IEC61400-1中文版

1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 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 寿命期内受到损坏。本 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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。IEC60204-1:1997,Safetyofmachinery–Electricalequipmentofmachines–Part1:GeneralrequirementsIEC60204-11:2000,Safetyofmachinery–Electricalequipmentofmachines–Part11:RequirementsforHVequipmentforvoltagesabove1000Va.c.or1500Vd.c.andnotexceeding36kVIEC60364(allparts),ElectricalinstallationsofbuildingsIEC60721-2-1:1982,Classificationofenvironmentalconditions–Part2:Environmentalconditionsappearinginnature.TemperatureandhumidityIEC61000-6-1:1997,Electromagneticcompatibility(EMC)–Part6:Genericstandards–Section1:Immunityforresidential,commercialandlight-industrialenvironmentsIEC61000-6-2:1999,Electromagneticcompatibility(EMC)–Part6:Genericstandards–Section2:Immunityforindustrialenvironments15IEC61000-6-4:1997,Electromagneticcompatibility(EMC)–Part6:Genericstandards–Section4:EmissionstandardforindustrialenvironmentsIEC61024-1:1990,Protectionofstructuresagainstlightning–Part1:GeneralprinciplesIEC61312-1:1995,Protectionagainstlightningelectromagneticimpulse–Part1:GeneralprincipleIEC61400-21:2001,Windturbinegeneratorsystems–Part21:MeasurementandassessmentofpowerqualitycharacteristicsofgridconnectedwindturbinesIEC61400-24:2002,Windturbinegeneratorsystems–Part24:LightningprotectionISO76:1987,Rollingbearings–StaticloadratingsISO281:1990,Rollingbearings–Dynamicloadratingsandratinglife2ISO2394:1998,GeneralprinciplesonreliabilityforstructuresISO2533:1975,StandardAtmosphereISO4354:1997,WindactionsonstructuresISO6336(allparts),CalculationofloadcapacityofspurandhelicalgearsISO9001:2000,Qualitymanagementsystems–Requirements3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aveV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 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 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inv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outv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。3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）hubz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3.623.28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）4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rV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RP概率分布函数，见3.633.42参考风速refV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）。注：对于参考风速为refV的某一级别的风力机，它在轮毂高度处承受的50年一遇10min的平均最大风速，应小于或等于参考风速refV。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oz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。zewen矩形53.47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1Λ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1huboVfΛ=，其中20101()0.05fSfσ=3.54湍流标准偏差1σ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WP概率分布函数，见3.633.60风电场见3.613.61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()()00ln()()lnrrZZvZvZZZ=×(1)6()()rrZvZvZZα⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠(2)式中：()vZ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()RoPv和威布尔分布函数()woPv()2()1exp2RooavePvVVπ⎡⎤=−−⎣⎦(3)()0()1-exp-kwoPvvC⎡⎤=⎣⎦11v22aveCkCkπ⎧⎫⎛⎞Γ+⎜⎟⎪⎪⎪⎪⎝⎠=⎨⎬⎪⎪=⎪⎪⎩⎭，如果(4)式中：0()Pv累积概率函数，也即0vv<的概率；0v风速（极限）；avev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；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0v的累积概率函数。如果估算1v到2v之间的分布，则式[]12()()PvPv−给出了1v与2v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。73.64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3.623.66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CTC湍流结构修正参数TC推力系数ohC相干函数D风轮直径f频率df材料强度的设计值kf材料强度的特征值dF设计载荷8kF载荷特征值refI10分钟内平均风速为15m/s时，轮毂高度处湍流密度的期望值effI有效湍流密度k威布尔分布函数的形状参数K修正的贝赛尔函数L均匀湍流整体尺度参数eL相干尺度参数kL速度分量的总体尺度参数mWöhler曲线指数in载荷柜i中疲劳循环次数(.)N用S-N特性曲线来表示应力函数时的故障周期数N极限状况出现周期p幸存概率R0()PV瑞利概率分布，也即0vv<的概率w0()PV威布尔概率分布r分矢量投影值is柜i内对应某一循环次数的应力（或应变）水平1()Sf纵向风矢量的能量谱密度函数kS单面速度分量谱T阵风特性时间t时间V风速(z)V高度z处风速aveV轮毂高度处年平均风速cgV风轮扫掠面上极端相干阵风值eNVN年一遇极大风速（平均3s）期望值，e1v，e50v分别表示一年一遇和50年一遇gustV50年一遇极大阵风期望值9hubV轮毂高度处风速inV切入风速0V风速分布模型中极限风速outV切出风速rV额定风速refV参考风速(,,)Vyzt用于描述瞬时水平风切变的纵向风速分量(,)Vzt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,,xyz用于描述风场的坐标系，分别为纵向风，横向风和垂向风hubz风力机轮毂高度rz离地面的参考高度0z对数风廓线的粗糙长度α风切变指数β最大风向变化模型参数δ变化系数Γ伽马函数fγ载荷安全系数mγ材料安全系数nγ损伤安全系数()tθ风向变化过渡过程cgθ阵风方向与平均风速方向最大偏离eθN年一遇最大风向变化1Λ由波长确定的湍流尺度参数，无量纲，纵向能谱强度121()fSfσ等于0.05^σ湍流标准偏差估计值10^effσ湍流标准偏差估计值的有效值wakeσ尾随湍流标准偏差^Tσ最大的中心尾流标准偏差^σσ湍流标准偏差估计值有效值的标准偏差1σ轮毂高度处纵向风速标准偏差2σ轮毂高度处垂向风速标准偏差3σ轮毂高度处横向风速标准偏差E支架内部参数的期望值arV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SIEC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11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，refV；轮毂高度处工作风速范围，inoutVV−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。12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ⅠⅡⅢSrefV(m/s)5042.537.5Aref()I−0.16Bref()I−0.14Cref()I−0.12由设计者规定各参数表中：各数值应用于轮毂高度。refV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refI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。13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，1σ，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：210.7σσ≥——上向分量：310.5σσ≥（b）纵向湍流尺寸参数，1Λ，在轮毂高度z处由下式确定10.7604260zzmmzm≤⎧Λ⎨≥⎩＝(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，1()Sf、2()Sf和3()Sf，逐渐接近下列形式：52233111hub()0.05()SfVfσ−−=Λ(6)2314()()()3SfSfSf==(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。1410分钟平均风速按瑞利分布计算，此时轮毂高度概率分布为：2Rhubhubave()1exp(2)PVVVπ⎡⎤=−−⎣⎦(8)其中，对标准的风机等级，aveV应按照式(9)选取。averef0.2VV=(9)6.3.1.2正常风廓线模型（NWP）风廓线(z)V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：hubhub(z)()VVzzα=(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1σ，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：1refhub0.2(0.75);5.6m/sIVbbσ=+=(11)湍流标准偏差1σ和湍流密度1hubVσ如图1a和1b所示。refI的值由表1给出。图1a正常湍流模型的标准偏差15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refV和固定的湍流标准偏差1σ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e50V和e1V作为高度z的函数用下式计算：0.11e50refhub(z)1.4()VVzz=(12)和e1e50(z)0.8(z)VV=(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：0.1150refhub(z)()VVzz=(14)16150(z)0.8(z)VV=(15)纵向湍流标准偏差为：1hub0.11Vσ=(16)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gustV由下面关系是给出：1guste1hub1Min1.35();3.310.1()VVVDσ⎧⎫⎛⎞⎪⎪⎜⎟⎪⎪⎜⎟=−⎨⎬⎜⎟⎪⎪+⎜⎟Λ⎪⎪⎝⎠⎩⎭(17)式中：1σ由公式（11）给出；1Λ湍流尺寸参数，由公式（5）选取；D风轮直径。风速由下式确定：gust()0.37sin(3)(1cos(2)0(,)()VzVtTtTtTVztVzππ−−≤≤⎧=⎨⎩其他(18)式中：()Vz由公式（10）确定T=10.5s当hub25m/sV=，等级为ⅠA，D=42m时的极端工作阵风如图2所示：17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。avehub1ref0.0723410;c2m/sVVcIccσ⎛⎞⎛⎞⎛⎞=+−+=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠(19)6.3.2.4极端风向变化（EDC）极端风向变化值，eθ，由下列关系式计算：1ehub1arctan10.1DVσθ⎛⎞⎜⎟⎜⎟=±⎜⎟⎛⎞⎛⎞⎜⎟+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟Λ⎝⎠⎝⎠⎝⎠(20)式中：1σ由NTM公式（11）给出；eθ限制在±180°之间1Λ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，()tθ，由下式给出：18()()ee00()0.51-cos0tttTtTtTθθπθ°<⎧⎪=±≤≤⎨⎪>⎩(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hub30mz=时的极端风向变化随hubV的变化如图3所示。对应hub25m/sV=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：cg=15m/sV(22)风速由下式确定：()()cgcg()0(,)()0.51-cos0()VztVztVzVtTtTVzVtTπ⎧≤⎪=+≤≤⎨⎪+≥⎩(23)式中T=10s是上升时间，风速()Vz由6.3.1.2的正常风廓线给出。hub25m/sV=时极端相干风速中风速的上升如图5所示。19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cgθ是同步的，cgθ由下面的关系式确定：hubcghubhubrefhub1804m/s()720m/s4m/s<VVVVVθ°<⎧⎪=°⎨<⎪⎩(24)同步的风向变化由下面的关系式给出：()()cgcg00()0.51-cos0tttTtTtTθθπθ⎧°<⎪=±≤≤⎨⎪±>⎩(25)式中T=10s是上升时间。风向的变化cgθ与风速hubV的关系，风向的变化()tθ与时间的关系（hub25m/sV=时），分别见图6和图7。图6ECD风向变化图7风向变化历程范例206.3.2.6极端风速切变极端分速切别应用下列瞬时风速来计算。瞬时（正负）垂直切变：()()14hubhub1hub1hubhub2.50.21-cos0(,)zzzDVtTtTzDVztzVzααβσπ−±+≤≤Λ=⎧⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎪⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎪⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎪⎝⎠⎨⎪⎛⎞⎪⎜⎟⎪⎝⎠⎩其它(26)瞬时水平切变：()()14hub1hub1hubhub2.50.21-cos0(,,)zyDVtTtTzDVyztzVzααβσπ±+≤≤Λ=⎧⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎪⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎪⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎪⎝⎠⎨⎪⎛⎞⎪⎜⎟⎪⎝⎠⎩其它(27)两式中：0.2;6.4;12sTαβ===；1σ由NTM公式（11）给出；1Λ湍流尺寸参数，由公式（5）选取；D风轮直径。要挑选水平风速切变的瞬时信号，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。图8极端正负垂直风切变范例，开始前风廓线图9以瞬时正的风切变为例，（t=0，虚线）和最大切变（t=6s，实线）。风轮上部和下部的风速作为一例，极端垂直风速（湍流类型为A，hub30mz=，hub25m/sV=，D=42m）如21图8所示。图9表示风轮上部和下部风速切变的时间历程（假定以图8存在为前提）。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、电的或者其他物理作用都会影响风机的完整性和安全性。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；——盐雾；——雷电；——地震。近海环境，需要考虑附加条件。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风机的正常运行。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：——环境温度范围-10℃~40℃；——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。当设计者规定附加外部环境条件参数时，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。6.4.2其他极端环境条件风机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温度标准级风机极端温度范围至少应是-20℃~+50℃。6.4.2.2雷电第10.6条防雷保护措施适用于标准级风机。6.4.2.3冰无标准级风机结冰最低要求。6.4.2.4地震标准级风机无地震时最低要求。考虑地震情况及其影响参见11.6和附录C。6.5电网条件下列的情况要考虑风机终端的正常情况。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%22——电压不稳定，电压的负量和正量的比值不超过2%——重合闸周期，第一次重合闸在0.1到5s之间，第二次重合闸在10s-90s之间——断电，假定一年内断电20次，6小时以内为正常情况。风力机设计的最长持续时间为一星期以上来设计。7结构设计7.1概述应验证风力机结构中承载件的完整性，并确定一个能够接受的安全等级。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风力机结构的完整性。应以ISO2394为基础进行结构分析。采用适当的方法进行计算。设计文件中须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。任何强度验证试验中的载荷等级应与7.6中特征载荷相应的安全系数一致。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替代计算来验证结构设计的合理性，如ISO2394的规定。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重力和惯性力载荷重力和惯性力载荷是作用于风机的静态和动态载荷，它们是由地球引力、振动、旋转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，它们是由气流与风机的固定件或运动件相互作用引起的。空气动力视穿过风轮平面的平均风速、湍流，风轮转速，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风机的操作和控制而产生。这种载荷有多种，包括通过发电机和换流器的扭矩控制、偏航和变桨执行结构引起的载荷及机械制动载荷。在每一种情况下，在计算应力和载荷时，考虑有效的执行结构作用力的范围很重要。特别是对机械制动，在任何制动事件中校验应力和载荷时，受温度和老化影响的摩擦力、弹性力或压力的变化范围予以考虑。7.3.4其他载荷其他载荷，如尾流载荷，冲击载荷，冰载荷都可能发生。这些载荷可适当计入总载荷考虑，见11.4。7.4设计工况和载荷状态本条阐明了风机设计载荷状态，并规定了需考虑的最低数量。为了达到设计目的，风机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。载荷状态取决于运行状态、其它设计工况如装配、吊装、维护等、与外部条件的组合。具有合理发生概率的各相关载荷状态应与控制和保护系统动作，放在一起考虑。通常用于确定风机结构完整性的载荷状态，用下面的组合形式进行计算：——正常设计工况和相应的正常或极端外部条件；——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。23如果极端外部条件和故障工况二者相关存在，可以考虑将它们合在一起，作为一种载荷状态。在每种设计工况中，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。如果风机控制器，在设计载荷的时候有确定的风速模型，能使风机在达到最大偏航角或最大风速之前关机，则风机必须能在那个确定的风况变化时的湍流条件下可靠关机。在特殊的风机设计中，如需要，也可以考虑其他有关特定风机设计结构完整性的载荷状态。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，如材料强度基准的分析、叶尖挠度分析、结构稳定分析等。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比较小，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fγ。这些系数在表3中给出。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1.1NTMinhubout<<VVV极端状况归纳UN1.2NTMinhubout<<VVVF*1.3ETMinhubout<<VVVUN1.4ECDhubr=r-2m/s,,r+2m/sVVVVUN1）发电1.5EWSinhubout<<VVVUN2.1NTMinhubout<<VVV控制系统故障或者电网亏损UA2.2NTMinhubout<<VVV保护系统或者前期内部电气故障UA2.3EOGhubout=r2m/sVVV±和内部或外部电气故障包括电网亏损UA2）发电兼有故障2.4NTMinhubout<<VVV控制、保护或者电气故障包括电网亏损F*3）起动3.1NWPinhubout<<VVVF*3.2EOGUN24hubinout=,r2m/sVVVV±和3.3EDChubinout=,r2m/sVVVV±和UN4.1NWPinhubout<<VVVF*4）正常关机4.2EOGhubout=r2m/sVVV±和UN5）紧急关机5.1NTMhubout=r2m/sVVV±和UN6）停机（静止或空转）6.1EWM50年的循环周期UN6.2EWM50年的循环周期电网亏损UA6.3EWM1年的循环周期极端偏航角误差UN6.4NTMhubref<0.7VVF*7）停机兼故障7.1EWM1年的循环周期UA8）运输、组装、维护、修理8.1NTMmaintV由厂家说明UT8.2EWM1年的循环周期UA表2中用到的缩略语：DLC设计载荷状态ECD方向变化的极端相干阵风（见6.3.2.5）EDC极端风向变化（见6.3.2.4）EOG极端工作阵风（见6.3.2.2）EWM极端风速模型（见6.3.2.1）EWS极端风速切变（见6.3.2.6）NTM正常湍流模型（见6.3.1.3）ETM极端湍流模型（见6.3.2.3）NWP正常风廓线模型（见6.3.1.2）r2m/sV±应对这个范围内风速的敏感度进行分析F疲劳（见7.6.3）U最大（见7.6.2）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）表2列出了风速范围，应考虑到风速对风机产生的最严重影响。将风速范围分成若干个区段，并对每一段给出风机适当的寿命百分比。确定载荷状态时，应参考第6章阐述的风况。257.4.1发电（DLC1.1~1.5）这种设计工况，风机处在运行状态，并接有电力负载。风机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（如叶片浆距和扭曲偏差）。另外，理论最佳运行状态偏差，如偏航角误差，控制系统轨迹误差等，在分析运行载荷时应予考虑。设计载荷情况（DLC）1.1和1.2包含了在风机使用寿命期间，在正常的运行条件下，由大气湍流造成的载荷要求。DLC1.3包含了由极端湍流造成的最大载荷要求。DLC1.4和1.5规定了风机使用寿命期间可能出现的临界事件的瞬态情况。对DLC1.1仿真数据的统计分析至少应包括叶片根部在平面和不在平面时刻的极限值以及叶尖挠度的计算。如果源自DLC1.3的极限设计值超过这些参数的极端设计值，可以忽略对DLC1.1的进一步分析。如果源自DLC1.3的极端设计值未超过这些参数的极端设计值，则极端湍流模型公式中的因数c会增加，直至DLC1.3计算的极端设计值等于或大于DLC1.1计算的这些参数。7.4.2发电兼有故障或失去电网（DLC2.1~2.4）设计工况包括发电过程中因故障或者电网亏损而发生的瞬态事件。任何控制系统和保护系统故障或电气系统内部故障对风机载荷（如发电机短路）很重要，应予以考虑。对DLC2.1发生的与控制系统相关的故障或失去电网连接应认为是正常现象。对DLC2.2，罕见现象包括保护系统或内部电气系统故障认为是异常现象。对DLC2.3，可能出现的重要的风事件，EOG，与内部或外部电气故障（包括电网亏损）结合起来，被认为是异常现象。这种情况下，两个事件的同步被选择为最坏的载荷。如果发生故障或者电网亏损后未能引起马上关机，由此产生的载荷可导致严重的疲劳破坏，这种情况连同所造成的疲劳损坏，在正常湍流情况下的可能持续时间，应在DLC2.4种估计到。7.4.3起动（DLC3.1~3.3）这种设计工况包括风机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。发生的次数应该可以根据控制系统的特性预测。7.4.4正常关机（DLC4.1~4.2）这种设计工况包括风机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。发生的次数应该可以根据控制系统的特性预测。7.4.5紧急关机（DLC5.1）由紧急关机造成的载荷增长应予考虑。7.4.6停机（静止或空转）（DLC6.1~6.4）这种工况下，风机停机时，风轮停止不动或空转。DLC6.1、6.2和6.3应和极端风速模型一起考虑。对DLC6.4，应考虑正常湍流模型。风况由极端风速模型（EWM）来定义的情况下，设计载荷可能用到稳定的极端风模型或者湍流极端风模型。若用湍流极端风模型，应力可以用全动态仿真或对阵风适当修正的拟稳定分析估算，动态应力用ISO4354公式估算。若用稳定的极端风模型，共振应力的影响通过上述的拟稳定分析来估算。若共振和背景应力的比率小于5%，要用稳定极端风模型做静态分析。若风机偏航系统在特征载荷时发生偏移，最大的可能偏移要加在平均偏航角误差上。若风机具有在极端风况下发生偏航的偏航系统（如自由偏航、被动偏航或半自由偏航），则应用湍流风模型，且偏航角误差由湍流风向变化和风机偏航动态应力来控制。同样地，若风机经历了大的偏航或者在风速从正常运行状态增加到极端状况过程中的平衡变化，这些行为在分析时也要包括。对DLC6.1，有自动偏航系统的风机，考虑到可靠地限制偏航系统的偏差，用稳定的极26端风模型时，偏航误差应控制在±15°之间，用湍流极端风模型时，平均偏航误差在±8°之间。对DLC6.2，应考虑在包含极端风况的暴雨的早期失去电源的情况。应分析风向在±180°变化的影响，除非有备用电源供给控制和偏航系统，且具有至少6小时的容量，这是校正偏航所需的时间。对DLC6.3，一年一遇的极端风速应与极端偏航误差结合起来。用稳定的极端风模型时，极端偏航误差应设定在±30°之间，用湍流极端风模型时，平均偏航误差在±20°之间。对DLC6.4，不发电期间，对应各种风速的载荷变动对某些零部件产生严重的疲劳破坏（如来自空转叶片重量的），不发电时数应加以考虑。7.4.7停机兼有故障（DLC7.1）风机停机中，由于电网或风机自身故障造成的不正常现象，要进行分析。除电网亏损外的任何故障，致使停机中的风机正常特性变化，这个变化可能造成的结果，都应成为分析对象。故障情况应与一年一遇的极端风速模型（EWM）结合起来。这些情况会是湍流或者对阵风适当修正的拟稳定和动态应力。对偏航系统故障，应考虑±180°的偏航误差。对其他故障，偏航误差与DLC6.1一致。如果偏航系统的偏差在DLC7.1的特征载荷情况下发生，要考虑最大的可能偏差。7.4.8运输、组装、维护和修理（DLC8.1~8.2）对DLC8.1，制造厂应指定风机的运输、组装、维护和修理中的风况和设计工况。如果在风机上有大的载荷产生，那么就应考虑规定一个最大允许风况。制造厂应在指定的风况和设计时考虑的风况之间留充分的裕量，以达到可接受的安全等级。充分的裕量是在指定的风况上加5m/s。另外，DLC8.2应包括超过一周以上的风机运输、组装、维护和修理。这个应包括相关的部分的完整塔架，无机舱的塔架支架和缺一个或多个叶片的风机。假设所有的叶片都同时安装。假设这些状态都没有跟电网连接。在这些状态下都可以采取措施减小载荷，只要这些措施不要求与电网连接。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：z由风机自身引起的流场的扰动（尾流诱导速度、塔影效应等）；z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）；z不稳定空气动力影响；z结构动力与振动的振动耦合模型；z气动弹性影响；z风机控制系统和保护系统动作的影响。用结构动力模型的动态仿真来计算风机载荷。某些载荷情况有湍流输入。这种情况下，所取的载荷数据的时间跨度要足够长，以保证对特征符合估计的可靠性。仿真中，对每个轮毂高度处的平均风速至少需要6个10分钟（或者连续60分钟）的随机现数。然而，对DLC2.1,2.2和5.1，在给定的风速下，对每个事件至少做12次仿真。因为在仿真的开始阶段，用来做动态仿真的起始状况对载荷统计有典型影响，所以在每个分析间隔，第一个5s（需要的话要更长）内的数据不予考虑，包括湍流输入的情况。很多情况下，对特定风机部件关键位置的应变和应力受同步的多轴载荷控制。这种情况下，从仿真中得到的垂直载荷的时间系列有时用来规定设计载荷。当这些时间系列的垂直分量用来计算疲劳和最大载荷时，它们将结合起来以保存相位和幅值。所以，直接的方法是基于对重要的随时间变化的应力的推导。极端的疲劳的预计法适用于这种单一信号，要避免用于复合载荷。27考虑到最大载荷分量发生的同时性，应采用保守的方式，将最大负荷分量组合起来考虑。7.6最大极限状态分析7.6.1方法安全系数说明了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。7.6.1.1安全系数为确保安全设计，载荷与材料的不确定性和易变性用公式(28)与（29）定义的安全系数进行补偿。dfkFFγ=(28)式中：dF——在给定的设计载荷情况下，内部载荷及各种来源的多种同步载荷结合后的载荷的设计值；fγ——载荷安全系数kF——载荷的特征值。dkm1ffγ=(29)式中：df——材料的设计值；mγ——材料安全系数；kf——材料性能特征值。本标准中应用的载荷安全系数还要考虑下列因素：——载荷特征值可能出现的不理想偏差；——载荷模型的不确定性。本标准中应用的材料安全系数还要考虑下列因素，如ISO2394：——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；——转换系数的误差。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fγ，而材料的相关因素并入系数mγ。287.6.1.2失效系数及零件等级引入重要失