對IEC 61400-1（第四版）中風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算部分的解讀與分析

高俊云

IEC 61400-1（Wind energy generation systems―Part1： Design requirements 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)—— 第一部分：設(shè)計(jì)要求）是陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從選型到最終完成設(shè)計(jì)全過程的最低技術(shù)要求。目前，1999年2月發(fā)布的IEC 61400-1第二版已經(jīng)廢止，國內(nèi)外大部分的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造商都是按照2005年8月發(fā)布的IEC 61400-1第三版及2010年10月發(fā)布的增補(bǔ)1進(jìn)行陸上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)。

IEC 61400-1第三版發(fā)布距今已有約15年的時(shí)間，我國通過翻譯以等同采用的方式于2012年推出了GB/T 18451.1―2012。經(jīng)過十多年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了長足進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組額定功率已從千瓦級(jí)跨入兆瓦級(jí)時(shí)代。機(jī)組的安裝地點(diǎn)也越來越廣，從普通地區(qū)擴(kuò)展到高海拔地區(qū)、高溫地區(qū)、山地、寒冷地區(qū)及臺(tái)風(fēng)影響區(qū)。風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加，對電網(wǎng)的適用性，如低電壓穿越、高電壓穿越等，也提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。特別是近年來適用于低風(fēng)速區(qū)的長葉片機(jī)組的開發(fā)，對機(jī)組可靠性和載荷優(yōu)化控制提出了很高的要求，出現(xiàn)了獨(dú)立變槳、激光測風(fēng)前饋控制等許多新的降載控制技術(shù)。這些變化和發(fā)展使得標(biāo)準(zhǔn)中存在的一些不足逐漸顯現(xiàn)，如機(jī)組安全等級(jí)覆蓋范圍較小、湍流模型和載荷外推方法以及安全系數(shù)選取的合理性不足、未考慮覆冰對葉片氣動(dòng)性能的影響、機(jī)組可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)估指標(biāo)不夠明確等。

自2011年開始，國際電工委員會(huì)（IEC）組織包括北京鑒衡認(rèn)證中心在內(nèi)的多家國際風(fēng)電機(jī)組認(rèn)證機(jī)構(gòu)、整機(jī)生產(chǎn)廠家、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)等，進(jìn)行IEC 61400-1（第四版）的編寫工作，2019年2月該版標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。對比IEC 61400-1第三版及增補(bǔ)1，該版標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了近年來風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，不僅標(biāo)準(zhǔn)名稱由第三版的“Wind turbine”（風(fēng)電機(jī)組）改為了“Wind energy generation systems”（風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)），而且新版標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容對多個(gè)部分，如載荷仿真、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、可靠性、場址適應(yīng)性評(píng)估等，都進(jìn)行了修訂和增補(bǔ)。

為了滿足風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和認(rèn)證的要求，必須全面分析并盡快掌握新版標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的具體規(guī)定及要求。近年來，隨著長葉片、高塔筒、大功率機(jī)型成為市場主流，如何在保證機(jī)組設(shè)計(jì)可靠性的前提下，合理計(jì)算和降低機(jī)組載荷，成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算的研究熱點(diǎn)之一。因此，載荷仿真計(jì)算也是IEC 61400-1（第四版）中主要的修訂部分之一。本文在對IEC 61400-1（第四版）主要修訂內(nèi)容進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，通過與舊版標(biāo)準(zhǔn)的對比，從多個(gè)方面對新版標(biāo)準(zhǔn)在載荷仿真計(jì)算方面的更新進(jìn)行解讀和分析。

IEC 61400-1（第四版）的主要修訂內(nèi)容

概括起來，新版IEC 61400-1（第四版）相對于舊版IEC 61400-1（第三版）的變化，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）對參考資料和技術(shù)要求進(jìn)行了更新和說明；

（2）擴(kuò)展了風(fēng)電機(jī)組的分類等級(jí)，增加了臺(tái)風(fēng)型和高湍流型機(jī)組類別；

（3）對正常湍流模型（NTM）湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0的Weibull分布進(jìn)行了定義；

（4）更新了設(shè)計(jì)載荷工況（DLCs），特別是DLC2.1和DLC2.2；

（5）對局部安全系數(shù)的規(guī)定進(jìn)行了修訂；

（6）對控制系統(tǒng)（第8章）、電氣系統(tǒng)（第10章）和基于場址的風(fēng)電機(jī)組評(píng)估（第11章）進(jìn)行了重要修訂；

（7）在第14章介紹了對寒冷氣候機(jī)組的技術(shù)要求；

（8）新增附錄B，對特定場址或特殊設(shè)計(jì)等級(jí)（S）風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷工況，及場址適應(yīng)性評(píng)估進(jìn)行了規(guī)定；

（9）新增附錄J，對采用蒙特卡洛仿真方法預(yù)測臺(tái)風(fēng)極端風(fēng)速進(jìn)行了介紹；

（10）新增附錄K，對結(jié)構(gòu)材料安全系數(shù)（material safety factor）的標(biāo)定和通過試驗(yàn)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定；

（11）新增附錄L，對結(jié)冰氣候?qū)C(jī)組性能的影響和評(píng)估進(jìn)行了規(guī)定；

（12）新增附錄M，對中型風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定。

IEC 61400-1（第四版）在載荷仿真計(jì)算方面的更新

在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過程中，載荷仿真計(jì)算是非常重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對機(jī)組設(shè)計(jì)和安全起著非常重要的作用，也是機(jī)組認(rèn)證中必不可少的環(huán)節(jié)。IEC 61400-1（第四版）在載荷仿真計(jì)算部分，如湍流模型選取、載荷工況定義、安全系數(shù)選取等方面較舊版做出了較大改動(dòng)。

一、湍流強(qiáng)度定義及湍流模型的選取

湍流強(qiáng)度作為確定風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)，第四版對其表征和分布等都重新進(jìn)行了定義。

（1）湍流強(qiáng)度的表征發(fā)生了改變。第三版湍流強(qiáng)度是按照平均風(fēng)速15m/s對應(yīng)的湍流強(qiáng)度期望值（平均值）Iref來表征，而第四版則是按照平均風(fēng)速15m/s對應(yīng)的湍流強(qiáng)度參考值（70%分位數(shù)）Iref來表征；

采用這一定義對疲勞工況（DLC1.2）進(jìn)行仿真，會(huì)改變風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷仿真子工況的設(shè)定，使疲勞載荷的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際；

（3）明確了對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等級(jí)的機(jī)組應(yīng)使用Kaimal 湍流模型（也可選擇使用Mann湍流模型），而對于設(shè)計(jì)等級(jí)為S的機(jī)組可使用其他的湍流模型。此外，規(guī)定了風(fēng)模型中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間距離的最大值，以保證載荷仿真計(jì)算的精度。

二、機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)的定義

表1和表2分別為第三版和第四版對機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)的定義。其區(qū)別主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）第四版取消了第三版中參考風(fēng)速Vref=5×Vave（Vave為年平均風(fēng)速）的計(jì)算公式，并引入了新定義的適用于熱帶颶風(fēng)氣候的參考風(fēng)速，即50年一遇極限風(fēng)速Vref，T，對應(yīng)設(shè)計(jì)等級(jí)T，規(guī)定Vref，T=57.5m/s，這一數(shù)值涵蓋了絕大部分臺(tái)風(fēng)影響區(qū)的極端風(fēng)速；

（2）第四版新增了超高湍流強(qiáng)度等級(jí)A+，其對應(yīng)的湍流強(qiáng)度參考值Iref為0.18，擴(kuò)大了機(jī)組設(shè)計(jì)等級(jí)的覆蓋范圍；

（3）在第四版中，按照年平均風(fēng)速Vave 、參考風(fēng)速Vref 、湍流強(qiáng)度參考值 Iref來共同定義標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組等級(jí)，而第三版中是按照參考風(fēng)速Vref 、湍流強(qiáng)度參考值Iref進(jìn)行定義；

（4）第三版沒有對低溫氣候風(fēng)電機(jī)組的要求，第四版引入了適應(yīng)寒冷氣候（cold climate）的設(shè)計(jì)等級(jí)CC，并新增第14章，對低溫型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并在附錄A和附錄L中對寒冷氣候機(jī)組載荷計(jì)算中不同工況對空氣密度的考慮、覆冰對葉片氣動(dòng)性能等的影響進(jìn)行了規(guī)定和說明。

三、設(shè)計(jì)時(shí)對機(jī)組動(dòng)態(tài)特性和載荷的考慮

在第三版對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，第四版增加了如下要求：

（1）要對機(jī)組進(jìn)行共振分析，應(yīng)識(shí)別塔筒、風(fēng)輪和傳動(dòng)鏈的共振，頻率范圍應(yīng)達(dá)到并包括葉片通過頻率的2倍（對三葉片機(jī)組為6P，P為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻）；

（2）仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照C級(jí)湍流強(qiáng)度30%（超低湍流水平）的NTM風(fēng)對可能存在的共振風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。如果在低湍流時(shí)存在高的共振載荷，應(yīng)采取措施加以避免，或?qū)⑵浒谠O(shè)計(jì)載荷中；

（3）在設(shè)計(jì)所考慮的載荷中，提出了對重力和慣性力的新要求，即在塔筒和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析中，應(yīng)單獨(dú)考慮塔架垂直度對重力載荷的影響。對驅(qū)動(dòng)載荷（如變槳驅(qū)動(dòng)、偏航驅(qū)動(dòng)等）的計(jì)算，明確要求考慮摩擦力。此外，還應(yīng)考慮渦激振動(dòng)產(chǎn)生的塔筒載荷、寒冷氣候相關(guān)的載荷等。

四、設(shè)計(jì)載荷工況（DLCs）的定義

與第三版相比，第四版在設(shè)計(jì)載荷工況的定義上，更加具體和明確，對子工況的規(guī)定更為全面和科學(xué)，而且把可靠性分析法引入到了載荷計(jì)算中，其中設(shè)計(jì)工況2（發(fā)電過程中發(fā)生故障）變化最大。概括起來，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）對于DLC1.1，第四版明確了外推主要關(guān)注的變量為葉根面內(nèi)彎矩和面外彎矩，葉尖變形主要在塔筒凈空分析中考慮。對DLC1.1仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，除第三版規(guī)定的按50年復(fù)現(xiàn)周期進(jìn)行外推得到特征載荷外，提出了另外2種新選擇：（a）特征值為給定風(fēng)速范圍內(nèi)每一風(fēng)速所有10min仿真極值的平均值的最大值或最小值，再乘以1.35；（b）特征值為給定風(fēng)速范圍內(nèi)每一風(fēng)速所有10min仿真極值的平均值的最大值的99%分位值（或最小值的1%分位值），再乘以1.2；

（2）故障工況DLC2.1、DLC2.2的定義方式結(jié)合故障模式和效果分析（FMEA分析）來確定，明確了這兩種設(shè)計(jì)載荷工況中分別應(yīng)考慮的故障工況。按照控制系統(tǒng)的兩層架構(gòu)形式，把DLC2.1所考慮的故障定義為正?？刂葡到y(tǒng)故障、電網(wǎng)失電或主干層控制功能故障；把DLC2.2所考慮的故障定義為非正常控制系統(tǒng)故障或輔助層保護(hù)功能故障。并進(jìn)一步按照定量方式進(jìn)行故障分類，把復(fù)現(xiàn)周期小于等于50年的故障、無法得到復(fù)現(xiàn)周期的故障及脫網(wǎng)故障歸于DLC2.1，而把復(fù)現(xiàn)周期大于50年的故障（不考慮復(fù)現(xiàn)周期大于2000年的故障）歸于DLC2.2；

（3）對DLC2.3（極端運(yùn)行陣風(fēng)EOG+故障）提出了另一種可選的仿真方法：將DLC2.3視為一個(gè)正常事件（即載荷局部安全系數(shù)為1.35），利用NTM風(fēng)結(jié)合內(nèi)部或外部的電氣系統(tǒng)故障（包括失去電網(wǎng)連接）進(jìn)行仿真分析。采用這種方式仿真時(shí)，在每一個(gè)需要考慮的平均風(fēng)速下，應(yīng)進(jìn)行12個(gè)仿真，其名義載荷取為每一平均風(fēng)速下12個(gè)仿真極值的平均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差；

（4）在設(shè)計(jì)工況2的故障工況中，第四版新增了極限載荷工況DLC2.5—— 低電壓穿越，并規(guī)定設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對電壓壓降及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行具體說明；

（5）對工況DLC3.2（極端運(yùn)行陣風(fēng)EOG風(fēng)況下的啟動(dòng)）和DLC4.2（極端運(yùn)行陣風(fēng)EOG風(fēng)況下的停機(jī)）都給出了更為詳細(xì)的載荷工況定義要求，并提出了另一種可選的仿真方法。按照EOG風(fēng)仿真時(shí)，明確要以功率大小作為選取陣風(fēng)發(fā)生時(shí)間點(diǎn)的依據(jù)。對于DLC3.2，要在功率上升到50%～95%的范圍內(nèi)，至少均勻地選取4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行仿真；而對于DLC4.2，要在停機(jī)前10s到功率下降到50%的范圍內(nèi)，至少均勻地選取6個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行仿真，且要考慮風(fēng)輪方位角的影響，其名義載荷取為每一風(fēng)速不同時(shí)間點(diǎn)、不同方位角下仿真極值的平均值。另一種可選的仿真方法為，按照ETM（極端湍流模型）風(fēng)進(jìn)行仿真，每一個(gè)需要考慮的風(fēng)速下，應(yīng)進(jìn)行12個(gè)仿真，其名義載荷取為每一風(fēng)速下12個(gè)仿真極值的平均值。采用這種方式進(jìn)行仿真，可有效降低塔筒根部的極限載荷；

（6）對于DLC6（停機(jī)），除疲勞載荷需考慮的設(shè)計(jì)載荷工況DLC6.4外，明確規(guī)定，對于設(shè)計(jì)載荷工況DLC6.1、DLC6.2、DLC6.3，若選擇靜態(tài)極限風(fēng)速模型，則在葉片升力最大的扇區(qū)內(nèi)，仿真時(shí)最大偏航誤差間隔不應(yīng)該超過10度。且說明了DLC6.1、DLC6.2的載荷安全系數(shù)是在假定年最大風(fēng)速波動(dòng)系數(shù)（COV）小于15%的前提下導(dǎo)出的。在特定場址載荷評(píng)估時(shí)，需按照第11.3.2節(jié)規(guī)定，基于COV的實(shí)測值，適當(dāng)增大載荷安全系數(shù)；

（7）對于設(shè)計(jì)工況DLC7（停機(jī)且有故障），明確了至少需要考慮制動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的故障情況。在葉片升力最大的扇區(qū)內(nèi)，仿真時(shí)最大偏航誤差間隔不應(yīng)該超過10度；

（8）對于設(shè)計(jì)工況DLC8（運(yùn)輸、裝配和維修），明確了當(dāng)塔筒上部未安裝機(jī)艙時(shí)，要采取適當(dāng)措施，避免臨界風(fēng)速下渦致橫向振動(dòng)。當(dāng)無法避免時(shí)，應(yīng)在疲勞設(shè)計(jì)工況中對渦致橫向振動(dòng)產(chǎn)生的塔筒疲勞損傷加以考慮。此外，按照該工況下得到的極限載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，非冗余鎖定裝置應(yīng)按照第三類部件等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

五、載荷局部安全系數(shù)的選取

第四版中，對部分設(shè)計(jì)載荷工況的載荷局部安全系數(shù)進(jìn)行了合理修正，主要包括：

（1）明確提出，如果有文件能證明標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定會(huì)導(dǎo)致局部安全系數(shù)偏于保守，可用更合理的數(shù)值替代。這種情況下，可通過對載荷和抗力安全系數(shù)（resistance safety factor）進(jìn)行標(biāo)定來滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的安全水平；

（2）對于DLC2.1，提出了基于故障間隔平均時(shí)間（MTBF）的載荷局部安全系數(shù)選取方法。當(dāng)MTBF≤10年時(shí)，取載荷局部安全系數(shù)為1.35；當(dāng)10年50年時(shí)，取載荷局部安全系數(shù)為1.1；

（3）DLC2.5（低電壓穿越故障工況），對應(yīng)的載荷局部安全系數(shù)為1.2；

（4）取消了第三版中的機(jī)組運(yùn)輸和維修工況載荷局部安全系數(shù)T，把DLC8.1的載荷局部安全系數(shù)由1.5調(diào)整為1.35，減小10%。

此外，在設(shè)計(jì)需考慮的其他局部安全系數(shù)中，將第三版的材料安全系數(shù)用抗力安全系數(shù)取代，以全面考慮材料特性、截面形狀、原始缺陷等的綜合不確定性。對失效后果安全系數(shù)也做出了相應(yīng)調(diào)整，將第三類部件的失效后果安全系數(shù)從1.3調(diào)整為1.2。

概括起來，按照IEC 61400-1（第四版）進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算，載荷工況設(shè)定更為細(xì)化、清晰、明確，載荷安全系數(shù)的選取更為合理。特別是部分載荷工況可選用不同的方法仿真，提高了載荷計(jì)算的科學(xué)性。有助于有效降低極限設(shè)計(jì)載荷和疲勞設(shè)計(jì)載荷，降低機(jī)組設(shè)計(jì)成本。

此外，該標(biāo)準(zhǔn)也存在一些需要完善的部分。如未定義適應(yīng)臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的特定載荷工況，且臺(tái)風(fēng)參考風(fēng)速的規(guī)定也高于我國絕大部分臺(tái)風(fēng)影響區(qū)的實(shí)際風(fēng)速。因此，應(yīng)采用國標(biāo)GB/T 31519―2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》進(jìn)行臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)。對于載荷局部安全系數(shù)，也需要在實(shí)際工況載荷測試中通過不斷的數(shù)據(jù)積累和分析合理選取。

結(jié)語

目前，我國正在進(jìn)行IEC 61400-1（第四版）的等同轉(zhuǎn)化。由于標(biāo)準(zhǔn)中涉及許多新的內(nèi)容，使用過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生認(rèn)識(shí)和理解等方面的偏差，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)大力開展宣貫和講解分析工作。

作為陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61400-1（第四版）的不斷推廣應(yīng)用，將有效指導(dǎo)和規(guī)范我國風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造和檢測認(rèn)證，進(jìn)一步提高風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，有助于我國風(fēng)電技術(shù)和機(jī)組的出口，推動(dòng)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國際化。

（作者單位：太原重工股份有限公司）