方向是变化的。 “湍流”用于表征10min 内平均风速的随机变动。湍流模型必须考虑到风速变化、风切变和允许的旋转采样的影响。湍流风速的三个分量为：纵向，与平均风矢量方向一致；横向，

30、位于水平面并与纵向垂直；上向，与纵向和横向都各自垂直的方向。 对于标准风机等级，湍流模型的随机风速场必须满足以下条件： a) 湍流标准差，1，其值有以下子条例给出，认为是不随高度而变化的，而横向和上向 湍流标准差的最小值应满足以下关系式，实际取值由所有的湍流模型和下面b ）规定的条件共同决定。 横向 20. 71 上向 30. 51 b) 位于轮毂高度z 处的纵向湍流尺度参数1为： 0. 7z 1= 42m z 60m z 60m （7） 由于惯性负区的频率变大了，三个正交的功率谱密度S 1(f ), S 2(f ), S 3(f )应渐进地满足以下等式： S 1(f )=0. 051(1hu

31、b 2 )-2/3f -5/3 S 1(f ) （8） （9） S 2(f )=S 3(f )= 43 c) 为了一致性，应使用公认的模型。该模型利用自动频谱对位于与纵向方向垂直平面内的 空间离散点处的纵向风速的协谱幅值进行划分而得到的。 我们推荐采用满足以上要求的曼恩均匀切变湍流模型，具体在附件B 中给出。在附件B 中也给出了另一个常用的模型。对于其他的湍流模型必须谨慎使用，因它会对载荷产生重大影响。 2.3.1正常风况 2.3.1.1 风速分布函数 在风机设计中，风速分布起着重要影响。它决定了在正常设计工况时单个载荷情况发生的频率。位于轮毂高度处，以10min 为周期的平均风速被认为是服从瑞利分布的。瑞利分布为 P R (V hub )=1-exp -(V hub 2V ave ) 2 （10） 其中，对于标准风机等级，V ave 应为 2.3.1.2 正常风廓线模型（NWP ） 风速随地方高度变化的曲线称为风廓线，风廓线模型V (z )，用于表示平均风速随距离地面高度z 变化的函数。对应标准风机等级，正常的风廓线可由幂函数给出 其中，幂指数=0