對IEC 61400-1（第四版）中風電機組載荷計算部分的解讀與分析

高俊云

IEC 61400-1（Wind energy generation systems―Part1： Design requirements 風能發電系統—— 第一部分：設計要求）是陸上風力發電機組設計的國際標準。該標準定義了風力發電機組從選型到最終完成設計全過程的最低技術要求。目前，1999年2月發布的IEC 61400-1第二版已經廢止，國內外大部分的風電機組整機制造商都是按照2005年8月發布的IEC 61400-1第三版及2010年10月發布的增補1進行陸上風電機組的設計。

IEC 61400-1第三版發布距今已有約15年的時間，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。經過十多年的發展，風力發電技術取得了長足進步，風電機組額定功率已從千瓦級跨入兆瓦級時代。機組的安裝地點也越來越廣，從普通地區擴展到高海拔地區、高溫地區、山地、寒冷地區及臺風影響區。風電機組裝機容量的不斷增加，對電網的適用性，如低電壓穿越、高電壓穿越等，也提出了更嚴格的標準。特別是近年來適用于低風速區的長葉片機組的開發，對機組可靠性和載荷優化控制提出了很高的要求，出現了獨立變槳、激光測風前饋控制等許多新的降載控制技術。這些變化和發展使得標準中存在的一些不足逐漸顯現，如機組安全等級覆蓋范圍較小、湍流模型和載荷外推方法以及安全系數選取的合理性不足、未考慮覆冰對葉片氣動性能的影響、機組可靠性設計和評估指標不夠明確等。

自2011年開始，國際電工委員會（IEC）組織包括北京鑒衡認證中心在內的多家國際風電機組認證機構、整機生產廠家、相關科研機構等，進行IEC 61400-1（第四版）的編寫工作，2019年2月該版標準正式發布。對比IEC 61400-1第三版及增補1，該版標準結合了近年來風電機組設計技術的發展，不僅標準名稱由第三版的“Wind turbine”（風電機組）改為了“Wind energy generation systems”（風能發電系統），而且新版標準的內容對多個部分，如載荷仿真、控制系統、結構計算、可靠性、場址適應性評估等，都進行了修訂和增補。

為了滿足風電機組設計和認證的要求，必須全面分析并盡快掌握新版標準中相關的具體規定及要求。近年來，隨著長葉片、高塔筒、大功率機型成為市場主流，如何在保證機組設計可靠性的前提下，合理計算和降低機組載荷，成為風電機組設計計算的研究熱點之一。因此，載荷仿真計算也是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）主要修訂內容進行概述的基礎上，通過與舊版標準的對比，從多個方面對新版標準在載荷仿真計算方面的更新進行解讀和分析。

IEC 61400-1（第四版）的主要修訂內容

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，主要包括以下幾個方面：

（1）對參考資料和技術要求進行了更新和說明；

（2）擴展了風電機組的分類等級，增加了臺風型和高湍流型機組類別；

（3）對正常湍流模型（NTM）湍流標準偏差σ0的Weibull分布進行了定義；

（4）更新了設計載荷工況（DLCs），特別是DLC2.1和DLC2.2；

（5）對局部安全系數的規定進行了修訂；

（6）對控制系統（第8章）、電氣系統（第10章）和基于場址的風電機組評估（第11章）進行了重要修訂；

（7）在第14章介紹了對寒冷氣候機組的技術要求；

（8）新增附錄B，對特定場址或特殊設計等級（S）風電機組的設計載荷工況，及場址適應性評估進行了規定；

（9）新增附錄J，對采用蒙特卡洛仿真方法預測臺風極端風速進行了介紹；

（10）新增附錄K，對結構材料安全系數（material safety factor）的標定和通過試驗輔助結構設計進行了規定；

（11）新增附錄L，對結冰氣候對機組性能的影響和評估進行了規定；

（12）新增附錄M，對中型風電機組的技術要求進行了規定。

IEC 61400-1（第四版）在載荷仿真計算方面的更新

在風電機組設計過程中，載荷仿真計算是非常重要的一項基礎性工作，對機組設計和安全起著非常重要的作用，也是機組認證中必不可少的環節。IEC 61400-1（第四版）在載荷仿真計算部分，如湍流模型選取、載荷工況定義、安全系數選取等方面較舊版做出了較大改動。

一、湍流強度定義及湍流模型的選取

湍流強度作為確定風電機組設計等級的一個重要指標，第四版對其表征和分布等都重新進行了定義。

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

采用這一定義對疲勞工況（DLC1.2）進行仿真，會改變風電機組疲勞載荷仿真子工況的設定，使疲勞載荷的計算結果更接近實際；

（3）明確了對于標準設計等級的機組應使用Kaimal 湍流模型（也可選擇使用Mann湍流模型），而對于設計等級為S的機組可使用其他的湍流模型。此外，規定了風模型中網格節點之間距離的最大值，以保證載荷仿真計算的精度。

二、機組設計等級的定義

表1和表2分別為第三版和第四版對機組設計等級的定義。其區別主要包括以下幾點：

（1）第四版取消了第三版中參考風速Vref=5×Vave（Vave為年平均風速）的計算公式，并引入了新定義的適用于熱帶颶風氣候的參考風速，即50年一遇極限風速Vref，T，對應設計等級T，規定Vref，T=57.5m/s，這一數值涵蓋了絕大部分臺風影響區的極端風速；

（2）第四版新增了超高湍流強度等級A+，其對應的湍流強度參考值Iref為0.18，擴大了機組設計等級的覆蓋范圍；

（3）在第四版中，按照年平均風速Vave 、參考風速Vref 、湍流強度參考值 Iref來共同定義標準風電機組等級，而第三版中是按照參考風速Vref 、湍流強度參考值Iref進行定義；

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

三、設計時對機組動態特性和載荷的考慮

在第三版對結構設計要求的基礎上，第四版增加了如下要求：

（1）要對機組進行共振分析，應識別塔筒、風輪和傳動鏈的共振，頻率范圍應達到并包括葉片通過頻率的2倍（對三葉片機組為6P，P為風輪轉頻）；

（2）仿真計算時，應按照C級湍流強度30%（超低湍流水平）的NTM風對可能存在的共振風險進行評估。如果在低湍流時存在高的共振載荷，應采取措施加以避免，或將其包含在設計載荷中；

（3）在設計所考慮的載荷中，提出了對重力和慣性力的新要求，即在塔筒和基礎結構分析中，應單獨考慮塔架垂直度對重力載荷的影響。對驅動載荷（如變槳驅動、偏航驅動等）的計算，明確要求考慮摩擦力。此外，還應考慮渦激振動產生的塔筒載荷、寒冷氣候相關的載荷等。

四、設計載荷工況（DLCs）的定義

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

（1）對于DLC1.1，第四版明確了外推主要關注的變量為葉根面內彎矩和面外彎矩，葉尖變形主要在塔筒凈空分析中考慮。對DLC1.1仿真結果的統計分析，除第三版規定的按50年復現周期進行外推得到特征載荷外，提出了另外2種新選擇：（a）特征值為給定風速范圍內每一風速所有10min仿真極值的平均值的最大值或最小值，再乘以1.35；（b）特征值為給定風速范圍內每一風速所有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的定義方式結合故障模式和效果分析（FMEA分析）來確定，明確了這兩種設計載荷工況中分別應考慮的故障工況。按照控制系統的兩層架構形式，把DLC2.1所考慮的故障定義為正常控制系統故障、電網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故障或輔助層保護功能故障。并進一步按照定量方式進行故障分類，把復現周期小于等于50年的故障、無法得到復現周期的故障及脫網故障歸于DLC2.1，而把復現周期大于50年的故障（不考慮復現周期大于2000年的故障）歸于DLC2.2；

（3）對DLC2.3（極端運行陣風EOG+故障）提出了另一種可選的仿真方法：將DLC2.3視為一個正常事件（即載荷局部安全系數為1.35），利用NTM風結合內部或外部的電氣系統故障（包括失去電網連接）進行仿真分析。采用這種方式仿真時，在每一個需要考慮的平均風速下，應進行12個仿真，其名義載荷取為每一平均風速下12個仿真極值的平均值加上3倍標準偏差；

（4）在設計工況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，并規定設計時應對電壓壓降及持續時間進行具體說明；

（5）對工況DLC3.2（極端運行陣風EOG風況下的啟動）和DLC4.2（極端運行陣風EOG風況下的停機）都給出了更為詳細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風仿真時，明確要以功率大小作為選取陣風發生時間點的依據。對于DLC3.2，要在功率上升到50%～95%的范圍內，至少均勻地選取4個時間點進行仿真；而對于DLC4.2，要在停機前10s到功率下降到50%的范圍內，至少均勻地選取6個時間點進行仿真，且要考慮風輪方位角的影響，其名義載荷取為每一風速不同時間點、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）風進行仿真，每一個需要考慮的風速下，應進行12個仿真，其名義載荷取為每一風速下12個仿真極值的平均值。采用這種方式進行仿真，可有效降低塔筒根部的極限載荷；

（6）對于DLC6（停機），除疲勞載荷需考慮的設計載荷工況DLC6.4外，明確規定，對于設計載荷工況DLC6.1、DLC6.2、DLC6.3，若選擇靜態極限風速模型，則在葉片升力最大的扇區內，仿真時最大偏航誤差間隔不應該超過10度。且說明了DLC6.1、DLC6.2的載荷安全系數是在假定年最大風速波動系數（COV）小于15%的前提下導出的。在特定場址載荷評估時，需按照第11.3.2節規定，基于COV的實測值，適當增大載荷安全系數；

（7）對于設計工況DLC7（停機且有故障），明確了至少需要考慮制動系統、變槳系統、偏航系統的故障情況。在葉片升力最大的扇區內，仿真時最大偏航誤差間隔不應該超過10度；

（8）對于設計工況DLC8（運輸、裝配和維修），明確了當塔筒上部未安裝機艙時，要采取適當措施，避免臨界風速下渦致橫向振動。當無法避免時，應在疲勞設計工況中對渦致橫向振動產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行設計時，非冗余鎖定裝置應按照第三類部件等級進行設計。

五、載荷局部安全系數的選取

第四版中，對部分設計載荷工況的載荷局部安全系數進行了合理修正，主要包括：

（1）明確提出，如果有文件能證明標準中的規定會導致局部安全系數偏于保守，可用更合理的數值替代。這種情況下，可通過對載荷和抗力安全系數（resistance safety factor）進行標定來滿足標準要求的安全水平；

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

（3）DLC2.5（低電壓穿越故障工況），對應的載荷局部安全系數為1.2；

（4）取消了第三版中的機組運輸和維修工況載荷局部安全系數T，把DLC8.1的載荷局部安全系數由1.5調整為1.35，減小10%。

此外，在設計需考慮的其他局部安全系數中，將第三版的材料安全系數用抗力安全系數取代，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也做出了相應調整，將第三類部件的失效后果安全系數從1.3調整為1.2。

概括起來，按照IEC 61400-1（第四版）進行風電機組的載荷計算，載荷工況設定更為細化、清晰、明確，載荷安全系數的選取更為合理。特別是部分載荷工況可選用不同的方法仿真，提高了載荷計算的科學性。有助于有效降低極限設計載荷和疲勞設計載荷，降低機組設計成本。

此外，該標準也存在一些需要完善的部分。如未定義適應臺風型風電機組的特定載荷工況，且臺風參考風速的規定也高于我國絕大部分臺風影響區的實際風速。因此，應采用國標GB/T 31519―2015《臺風型風力發電機組》進行臺風型風電機組的設計。對于載荷局部安全系數，也需要在實際工況載荷測試中通過不斷的數據積累和分析合理選取。

結語

目前，我國正在進行IEC 61400-1（第四版）的等同轉化。由于標準中涉及許多新的內容，使用過程中不可避免會產生認識和理解等方面的偏差，相關機構應大力開展宣貫和講解分析工作。

作為陸上風力發電機組設計的基礎性國際標準，IEC 61400-1（第四版）的不斷推廣應用，將有效指導和規范我國風電機組的設計制造和檢測認證，進一步提高風電機組設計的合理性和可靠性，有助于我國風電技術和機組的出口，推動我國風電產業的國際化。

（作者單位：太原重工股份有限公司）