《风况3——极端风况》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风况3——极端风况（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、风况 3-极端风况1 极端风速模型极端风速模型可能是一个稳定的风模型，也可能是一个带有扰动的风模型。它是基于一个参 考风速和一个固定的涡流标准偏差。在稳定的风模型中，无论是 50 年重现极端风速，还是 1 年重现极端风速，都是海拔高度的 函数。稳定极端风模型中，偏航较主风向的偏差范围为15。带扰动极端风速模型也是海拔高度函数，略有不同。2 极端运行阵风 轮毂高度处的阵风幅值有一表达式。由此，风速可以由轮毂高度处阵风幅值表示。3 极端涡流模型4 极端风向改变模型5 带风向改变的极端连续阵风模型6 极端风切模型 极端风切可以用瞬态垂直风切或瞬态水平风切表示。风况 2-正常风况1 风速分布风速分布决
2、定着每一种载荷状况出现的频率。10分钟平均风速遵循Rayleigh分布。2 风轮廓模型 它是一个海拔高度的函数。用来定义风轮扫略面积内的平均垂直风切变。3 涡流模型这里有一个重要参数：涡流标准偏差，单位m/s。涡流强度就等于涡流标准偏差与轮毂高度 处平均风速的比例。风况 1 风况分为正常风况和极端风况，极端风况分为1年重现期和50年重现期。风况通常指一个合并的平均的恒定的气流流量，当然要考虑阵风和涡流的影响。所有的风况 中，平均气流相对于水平面8 度的气流状况都是考虑的范围。涡流指10分钟平均风速的随机变动，涡流模型要包括变化的风速、风切、风向的影响。描述涡流的 3 个风速矢量为：径向矢量-沿
3、平均风速的矢量；侧向矢量-水平的；向上矢量- 垂直于径向矢量和侧向矢量。对于标准的风力机等级，涡流模型的随机风速场要满足一些条件，详见IEC61400 风力发电机组标准（外部条件） 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。 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。正常外部条件通
4、常涉及结构长期承 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
5、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表 2.2.2.1风力发电机组等级IIIIIIS参考风速 Vrefm/s 5042.537.5由设计者确定各参数A I 15 -0.16B I 15 -0.14C I 15 - 0.12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；丨15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，
6、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IAIIIC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
7、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80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：P R (Vhub)=1- exp -n (Vhub/2Vave) 2式中：Vave =0.2 Vref，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
8、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)=V hub(z/ z hub) a式中：zhub -轮毂高度，幕指数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6 1,在给定轮毂高度的风速应按概率分布为 90%分位点值给出。对标准等级的风力发电机组，随机
9、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6 1由下式给出：6 1=I 15(0.75Vhub + b)式中： b=5.6 m/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：横向分量：6 220.76 1竖向分量：6 320.56 1b) 在惯性子区间，三个正交分量的功率谱密度SI (f), S2 (f)和S3 (f),作为频率f的函数应逼近下列渐近线形式：SI (f)=0.05 (6 1) 2 (Al / Vhub) -2/3 f -5/3S2(f) = S3(f) = 4/3 S1(f)在轮毂高度
10、，纵向湍流尺度参数八1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 可以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6 1。 对于稳态
11、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：Ve50 (z)=1.4Vref (z/zhub) 0.11Vel (z)=0.8 Ve50 (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。 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lOmin的平 均值作为高度 z 的函数用下式给出：Ve50 (z)=Vref (z / zhub) 0.11Vel (z)=0.8 Ve50 (z)纵向湍流标准偏差6 1至少等
12、于0.11 Vhub。(2) 极端运行阵风(EOG)对标准等级的风力发电机组，轮毂高度处的阵风幅值Vgust由下列关系式给出：式中：6 1-标准偏差，按本节2.234 (3) a)中的公式计算；A1- 湍流尺度参数，按本节的公式选取；D - 风轮直径；风速由下列方程式确定：极端风向变化幅值8 eN按下列关系式计算：其中：T=6s为极端风向瞬时变化的持续时间。通过选择8 N(t)的取值情况来确定产生 最严重瞬时加载。在风向瞬时变化结束时，假定风向保持不变，并按本节2.2.3.4(2)中的 公式确定风速。(4) 极端湍流模型(ETM)极端湍流模型应使用本节223.4 (2)的正常风廓线模型。 湍流
13、纵向分量标准偏差按下式计算：6 1 = c I ref 0.072 (Vave / c + 3) (Vhub / c - 4) +10式中： c=2 m/s(5) 方向变化的极端持续阵风(ECD)方向变化的极端持续阵风的幅值为：Vcg =15m/s风速由下式确定：式中T=10s是上升时间，风速V (z)按本节223.4 (2)的正常风廓线模型给出。 假定风速的上升与风向的变化e cg(0到e cg)同时发生。0 cg由下面的关系式确定：此处上升时间T=10 s。(6)极端风切变(EWS) 应用下列两个瞬时风速来计算极端风切变： 瞬时垂直风切变(有正负号)：其它环境条件 除风速外，其它环境(气候
14、)条件如热、光、化学、腐蚀、机械、电或其它物理作用 都会影响风力发电机组的完整性和安全性，且气候因素共同作用会更加剧这种影响。至少应 考虑下列其它环境条件，并应将其影响在设计文件中说明：- 温度；- 湿度；- 空气密度；- 太阳辐射；- 降雨、冰雹、覆冰和积雪；- 化学活性物质；- 机械活动颗粒；- 雷电；- 地震；- 盐雾；- 沙尘。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，诸多气候条件同时出现的可能性也应予以考虑。对应 1 年周期里正常范围内气候变化不应影响风力发电机组设计的正常运行工况。除相关因素外，本节2.2.4.3 中的极端
15、环境条件应和本节2.2.3.4 中正常风况同时考虑。2.2.4.2其它正常环境条件应考虑的其它正常环境条件包括：设备正常工作环境温度范围-20C40 C；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；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，这些参数值应在设计文件中说明，并应符合本 社接受的有关标准的要求。2.2.4.3 其它极端环境条件 风力发电机组设计中应考虑的其它极端环境条件包括温度、雷电、覆冰和地震。(1) 温 度标准安全等级风力发电机组极端设计温度范围值至少应为-20 C50C如果安装场地的温度多年来平均每年低于-20C或高于50C的全年天数超过9天， 则温度的上下限就得相应改变，且应验证风力发电机组的运行和结构噪声在所选温度范围内 如场地在多年内的平均温度与本节2.2.4.2中的设计温度有超过15C的偏差，则应予以考虑。 应考虑极端温度的以下影响：-空气密度；-材料的力学性能； -热膨胀系数及其导致的应力；-降温或升温设备的周围温度； -电子设备及电子元
