IEC61400-1中文版

风力发电机组 安全要求 Wind turbine generator systems-Safety requirements 标准号： GB18451.1-2001 idt IEC61400-1:1999 替代标准号： 实施日期： 2002-4-1 　　目次 　　前言 　　IEC前言 　　IEC 引言 　　1范围 　　2引用标准 　　3定义 　　4符号和缩写 　　4.1符号和单位 　　4.2缩写 　　5 基本要素 　　5.1概述 　　5.2设计方法 　　5.3安全等级 　　5.4质量保证 　　5.5风力机铭牌 　　6外部条件 　　6.1概述 　　6.2风力发电机组分级 　　6.3风况 　　6.4其他环境条件 　　6.5电网条件 　　7结构设计 　　7.1概述 　　7.2设计方法 　　7.3载荷 　　7.4设计工况和载荷状态 　　7.5载荷计算 　　7.6最大极限状态分析 　　8控制和保护系统 　　8.1概述 　　8.2风力机控制 　　8.3风力机保护 　　8.4控制和保护系统的功能要求 　　9机械系统 　　9.1概述 　　9.2错误装配 　　9.3液压或气动系统 　　10电气系统 　　10.1概述 　　10.2风力发电机组电气系统的一般要求 　　10.3保护装置 　　10.4分离装置 　　10.5接地系统 　　10.6防雷 　　10.7电缆 　　10.8自励 　　10.9过压保护 　　10.10谐波和功率调节装置 　　11外部条件评估 　　11.1概述 　　11.2风况评估 　　11.3其他环境条件的评估 　　11.4电网条件评估 　　11.5土壤条件评估 　　12组装、安装和竖立 　　12.1概述 　　12.2 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 　　12.3安装条件 　　12.4场地通道 　　12.5环境条件 　　12.6文件 　　12.7接收、装卸和存放 　　12.8基础/地锚系统 　　12.9风力发电机组的组装 　　12.10风力发电机组的竖立 　　12.11紧固件和联接件 　　12.12吊装安全 　　13试运行、运行和维护 　　13.1概述 　　13.2试运行 　　13.3运行 　　13.4检查和维护 　　附录A（标准的附录）S级WTGS的设计参数 　　附录B（标准的附录）随机湍流模型 　　附录C（标准的附录）确定湍流的描述 　　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/T1.1-1993，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的标准化问题的国际间合作。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 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 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间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，技术报告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） 为了促进国际间的统一，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 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ，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： 　　               　　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 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 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。 　　1范围 　　本标准 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 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。 　　GB17625.1-1998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） 　　（eqv IEC61000-3-2:1995） 　　GB17625.2-1999电磁兼容 限值 对额定电流不大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制（idt IEC61000-3-3:1994） 　　GB/T17626.2-1998电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验（idt IEC 61000-4-2:1995） 　　GB/T17626.3-1998电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验 　　（idt IEC61000-4-3:1995） 　　GB/T17626.4-1998电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰试验 　　（idt IEC61000-4-4:1995） 　　GB/T17626.5-1999电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验 　　（idt IEC61000-4-5:1995） 　　ISO2394:1986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 　　IEC61312-1：1995雷电电磁脉冲防护 　　3定义 　　本标准采用下列定义 　　3.1年平均 annual average 　　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。 　　3.2年平均风速：annual average wind speed 　　按照年平均的定义确定的平均风速。 　　3.3自动接通周期 auto-reclosing cycle 　　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0.01s到数秒的一段时间。 　　3.4锁定（风力机）blocking (wind turbines) 　　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。 　　3.5制动器（风力机）brake (wind turbines) 　　能降低风轮转速或能停止风轮旋转的装置。 　　3.6严重故障（风力机） catastrophic failure (wind turbines) 　　零部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受损。 　　3.7特性值（材料性能）characteristic value (of a material property) 　　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。 　　3.8复杂地形带 complex terrain 　　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。 　　3.9控制系统（风力机） control system(wind turbines) 　　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。 　　3.10切入风速（υin）cut-in wind speed 　　风力机开始发电时，轮毂高度（3.24轮毂高度）处的最低风速。 　　3.11切出风速（υout）cut-out wind speed 　　风力机达到设计功率时，轮毂高度处的最高风速。 　　3.12 设计极限 design limits 　　设计中采用的最大值或最小值。 　　3.13 潜在故障 dormant failure (also known as latent fault ) 　　正常运行中未被发现的系统或部件的故障。 　　3.14下风向 downwind 　　主风方向。 　　3.15 电网electrical power network 　　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。 　　3.16紧急关机（风力机）emergency shutdown（wind turbines） 　　保护系统触发或人工干预下使风力机的迅速关机。 　　3.17环境条件 environmental conditions 　　影响WTGS工况的环境特征（海拔高度，温度，湿度等）。 　　3.18外部条件（风力机）external conditions (wind turbines) 　　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）。 　　3.19极端风速 extreme wind speed 　　t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”。 　　3.20故障风险 fail-safe 　　避免由故障引发产品严重破坏的设计特性。 　　3.21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。 　　3.22水平轴风力机 horizontal axis wind turbine 　　风轮轴基本上平行于风向的风力机。 　　3.23轮毂（风力机）hub-wind turbines 　　将叶片或叶片组固定到轮轴上的装置。 　　3.24轮毂高度（风力机）hub-height （wind turbines） 　　从地面到风轮扫掠面（见3.55扫掠面积）中心的高度。 　　3.25空转（风力机）idling (wind turbines) 　　风力机缓慢旋转而不发电的状态。 　　3.26湍流惯性负区inertial subrange 　　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0.02Hz到2kHz. 　　3.27孤立运行 isolated operation 　　离网后，分离的动力系统稳定的或是暂时的运行。 　　3.28 极限状态 limit state 　　结构受力的一种状态，如果作用力超过这一种状态，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）。 　　3.29对数风切变律 logarithmic wind shear law 　　表示风速随离地面高度以对数关系变化的数学式。 　　3.30最大功率（风力机）maximum power (wind turbines) 　　正常工作条件下，风力发电机组输出的最高净电功率。 　　3.31平均风速 mean wind speed 　　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。 　　3.32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。 　　3.33电网联接点（风力机）network connection point （wind turbines） 　　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连接点。 　　3.34正常关机（风力机）normal shutdown (wind turbines) 　　关机全过程都是在控制系统控制下进行的关机。 　　3.35工作范围operating limits 　　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。 　　3.36风力机停机parked wind turbine 　　根据风力机结构的不同，决定是采用静止或空转的停机状态。 　　3.37电力汇集系统(风力机) power collection system（wind turbines） 　　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终端与电网联接之间的所有电气设备。 　　3.38风切变幂律 power 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。 　　3.39功率输出power output 　　通过专用设备将电能输送给用电设备的过程。 　　3.40保护系统（风力机 ）protection system (wind turbines) 　　确保WTGS运行在范围内的系统。 　　3.41额定功率 rated power 　　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。 　　3.42额定风速（υr）rated wind speed 　　风力机达到额定功率输出时规定的风速。 　　3.43瑞利分布Reyleigh distribution 　　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3.66）。 　　3.44参考风速（υref）reference wind speed 　　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。 　　3.45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。 　　3.46旋转采样风矢量 rotationally sampled wind velocity 　　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谱有明显的不同。风轮旋转时，叶片切入气流，流谱产生空间变化。最终的湍流谱包括转动频率下的流谱和由此产生的谐量。 　　3.47风轮转速（风力机）rotor speed（wind turbines） 　　风力机风轮绕其轴的旋转速度。 　　3.48粗糙长度 roughness length 　　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。 　　3.49安全寿命 safe life 　　严重失效前的预期使用时间。 　　3.50定期维护 scheduled maintenance 　　严格按预定的日期表进行的预防性维护。 　　3.51使用极限状态 serviceability limit state 　　规范管理中正常使用下的边界条件。 　　3.52静止 standstill 　　WTGS的停止状态。 　　3.53支撑结构（风力机）support structure （wind turbines） 　　由塔架和基础组成的风力机部分。 　　3.54安全风速 survival wind speed 　　结构能承受的最大设计风速的俗称。 　　注：本标准不采用这一术语，设计时可参考极端风速（见3.19）。 　　3.55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。 　　3.56湍流强度 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。 　　3.57湍流尺度参数 turbulence scale parameter 　　纵向功率谱密度等于0.05的无量钢的波长。 　　          　　3.58最大极限状态 ultimate limit state 　　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。 　　3.59不定期维护 unscheduled maintenance 　　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。 　　3.60上风向 upwind 　　主风方向的相反方向。 　　3.61垂直轴风力机vertical axis wind turbine 　　风轮轴垂直的风力机。 　　3.62威布尔分布 Weibull distribution 　　一种概率分布函数，见3.66（风速分布）。 　　3.63风力田wind farm 　　见3.64（风电场）。 　　3.64风电场 wind power station 　　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。 　　3.65风廓线；风切变律wind profile; wind shear law 　　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。 　　            　　式中：υ（Z）——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； 　　Zo——粗糙长度； 　　α——风切变指数（或幂）. 　　3.66分速分布wind speed distribution 　　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P W(υ0)。 　　          　　式中：P (υ0)——累积概率函数，也即υ<υ0的概率； 　　υ0——风速（极限）； 　　υave——风速的平均值； 　　C——威布尔分布函数的尺度参数； 　　k——威尔布分布函数的形状参数； 　　Γ——伽马函数。 　　C和k二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。 　　3.67风切变 wind shear 　　风速在垂直于风向平面内的变化。 　　3.68风切变律指数wind spear exponent 　　通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。 　　3.69风速 wind speed 　　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3.71风矢量）。 　　3.70风力发电机组（WTGS）wind turbine generator system 　　将风的动能转换为电能的系统。 　　3.71风矢量wind velocity 　　标有被研究某点的气体微团运动方向，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”通过该点时间的导数。 　　3.72WTGS电力系统 WTGS electrical system 　　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。 　　3.73WTGS终端 WTGS terminals 　　WTGS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。 　　3.74偏航yawing 　　风轮轴绕垂直轴的旋转（仅适用于水平轴风力机）。 　　3.75偏航角误差yaw misalignment 　　风轮轴线偏离风向的水平偏差。 　　4符号和缩写 　　 　　   　　   　　4.2缩写 　　A异常（安全系数） 　　a. c交流电 　　C使用性制约 　　d.c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最大风向阵风 　　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 　　S IEC WTGS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 　　5.1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。 　　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的分析。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。 　　5.3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7.6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6.2条定义的S级WTGS。 　　5.4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。 　　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： 　　——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； 　　——工作环境允许温度范围； 　　——WTGS的等级（见表1）； 　　——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 　　6.1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。 　　6.2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11章。总的目的是要得到明显由风速和湍流参数决定的WTGS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5.3）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 　　       　　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）中斜度参数。 　　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6.3，6.4和6.5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的文件包含附录A所列内容。 　　6.3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。 　　6.3.1正常风况 　　6.3.1.1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： 　　 　　6.3.1.2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： 　　 　　指数a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速切变。 　　6.3.1.3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1)： 　　   　　I15和a值由表1给出。在I15和a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（ƒ）逐渐接近下列形式： 　　 　　湍流尺度参数由下式确定： 　　  　　满足上述的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。 　　6.3.2极端风况 　　极端风况用于确定WTGS的极端风载荷。这种风况包括由暴风造成的风速峰值及风向和风速的迅速变化。这种极端状况含有湍流替在影响，在设计计算中仅考虑其确定的因素。 　　6.3.2.1极端风速模型（EWM） 　　50年一遇和1年一遇极端风速υe50和υe1应根据参考风速υref来确定。在标准级WTGS的设计中，υe50和υe1作为高度Z的函数用下式计算： 　　 　　1） 在计算载荷时除了表2内容外，还要以近似使用不同的百分位数。这些百分位数的附加值，确定如下： 　　                                　　式中X由正常概率分布函数确定。如95％时，X＝1.64。 　　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。 　　6.3.2.2极端工作阵风（EOG） 　　标准级WTGS N年一遇轮毂高阵风值υgustN由下面的关系式给出： 　　   　　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——风轮直径； 　　β＝4.8 N＝1； 　　β＝6.4 N＝50； 　　周期为N年一遇的风速，由下式确定： 　　      　　式中：υ（Z）由公式（6）进行计算： 　　T＝10.5s N＝1 　　T＝14.0s N＝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. 　　    　　图2极端工作阵风范例（N＝1，A类，D＝42m，Zhub＝30m，υhub＝25m/s）一年一遇和50年一遇二者均选取同一升降参数 　　6.3.2.3极端风向变化（EDC） 　　N年一遇极端风向变化值θeN，用下面公式进行计算： 　　        　　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＝4.8 N＝1； 　　β＝6.4 N＝50； 　　N年一遇风向瞬时极端变化θN（t），由下式给出： 　　       　　此外，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6.3.1.2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。 　　              　　图3极端风向幅值变化范例（N＝50，A类，D＝42m，Zhub＝30m） 　　             　　图4极端风向变化范例（N＝50，A类，D＝42m，Zhub＝30m，υhub＝25m/s） 　　6.3.2.4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： 　　       　　此外，上升时间T＝10s，υ（Z）为6.3.1.2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。 　　    　　图5极端相干阵风（υhub＝25m/s）（ECG） 　　6.3.2.5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θcg是同步进行的。θcg由下面的关系式确定： 　　     　　同步的方向变化由下面关系式给出： 　　      　　此处为上升时间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 　　6.3.2.6极端风速切变（EWS） 　　50年一遇的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 　　 　　——瞬时水平切变 　　   　　式中：α=0.2; β=6.4; T=12s； 　　Λ1——湍流尺度参数，由公式（9）计算： 　　D——风轮直径。 　　                 　　图8极端垂直风速切变开始前风廓线（t＝0，虚线）最大切变（t＝6s，实线）（N＝50，湍流A类，Zhub＝30m，υhub＝25m/s，D＝42m） 　　                　　 风轮上部……风轮下部 　　图9风轮上部和下部风速切变时间历程（假定以图8为存在前提） 　　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。 　　6.4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文件中阐明： 　　——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。选择设计值时，诸多气象条件同时出现的可能性也应予以考虑。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，6.4.2中的极端环境条件应和6.3.1中正常风况结合起来考虑。 　　6.4.1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1.225kg/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。 　　6.4.2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。 　　6.4.2.1温度 　　标准级WTGS极端温度范围设计值至少应是-20℃～+50℃。 　　6.4.2.2雷电 　　第10.6条防雷措施适于标准级风力发电机组。 　　6.4.2.3冰 　　应给出标准级WTGS结冰时的最低要求。 　　6.4.2.4地震 　　应给出标准级WTGS地震时的最低要求。 　　6.5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±10％ 　　——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 　　7.1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。 　　7.2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设计的合理性，如ISO2394的规定3)。 　　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。设计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。 　　7.3载荷 　　设计计算中应考虑7.3.1～7.3.4阐述的载荷。 　　7.3.1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。 　　7.3.2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。 　　7.3.3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。 　　7.3.4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11章。 　　7.4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。设计工况和形式N，A或T决定极限载荷使用的安全系数γƒ。这些系数在7.6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 　　 　　表2（完） 　　 　　DLC设计载荷状态 　　ECD 方向变化的极端相干阵风（见6.3.2.5） 　　ECG极端相干阵风（见6.3.2.4） 　　EDC极端风向变化（6.3.2.3） 　　EOG极端工作阵风（6.3.2.2） 　　EWM极端风速模型（6.3.2.1） 　　EWS极端风速切变（6.3.2.6） 　　Subscript 以年计发生一次的机会 　　NTM正常湍流模型（见6.3.1.3） 　　NWP正常风廓线模型（见6.3.1.2） 　　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7.6.3） 　　7.4.1发电（DLC1.1～1.9） 　　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，在分析运行载荷时应予考虑。 　　计算中应假设各种情况最不利的组合，例如风向变化与偏航角偏差的组合（DLC1.8）或阵风与电负荷损失（DLC1.5）的组合。 　　设计载荷情况DLC1.1和1.2包含了由大气流造成的载荷要求。DLC1.3和1.6～1.9规定了WTGS使用寿命期间可能出现的临界事件的瞬态情况。KLC1.4和1.5考虑的则是外部故障和电负荷损失的瞬态情况。 　　7.4.2发电兼有故障（DLC2.1～2.3） 　　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DLC2.1控制系统产生的故障（认为是正常现象）应进行分析。对DLC2.2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。由此产生的载荷可导致严重疲劳破坏，这种情况可能持续的时间，应在DLC2.3中估计到。 　　7.4.3起动（DLC3.1～3.3） 　　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。 　　7.4.4正常关机（DLC4.1～4.2） 　　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。 　　7.4.5紧急关机（DLC5.1） 　　由紧急关机造成的载荷增长予考虑。 　　7.4.6停机（静止或空转）（DLC6.1～6.2） 　　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破坏（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。 　　7.4.7停机兼有故障（DLC7.1）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。 　　7.4.8运输、组装、维护和修理（DLC8.1） 　　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，那么应考虑规定一个最大允许风况。 　　7.5载荷计算 　　对每种设计载荷情况都要考虑7.3.1～7.3.4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。 　　7.6最大极限状态分析 　　7.6.1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生效零件的重要性。 　　7.6.1.1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。 　　             　　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。 　　              　　式中：ƒd——材料的设计值； 　　γm——材料安全系数； 　　ƒk——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： 　　——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间的差别，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入系数γm。引入重要失效系数γ 　　n，以便进行区分： 　　一类零件安全系数：用于“失效－保险”结构件，结构件失效不会引起WTGS重要零件的失效。 　　二类零件安全系数：用于“非失效－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7.6.2）； 　　——疲劳损伤分析（见7.6.3）； 　　——稳定性分析（弯曲等）见（7.6.4）； 　　——临界挠度分析（叶片与塔架机械干扰等）（见7.6.5） 　　不超出最大极限状态的通用公式： 　　          　　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。 　　7.6.1.2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与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。 　　7.6.2极限强度分析 　　一般来讲，R就是材料抗载能力允许设计值，在此，R(ƒd)＝ƒd，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： 　　   　　7.6.2.1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 　　   　　7.6.2.2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1.1。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10%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） 　　     　　重大失效安全系数 　　一类零件：γn＝1.0 　　二类零件：γn＝1.0 　　7.6.2.3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7.6.2.1和7.6.2.2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＝10％。 　　7.6.3疲劳损伤 　　疲劳损伤可通过适当疲