风场湍流强度计算及其对风电机组选型.pdf

PN4-02 风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的 影响 王承凯 （龙源电力集团公司） 摘要：本文从IEC61400－1风电机组安全等级标准引出了风场湍流强度这一重要参数，在分析了湍流强度的含义 及其产生的原因后，针对湍流强度计算中常见的几个误区进行了分析说明，并给出了湍流强度计算时测风塔的选 择原则，最后给出了有效湍流强度超标的几种处理方式。本文对于充分认识湍流强度、正确计算风场湍流强度和 风电机组选型具有一定的指导意义。 关键词 风场 湍流强度 风电机组 选型 1 关于 IEC61400-1 IEC61400 风力发电机组系列标准由 IEC （国际电工委员会）制定，内容涵盖风力发电机组 的各个方面，如设计标准、安全要求、运行性能测试、载荷测试、噪声测量、电能质量、叶片测 试、防雷击保护、机型认证以及远程监控系统等。其中 IEC61400-1 是关于风力发电机组的安全 要求，由IEC 第 88 技术委员会－风力发电机组工作组制定，是风力发电机组最基本的标准之一， 其适用于扫风面积不小于 40 平方米的风力机。该标准具体规定了风力发电机组的设计、制造、 安装、维护以及在特定环境条件下运行的安全要求，涉及到风力发电机组的各子系统，如控制和 保护机构、内部电气机构、机械系统、叶轮系统、支承机构以及电气联接设备等，目的在于避免 风力发电机组在寿命期内的意外损坏。 IEC61400-1 目前的必威体育精装版版本是2005 年 8 月发布的第三版，其中第一版 1994 年发布，第二 版 1999 年发布。现在市场上流行的大多数风力发电机组是依据 IEC61400-1 第二版或者第三版设 计的。 2 风力发电机组的等级标准 为保证风力发电机组的安全性和长期稳定可靠运行，风力发电机组的设计需要考虑运行环境 条件和电力环境的影响，这些影响主要体现在载荷、适用寿命和正常工作等几个方面。各类环境 条件分为正常外部条件和极端外部条件，其中正常外部条件涉及的是长期疲劳载荷和运行状态。 极端外部条件出现机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件。风电机组载荷设计需要同时考虑 这些外部条件和风力机运行模式。 为了最大限度地利用特定风场的风能资源，同时保证风力发电机组的安全可靠运行， IEC61400-1 对风力发电机组进行了安全分级。 风况是风力发电机组承受的最基本的外部载荷条件，因此风电机组安全等级分类的主要参数 是风况。轮毂高度处的年平均风速、湍流强度以及极端风况是 IEC61400-1 进行风机分类的三个 主要参数，其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等，而风机 轮毂高度处 50 年一遇 3 秒钟极大风速或者 10 分钟最大风速是风机极端载荷设计的最重要参数。 湍流是一个复杂的过程，难以用简单明确的方程来表示或者预测。一般情况下，研究湍流的 统计特性显得更为重要。 湍流强度（turbulence intensity ，简写为 TI ）是指 10 分钟内风速随机变化幅度大小，是 10 分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷，是 IEC61400-1 风机安全等级分级的重要参数之一。 湍流产生的原因主要有两个,一个是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作 1 PN4-02 用，另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。通常情况下，上述两 个原因往往同时导致湍流的发生。在中性大气中，空气会随着自身的上升而发生绝热冷却，并与 周围环境温度达到热平衡，因此在中性大气中，湍流强度大小完全取决于地表粗糙度情况。 IEC61400-1 第二版中对风力发电机组的安全分级如表 1： 表 1 IEC61400-1 第二版中对风力发电机组的分级 WTGS 等级