对IEC 61400-1（第四版）中风电机组载荷计算部分的解读与分析

高俊云

IEC 61400-1（Wind energy generation systems―Part1： Design requirements 风能发电系统—— 第一部分：设计要求）是陆上风力发电机组设计的国际标准。该标准定义了风力发电机组从选型到最终完成设计全过程的最低技术要求。目前，1999年2月发布的IEC 61400-1第二版已经废止，国内外大部分的风电机组整机制造商都是按照2005年8月发布的IEC 61400-1第三版及2010年10月发布的增补1进行陆上风电机组的设计。

IEC 61400-1第三版发布距今已有约15年的时间，我国通过翻譯以等同采用的方式于2012年推出了GB/T 18451.1―2012。经过十多年的发展，风力发电技术取得了长足进步，风电机组额定功率已从千瓦级跨入兆瓦级时代。机组的安装地点也越来越广，从普通地区扩展到高海拔地区、高温地区、山地、寒冷地区及台风影响区。风电机组装机容量的不断增加，对电网的适用性，如低电压穿越、高电压穿越等，也提出了更严格的标准。特别是近年来适用于低风速区的长叶片机组的开发，对机组可靠性和载荷优化控制提出了很高的要求，出现了独立变桨、激光测风前馈控制等许多新的降载控制技术。这些变化和发展使得标准中存在的一些不足逐渐显现，如机组安全等级覆盖范围较小、湍流模型和载荷外推方法以及安全系数选取的合理性不足、未考虑覆冰对叶片气动性能的影响、机组可靠性设计和评估指标不够明确等。

自2011年开始，国际电工委员会（IEC）组织包括北京鉴衡认证中心在内的多家国际风电机组认证机构、整机生产厂家、相关科研机构等，进行IEC 61400-1（第四版）的编写工作，2019年2月该版标准正式发布。对比IEC 61400-1第三版及增补1，该版标准结合了近年来风电机组设计技术的发展，不仅标准名称由第三版的“Wind turbine”（风电机组）改为了“Wind energy generation systems”（风能发电系统），而且新版标准的内容对多个部分，如载荷仿真、控制系统、结构计算、可靠性、场址适应性评估等，都进行了修订和增补。

为了满足风电机组设计和认证的要求，必须全面分析并尽快掌握新版标准中相关的具体规定及要求。近年来，随着长叶片、高塔筒、大功率机型成为市场主流，如何在保证机组设计可靠性的前提下，合理计算和降低机组载荷，成为风电机组设计计算的研究热点之一。因此，载荷仿真计算也是IEC 61400-1（第四版）中主要的修订部分之一。本文在对IEC 61400-1（第四版）主要修订内容进行概述的基础上，通过与旧版标准的对比，从多个方面对新版标准在载荷仿真计算方面的更新进行解读和分析。

IEC 61400-1（第四版）的主要修订内容

概括起来，新版IEC 61400-1（第四版）相对于旧版IEC 61400-1（第三版）的变化，主要包括以下几个方面：

（1）对参考资料和技术要求进行了更新和说明；

（2）扩展了风电机组的分类等级，增加了台风型和高湍流型机组类别；

（3）对正常湍流模型（NTM）湍流标准偏差σ0的Weibull分布进行了定义；

（4）更新了设计载荷工况（DLCs），特别是DLC2.1和DLC2.2；

（5）对局部安全系数的规定进行了修订；

（6）对控制系统（第8章）、电气系统（第10章）和基于场址的风电机组评估（第11章）进行了重要修订；

（7）在第14章介绍了对寒冷气候机组的技术要求；

（8）新增附录B，对特定场址或特殊设计等级（S）风电机组的设计载荷工况，及场址适应性评估进行了规定；

（9）新增附录J，对采用蒙特卡洛仿真方法预测台风极端风速进行了介绍；

（10）新增附录K，对结构材料安全系数（material safety factor）的标定和通过试验辅助结构设计进行了规定；

（11）新增附录L，对结冰气候对机组性能的影响和评估进行了规定；

（12）新增附录M，对中型风电机组的技术要求进行了规定。

IEC 61400-1（第四版）在载荷仿真计算方面的更新

在风电机组设计过程中，载荷仿真计算是非常重要的一项基础性工作，对机组设计和安全起着非常重要的作用，也是机组认证中必不可少的环节。IEC 61400-1（第四版）在载荷仿真计算部分，如湍流模型选取、载荷工况定义、安全系数选取等方面较旧版做出了较大改动。

一、湍流强度定义及湍流模型的选取

湍流强度作为确定风电机组设计等级的一个重要指标，第四版对其表征和分布等都重新进行了定义。

（1）湍流强度的表征发生了改变。第三版湍流强度是按照平均风速15m/s对应的湍流强度期望值（平均值）Iref来表征，而第四版则是按照平均风速15m/s对应的湍流强度参考值（70%分位数）Iref来表征；

采用这一定义对疲劳工况（DLC1.2）进行仿真，会改变风电机组疲劳载荷仿真子工况的设定，使疲劳载荷的计算结果更接近实际；

（3）明确了对于标准设计等级的机组应使用Kaimal 湍流模型（也可选择使用Mann湍流模型），而对于设计等级为S的机组可使用其他的湍流模型。此外，规定了风模型中网格节点之间距离的最大值，以保证载荷仿真计算的精度。

二、机组设计等级的定义

表1和表2分别为第三版和第四版对机组设计等级的定义。其区别主要包括以下几点：

（1）第四版取消了第三版中参考风速Vref=5×Vave（Vave为年平均风速）的计算公式，并引入了新定义的适用于热带飓风气候的参考风速，即50年一遇极限风速Vref，T，对应设计等级T，规定Vref，T=57.5m/s，这一数值涵盖了绝大部分台风影响区的极端风速；

（2）第四版新增了超高湍流强度等级A+，其对应的湍流强度参考值Iref为0.18，扩大了机组设计等级的覆盖范围；

（3）在第四版中，按照年平均风速Vave 、参考风速Vref 、湍流强度参考值 Iref来共同定义标准风电机组等级，而第三版中是按照参考风速Vref 、湍流强度参考值Iref进行定义；

（4）第三版没有对低温气候风电机组的要求，第四版引入了适应寒冷气候（cold climate）的设计等级CC，并新增第14章，对低温型风电机组的设计进行了阐述，并在附录A和附录L中对寒冷气候机组载荷计算中不同工况对空气密度的考虑、覆冰对叶片气动性能等的影响进行了规定和说明。

三、设计时对机组动态特性和载荷的考虑

在第三版对结构设计要求的基础上，第四版增加了如下要求：

（1）要对机组进行共振分析，应识别塔筒、风轮和传动链的共振，频率范围应达到并包括叶片通过频率的2倍（对三叶片机组为6P，P为风轮转频）；

（2）仿真计算时，应按照C级湍流强度30%（超低湍流水平）的NTM风对可能存在的共振风险进行评估。如果在低湍流时存在高的共振载荷，应采取措施加以避免，或将其包含在设计载荷中；

（3）在设计所考虑的载荷中，提出了对重力和惯性力的新要求，即在塔筒和基础结构分析中，应单独考虑塔架垂直度对重力载荷的影响。对驱动载荷（如变桨驱动、偏航驱动等）的计算，明确要求考虑摩擦力。此外，还应考虑涡激振动产生的塔筒载荷、寒冷气候相关的载荷等。

四、设计载荷工况（DLCs）的定义

与第三版相比，第四版在设计载荷工况的定义上，更加具体和明确，对子工况的规定更为全面和科学，而且把可靠性分析法引入到了载荷计算中，其中设计工况2（发电过程中发生故障）变化最大。概括起来，主要体现在以下几个方面：

（1）对于DLC1.1，第四版明确了外推主要关注的变量为叶根面内弯矩和面外弯矩，叶尖变形主要在塔筒净空分析中考虑。对DLC1.1仿真结果的统计分析，除第三版规定的按50年复现周期进行外推得到特征载荷外，提出了另外2种新选择：（a）特征值为给定风速范围内每一风速所有10min仿真极值的平均值的最大值或最小值，再乘以1.35；（b）特征值为给定风速范围内每一风速所有10min仿真极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的定义方式结合故障模式和效果分析（FMEA分析）来确定，明确了这两种设计载荷工况中分别应考虑的故障工况。按照控制系统的两层架构形式，把DLC2.1所考虑的故障定义为正常控制系统故障、电网失电或主干层控制功能故障；把DLC2.2所考虑的故障定义为非正常控制系统故障或辅助层保护功能故障。并进一步按照定量方式进行故障分类，把复现周期小于等于50年的故障、无法得到复现周期的故障及脱网故障归于DLC2.1，而把复现周期大于50年的故障（不考虑复现周期大于2000年的故障）归于DLC2.2；

（3）对DLC2.3（极端运行阵风EOG+故障）提出了另一种可选的仿真方法：将DLC2.3视为一个正常事件（即载荷局部安全系数为1.35），利用NTM风结合内部或外部的电气系统故障（包括失去电网连接）进行仿真分析。采用这种方式仿真时，在每一个需要考虑的平均风速下，应进行12个仿真，其名义载荷取为每一平均风速下12个仿真极值的平均值加上3倍标准偏差；

（4）在设计工况2的故障工况中，第四版新增了极限载荷工况DLC2.5—— 低电压穿越，并规定设计时应对电压压降及持续时间进行具体说明；

（5）对工况DLC3.2（极端运行阵风EOG风况下的启动）和DLC4.2（极端运行阵风EOG风况下的停机）都给出了更为详细的载荷工况定义要求，并提出了另一种可选的仿真方法。按照EOG风仿真时，明确要以功率大小作为选取阵风发生时间点的依据。对于DLC3.2，要在功率上升到50%～95%的范围内，至少均匀地选取4个时间点进行仿真；而对于DLC4.2，要在停机前10s到功率下降到50%的范围内，至少均匀地选取6个时间点进行仿真，且要考虑风轮方位角的影响，其名义载荷取为每一风速不同时间点、不同方位角下仿真极值的平均值。另一种可选的仿真方法为，按照ETM（极端湍流模型）风进行仿真，每一个需要考虑的风速下，应进行12个仿真，其名义载荷取为每一风速下12个仿真极值的平均值。采用这种方式进行仿真，可有效降低塔筒根部的极限载荷；

（6）对于DLC6（停机），除疲劳载荷需考虑的设计载荷工况DLC6.4外，明确规定，对于设计载荷工况DLC6.1、DLC6.2、DLC6.3，若选择静态极限风速模型，则在叶片升力最大的扇区内，仿真时最大偏航误差间隔不应该超过10度。且说明了DLC6.1、DLC6.2的载荷安全系数是在假定年最大风速波动系数（COV）小于15%的前提下导出的。在特定场址载荷评估时，需按照第11.3.2节规定，基于COV的实测值，适当增大载荷安全系数；

（7）对于设计工况DLC7（停机且有故障），明确了至少需要考虑制动系统、变桨系统、偏航系统的故障情况。在叶片升力最大的扇区内，仿真时最大偏航误差间隔不应该超过10度；

（8）对于设计工况DLC8（运输、装配和维修），明确了当塔筒上部未安装机舱时，要采取适当措施，避免临界风速下涡致横向振动。当无法避免时，应在疲劳设计工况中对涡致横向振动产生的塔筒疲劳损伤加以考虑。此外，按照该工况下得到的极限载荷进行设计时，非冗余锁定装置应按照第三类部件等级进行设计。

五、载荷局部安全系数的选取

第四版中，对部分设计载荷工况的载荷局部安全系数进行了合理修正，主要包括：

（1）明确提出，如果有文件能证明标准中的规定会导致局部安全系数偏于保守，可用更合理的数值替代。这种情况下，可通过对载荷和抗力安全系数（resistance safety factor）进行标定来满足标准要求的安全水平；

（2）对于DLC2.1，提出了基于故障间隔平均时间（MTBF）的载荷局部安全系数选取方法。当MTBF≤10年时，取载荷局部安全系数为1.35；当10年50年时，取载荷局部安全系数为1.1；

（3）DLC2.5（低电压穿越故障工况），对应的载荷局部安全系数为1.2；

（4）取消了第三版中的机组运输和维修工况载荷局部安全系数T，把DLC8.1的载荷局部安全系数由1.5调整为1.35，减小10%。

此外，在设计需考虑的其他局部安全系数中，将第三版的材料安全系数用抗力安全系数取代，以全面考虑材料特性、截面形状、原始缺陷等的综合不确定性。对失效后果安全系数也做出了相應调整，将第三类部件的失效后果安全系数从1.3调整为1.2。

概括起来，按照IEC 61400-1（第四版）进行风电机组的载荷计算，载荷工况设定更为细化、清晰、明确，载荷安全系数的选取更为合理。特别是部分载荷工况可选用不同的方法仿真，提高了载荷计算的科学性。有助于有效降低极限设计载荷和疲劳设计载荷，降低机组设计成本。

此外，该标准也存在一些需要完善的部分。如未定义适应台风型风电机组的特定载荷工况，且台风参考风速的规定也高于我国绝大部分台风影响区的实际风速。因此，应采用国标GB/T 31519―2015《台风型风力发电机组》进行台风型风电机组的设计。对于载荷局部安全系数，也需要在实际工况载荷测试中通过不断的数据积累和分析合理选取。

结语

目前，我国正在进行IEC 61400-1（第四版）的等同转化。由于标准中涉及许多新的内容，使用过程中不可避免会产生认识和理解等方面的偏差，相关机构应大力开展宣贯和讲解分析工作。

作为陆上风力发电机组设计的基础性国际标准，IEC 61400-1（第四版）的不断推广应用，将有效指导和规范我国风电机组的设计制造和检测认证，进一步提高风电机组设计的合理性和可靠性，有助于我国风电技术和机组的出口，推动我国风电产业的国际化。

（作者单位：太原重工股份有限公司）