GB／T 18451.1-2022  风力发电机组 设计要求

风速分布windspeeddistribution

V(c) = V(2.) . (三)

量风速windvelocity 示在被研究的某点周围气体微团运动方向、幅值等于“气体微团”运动速度（即该点风速）的矢量。 ：空间任意点的矢量风速，是“气体微团通过该点的位置矢量的时间导数。 力发电机组电气系统windturbineelectricalsystem 有风力发电机组内部电气设备，以及风力发电机组的终端、接地、连接、通讯设备，也包括风力发 中组成接地终端网络的导体

A非正常（局部安全系数） a. c. 交流电 d.c. 直流电 DLC 设计载荷工况 ECD 方向变化的极端相干阵风 EDC 极端风向变化 EOG 极端运行阵风 ETM 极端瑞流模型 EWM 极端凤速模型 EWS极端风切变 F疲劳 N正常和极大（局部安全系数） NWP正常风廊线模型 NTM正常瑞流模型 S特殊的IEC风力发电机组等级 T运输和安装（局部安全系数） U极限

下列条款中给出的工程和技术要求是为了保证风力发电机组结构、机械系统、电气系统和控制系统 的安全。这些技术要求适用于风力发电机组的设计、制造、安装和运行维护手册以及相关的质量管理过 程。此外 旅游标准，还应考虑现有的风力发电机组安装、运行和维护要求中的各种安全规程。

本标准要求采用结构动力学模型，以预测设计载荷。应用第6章定义的端流条件和其他风况条件 以及第7章定义的设计状态，此模型用来确定风力发电机组在一定风速范围内的载荷。应对外部条件 和设计状态的所有相关组合进行分析，本标准定义了最少的相关组合作为设计载荷工况。 风力发电机组的全尺寸试验数据可用来提高预测设计值的可信度，并验证结构动力学模型和设计 态。 应通过计算和/或试验来验证设计的合理性。如果用试验结果验证，则试验时的外部条件应符合本 虑相关的安全系数。

风力发电机组应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 等级； 。特殊安全等级，当安全要求取决于局部调整和/或由制造商与用户双方协商决定时，采用这 等级。 本标准7.6详细描述了风力发电机组一般安全等级的局部安全系数。 风力发电机组特殊安全等级的局部安全系数应由制造商与用户协商确定。根据特殊安全等级设计 风力发电机组即为6.2定义的S级风力发电机组，

质量保证应是风力发电机组及其零部件设计、采购、制造、安装、运行和维护的组成部分。 质量管理体系宜按照GB/T19001标准的要求，

5.5风力发电机组铭牌

至少下列内容应突出明显地标示在永久性的产品铭牌上： 风力发电机组的制造商和国家； 型号和产品编号； 生产日期； 额定功率； 参考风速Vref; 轮毂高度处工作风速范围，Vin～Vour 工作环境的温度范围； IEC风力发电机组等级（见表1）； 风力发电机组输出端额定电压： 风力发电机组输出端频率或标称变化大于2%时的频率

在风力发电机组的设计中，应考虑本章描述的外部条件。 风力发电机组受限于可能影响其载荷、使用寿命和运行的环境和电气条件。为保证安全性和可靠 生达到一定的水平，在设计中应考感环境、电气和生壤参数，并应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环境条件。电气条件是指电网条件。土壤特性与风力发电机 组的基础设计有关。 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重复出现的结构载荷 条件，而极端外部条件代表罕见的外部设计条件。设计载荷工况应包括这些外部条件在不同风力发电 机组运行模式状态和其他设计状态下潜在的临界组合。 风况是影响结构完整性的主要外部条件。其他环境条件也会影响设计特性，如控制系统功能、耐久 性、腐蚀等。 根据风力发电机组等级，设计中所考虑的正常和极端条件，在以下条款中予以说明

6.2风力发电机组等级

设计中考虑的外部条件取决于风力发电机组拟安装位置或安装位置的类型。风力发电机组等级是 根据风速和流参数来划分的，划分等级的目的是为了应用更广。风速和端流参数拟代表许多不同的 肠址条件，而不精确地代表某一特定的位置，见11.3。风力发电机组等级由风速和瑞流参数明确地定 义了一个宽泛的范围。表1规定了确定风力发电机组等级的基本参数。 如果设计者或者客户需要使用特定的条件，如特定风况或其他外部条件或特定安全等级（见5.3）， 则需要定义一个特定的风力发电机组等级，这个等级定为S级。S级风力发电机组的设计值应由设计 者选取，并在设计文件中详细说明。对于这样的特定设计，选取的设计值所反应的环境条件应至少与预 期的风力发电机组使用环境同等恶劣。用于确定风力发电机组I、Ⅱ、Ⅲ等级的特定外部条件，不包括 每上条件，也不包括热带风暴中的风况，如飓风、龙卷风和台风。这些条件下的风力发电机组要求按S

为了全面说明风力发电机组设计中所采用外部条件，除了这些基本参数以外，还需要其他几个重要 后面称之为风力发电机组标准等级的IA～Ⅲc中，增加的这些参数在6、6.4和6.5中加以 I至Ⅲ等级风力发电机组的设计寿命至少应为20年。 对S级风力发电机组，制造商应在设计文件中说明所采用的模型及主要设计参数值。如采用第 莫型，应对其参数值作充分的说明。S级风力发电机组的设计文件应包含附录A所列的内容， 本章其余部分中，条标题后括号 的设计载荷工况中的风况条件

风力发电机组应设计成能安全承受由其等级定义的风况。 风况的设计值应在设计文件中明确规定。 从载荷和安全角度出发，风况可分为风力发电机组正常运行期间频繁出现的正常风况和1年或 50年一遇的极端风况。

风力发电机组应设计成能安全承受由其等级定义的风况。 风况的设计值应在设计文件中明确规定。 从载荷和安全角度出发，风况可分为风力发电机组正常运行期间频繁出现的正常风况和 0年一温的尝风温

在本标准中，年平均风速作为风力发电机组等级的基本参数不再出现在表1中，依据风力发电机组等级设计原 采用的年平均风速值由公式（9）给出。 注意本标准中1为平均值，不是代表值

在很多情况下，风况包括稳定的平均气流与变化的可确定的阵风廓线或与湍流的组合。在所有的 青况下应考虑平均气流与水平面夹角达到8°时的影响，假定此气流倾斜角不随高度变化。 瑞流是指矢量风速相对于10分钟平均值的随机变化。端流模型在使用时应考虑风速、风切变和风 向的变化的影响，并允许通过变化的风切变旋转采样。流量风速的三个分量定义为： 一纵向，与矢量风速主方向一致； 一横向，水平方向并垂直于纵向； 一竖向，同时垂直于横向和纵向，即与竖直方向的夹角为平均气流倾斜角。 对于标准的风力发电机组等级，漏流模型中的随机失量风速场应满足下面的要求： a）假定下面章节给出的端流标准偏差,不随高度的变化而变化，垂直于主风向的分量应具备以

5.3.1.2正常风廊线模型（NWP)

3）实际值可能取决于满流模型的选择和6.3b)中的要求。

V(z)=Vhub (z/Zhub）

6.3.1.3正常瑞流模型（NTM)

对于正常瑞流模型，给定轮毂高度处风速的漏流标准偏差的代表值6，应由该风速下瑞流标准偏差 分布的90%分位数确定4。对于标准风力发电机组等级，这个值应由公式（11)给出： 0j = Irer(0. 75Vhub + b) ;b=5. 6 m/s 瑞流标准偏差の，与湍流强度の/Vb如图1a）和图1b）所示。 I的值由表1给出

包括风切变以及由于暴风和风速及风向快速变

6.3.2.1极端风速模型（EWM)

a）正常滞流模型（NTM）的端流标准偏差

D）正常瑞流模型（NTM)的瑞流强度

图1正常瑞流模型（NTM）

极端风速模型(EWM)应是稳态风速模型或瑞流风速模型。该风速模型应基于参考风速 定的流标准偏差。 对于稳态极端风速模型，50年一遇和1年一遇的极大风速Veso和V作为高度之的函数应 4） 如用其他分位数进行附加选择的载荷计算，对于标准风力发电机组等级，可近似采用对数正态分布进 其公式如下： E(o; / Vhub )= Irer (0. 75Vhub +c) ;c 3. 8 m/s

极端风速模型(EWM)应是稳态风速模型或瑞流风速模型。该风速模型应基于参考风速Vrel与恒 的满流标准偏差。 对于稳态极端风速模型，50年一遇和1年一遇的极大风速Veso和V作为高度之的函数应采用公 4） 如用其他分位数进行附加选择的载荷计算，对于标准风力发电机组等级，可近似采用对数正态分布进行计算 其公式如下： E(o; / Vhub )= Irer (0. 75Vhub +c) ;c= 3. 8 m/s Var(o; /Vmb>=[Iar (1. 4 m/ s)]2

式（12）和公式（13）进行计算：

Ve50 (z) = 1. 4Vrer(z/Zhui,) 0.11 V. (z)=0. 8Vs (z)

在稳态极端风速模型中，允许短时间内与平均风向有一定的偏离，应假定恒定的偏航误差在士15 范围内。 对于端流极端风速模型，50年和1年一遇的10分钟平均风速是的函数，由公式(14)和公式(15)给出 Vso (z) = Vrer (z/ Zhulb) 0. 1l

纵向瑞流标准偏差”为

6.3.2.2极端运行阵风（EOG)

对于标准风力发电机组等级，轮毂高度处阵风幅值Vzu"由公式（17)给出

......................16

Vust=min1.35×(VlVhul);3.3X D (17 ) 1+0.1 × A

V()0.37VgusSin(3元t/T)[1—cos(2元t/T) O≤t

TM)或极端端流模型(ETM)不相关。稳态的极端 模型和流极端风速模型通过近似为3.5的峰值系数相关 6）阵风幅值与运行事件发生的概率（如启动和停机）一起去标定50年一遇的重现期。

6.3.2.3极端瑞流模型（ETM)

极端端流模型应采用6.3.1.2中的正常风廓线模型（NWP）以及由公式（19）给出的端流纵 的标准偏差：

6.3.2.4极端风向变化（EDC)

极端风向变化幅值9。可用公式（20)进行计算

0i =clrer 0. 072( +3) (4)+10|;c=2 m/s .·(19

图3极端风向变化幅值示例

6.3.2.5方向变化的极端相干阵风（ECD

方向变化的极端相干 风速的计算公式为：

图4极端风向变化示例

此处上升时间T=10秒，风速V(z）由6.3.1.2中正常风廓线模型（NWP）给出。Vub=25m/s时

极端相于阵风中风速上升情况如图5所示。

6.3.2.6极端风切变（EWS)

图5ECD极端相干阵风幅值示例

图7Vb=25m/s时风向变化瞬时值示例

极端风切变应采用两种瞬时风速公式（26）和公式（27)来计算： a）瞬时（正向或逆向）垂直切变

了直和小切受： α=0.2;β6.4;T12S; αi对于正常瑞流模型（NTM），由公式（11)给出： AI为端流尺度参数，由公式（5）给出； D为风轮直径。 应考虑最恶劣瞬时载荷发生的水平风切变情况。这两种极端风切变不能同时使用。 作为示例，极端垂直风切变在图8中予以说明，图中给出了极端情况（t=0s)和最大切变（t=6s） 时的风廓线。图9显示了风轮顶部和底部的风速变化，用来说明风切变随时间的变化。两图中均假定 瑞流等级为A，2hb=30m，Vb=25m/s，风轮直径D=42m

垂直风切变风廓线示例开始（t=0s，虚线）和最

风轮顶部和底部风速示例（用以说明瞬时正风切

除了风况外，其他环境（气候）条 风力发电机组的完整性和安全性，而且多种 气候因素同时发生可能会加剧这种影响。 至少应考虑下列环境条件，并将它们的作用在设计文件中说明

温度； 湿度； 空气密度； ? 太阳辐射； 雨、冰苞、雪、冰； 化学作用物质； 机械作用颗粒； 盐雾； 雷电； 。地震。 海上环境需要另外考虑。 所考虑的气候条件应依照代表值或气候条件变化范围来确定。选择设计值时，诸多气候条件同时 出现的概率也应予以考虑。 与1年一遇所对应的正常极限范围内的气候条件变化不应影响设计的风力发电机组正常运行。 除非存在着相关性，6.4.2中的其他极端环境条件应和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

6.4.2其他极端环境条件

6. 4. 2. 1温度

标准等级的风力发电机组极端温度范围至少应为一20℃～十50℃。

6. 4. 2. 2雷电

6. 4. 2.3 冰

标准等级的风力发电机组没有结冰的最低要

6. 4. 2. 4地震

标准等级的风力发电机组没有地震的最低要求。所考虑的地震及其影响见11.6和降

下出位 当下列参数在下述范围内时，采用正常电网条件。 电压，标称值（参见IEC60038）±10%； 频率，标称值士2%； 。电压不平衡，电压的负序分量的比率不超过2%； 。自动重合周期，应考虑的自动重合周期为第一次重合时间0.1s～5s，第二次重合时间10s~ 90S; 。断电，假定一年内断电20次，一次断电6h为正常条件，断电一周为极端条件

7.3.1重力和惯性力载荷

7.3.2空气动力载荷

垫圈标准空气动力载荷是由气流以及气流与风力发电机组静止和运动部件相互作用所引起的静态和动态 载荷。 气流由穿过风轮平面的平均风速和流、风轮转速、空气密度、风力发电机组零部件的空气动力外 形以及他们之间的相互作用（包括气动弹性作用）确定

驱动载荷由风力发电机组的运行和控制所产 生，它可以分为儿类，包括发电机/变流器的扭矩 偏航和变桨的驱动载荷，以及机械制动载荷。在计算响应和载荷时，考虑驱动力的有

7）假定的6h为最严重暴风雨的持续时间。

的别墅图纸，尤其对于机械制动器，在任何制动情况下，检查响应和载荷时都应考虑易受温度和老化影响的摩擦 力、弹力或压力的范围

7.4设计状态和载荷工况

注：表2中所用的缩略语 DLC 设计载荷工况 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 极端运行阵风（见6.3.2.2) EWM 极端风速模型（见6.3.2.1) EWS 极端风切变（见6.3.2.6)） NTM 正常瑞流模型（见6.3.1.3) ETM 极端湍流模型（见6.3.2.3） NWP正常风廊线模型（见6.3.1.2) V,土2m/s应分析此风速范围内所有风速的敏感性 F 疲劳（见7.6.3） U 极限强度（见7.6.2) N正常 A 非正常 T运输和吊装 *疲劳局部安全系数（见7.6.3）