风力发电机组标准(外部条件)
-6-1411:23:58中国船级社
外部条件(内容没经过教对,上载上可能有一定的错误)
一般要求
在风力发电机组的设计中, 至少应考虑本节所述的外部条件。
风力发电机组承受环境和电网的影响, 其主要体现在载荷、使用寿命和正常运行等方面。为保证安全和可靠性, 在设计中应考虑到环境、电网和土壤参数, 并在设计文件中明确规定。环境条件可划分为风况和其它外部条件。土壤特性关系到风力发电机组的基础设计。各类外部条件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结构长期承载和运行状态。极端外部条件是潜在的临界外部设计条件。设计载荷系由这些外部条件和风力发电机组的运行状态组合而成。
对结构整体而言, 风况是最基本的外部条件。其它环境条件对设计特性, 诸如控制系统功能、耐久性、锈蚀等均有影响。
根据风力发电机组安全等级的要求, 设计中要考虑本节所述的正
常外部条件和极端外部条件。
风力发电机组分级
风力发电机组的设计中, 外部条件应由其安装场地和场地类型决定。风力发电机组的安全等级及相应的风速和风湍流参数应符合表2.2.2.1的规定。
对需要特殊设计( 如特殊风况或其它特殊外部条件) 的风力发电机组, 规定了特殊安全等级——S级。S级风力发电机组的设计值由设计者确定, 并应在设计文件中详细说明。对这样的特殊设计, 选取的设计值所反映的外部条件比预期使用的外部条件更为恶劣。近海安装为特殊外部条件, 要求风力发电机组按S级设计。
各等级风力发电机组的基本参数①表2.2.2.1
注: 表中数据为轮毂高度处值, 其中:
A表示较高湍流特性级; 参考风速Vref为10min平均风速;
B表示中等湍流特性级; I15风速为15m/s时的湍流强度特性值。C表示较低湍流特性级;
除表基本参数外, 在风力发电机组设计中, 还需要某些更重要的参数来规定外部条件。对风力发电机组IA～IIIC级, 统称为风力发电机组的标准等级, 在本节2.2.3、2.2.4、2.2.5中规定了这些等级的补充参数值。
一般风力发电机组的设计寿命应为20年。
对S级风力发电机组, 制造商应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用本章模型时, 对其参数值应作充分的说明。S级风力发电机组的设计文件应包含本规范附录3所列内容。
风况
风况的设计值须在设计文件中明确规定, 风力发电机组应能承受
所确定安全等级的风况。
从载荷和安全角度考虑, 风况可分为风力发电机组正常工作期间
频繁出现的正常风况和1年或50年一遇的极端风况。
在许多情况下, 风况可视为定常流与变化的阵风廓线或湍流的结合, 在所有情况下, 应考虑平均气流相对水平面成8о角时的影响。假定此倾斜角不随高度改变而变化。
正常风况
(1)风速分布
场地的风速分布对风力发电机组的设计至关重要。对于正常设计状态, 其决定各载荷情况出现的频率。应采用10min时间周期内的平均风速, 来得到轮毂高度处平均风速Vhub的瑞利分布PR(Vhub), 并由下式给出:
PR( Vhub) ＝1—exp〔—π( Vhub∕2Vave) 2〕式中: Vave＝0.2Vref, 对标准等级的风力发电机组。
(2)正常风廓线模型( NWP) 风廓线V( z) 可表示成平均风速随离地高度z的变化函数, 对标准等级的风力发电机组, 正常风廓线由下列幂定律公式给出: V( z) ＝Vhub( z∕zhub) a
式中: zhub——轮毂高度, 幂指数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风切变。
(3)正常湍流模型( NTM) 风湍流是指10min内平均风速的随机变化。风湍流模型应包括风速变化, 风向变化和旋转采样的
影响。湍流风速的三个矢量分量分别定义如下:
——纵向分量: 沿着平均风速方向;
——横向分量: 在水平面内, 垂直于纵向分量:
——竖向分量: 垂直于纵向分量和横向分量。
对于正常湍流模型, 湍流标准偏差特性值б1, 在给定轮毂高度的
风速应按概率分布为90%①分位点值给出。对标准等级的风力发电机组,随机风湍流模型速度场应满足下列要求:
a) 纵向风速分量的标准偏差特性值б1由下式给出:
б1＝I15( 0.75Vhub+b)
式中: b=5.6m/s;
I15由表2.2.2.1给出。假定标准偏差不随离地面高度变化。
平均风速方向的垂直分量应具有以下最小标准偏差②:
——横向分量: б2≥0.7б1
——竖向分量: б3≥0.5б1
b) 在惯性子区间, 三个正交分量的功率谱密度S1( f) , S2( f) 和
S3( f) , 作为频率f的函数应逼
近下列渐近线形式: S1( f) ＝0.05( б1) 2( ∧1/Vhub) -2/3f-5/3
S2( f) =S3( f) =4/3S1( f)
在轮毂高度, 纵向湍流尺度参数Λ1由下式确定:
c) 应使用公认的模型, 且模型的相关性定义为互谱的大小除以与纵向垂直的平面内空间离散点的纵向速度分量的自谱。建议使用满足上述要求的湍流模型: 曼恩均匀剪切模型, 见本规范附录4。在附录4中, 也给出了另一个满足上述要求的经常使用的模型。其它模型应慎重使用, 因为模型的选择会对载荷产生重大影响。
2.2.
3.5极端风况
极端风况用于确定风力发电机组的极端风载荷。极端风况包括由暴风造成的风速峰值、风向和风速的迅速变化。
(1)极端风速模型( EWM)
EWM能够是稳态风速模型或湍流风速模型。这个风模型基于参考风速Vref和一个确定的湍流标准偏差б1。
①对于稳态极端风速模型, 50年一遇( N=50) 和1年一遇(N=1)极端风速( 3s的平均值) Ve50
和Vel应作为高度z的函数用下式计算:
V e50( z) ＝1.4V ref( z／z hub) 0.11
Vel( z) ＝0.8Ve50( z)
式中: zhub——轮毂高, 假定与平均风向短期偏离为±15°。
参考风速Vref按表2.2.2.1选取。
②对于湍流极端风速模型, 50年一遇( N=50) 和1年一遇(N=1)的风速10min的平均值作为高度z的函数用下式给出:
V e50( z) ＝V ref( z／z hub) 0.11
