2005版和1999版极端载荷计算研究

0引言截至2012年6月底中国风电总装机容量达到6777万千瓦[1]，居世界第一位。

随之而来，行业的技术标准也在更新。

2006年我国颁布了《可再生能源法》，之后，我国标准化委员会相继颁布了《GBT19960.1－2005风力发电机组第1部分：通用技术条件》等系列标准，特别是等同于IEC61400－1:2005转换的新国标GB18451－2012《风力发电机组设计要求》已发布。

就此我国风电机组的设计与认证主要依据《风力发电机组安全要求》风电机组设计极端载荷外推法及其计算对比研究﹡—关于I EC61400-1：2005版和1999版极端载荷计算研究邓英，谢婷，雷航，何伟，田德（华北电力大学风力发电研究中心及新能源电力系统国家重点实验室，北京102206）摘要：论文根据IE C61400-1：2005版规定，给出了大型风电机组载荷外推计算方法，并对2M W双馈式风电机组和3M W直驱式风电机组，进行了极限载荷外推的计算；同时，与IE C61400-1：1999版极限载荷要求计算的结果分别作了对比，结果分析发现无论哪种计算结果，都存在着随机性，而这种随机性对评估的准确性有很大的影响。

新版I E C61400-1标准采用统计学的概率分布来描述载荷计算结果，经过算例的计算表明，这种载荷的计算比IEC61400-1：1999版的计算方法更具有科学性。

关键词：极限载荷；超越概率；概率分布；特征载荷中图分类号：T M614文献标识码：A文章编号：1674-9219(2013)01-0064-08A Comparative Study of the Statistical Extrapolation of Ultimate Loadsand Its Calculation in Wind Turbine DesignDeng Y ing,XieTing,Lei Hang,He W ei,Tian De(Wind Energy Research Center ofNorth ChinaElectricPower University and National K ey Laboratory for NewEnergyPower System,Beijing102206,China)Abstract:This paper based on the IEC61400-1:2005introduces the way of statistical ex trapolation of ultimate loads,and calculates the statistical ex trapolation results of ultimate loads for2MW Double-fed type wind turbine and3MWDirect Driv e type wind turbine.Meanwhile,through the results based on the IEC61400-1:2005compared with the results based on IEC61400-1:1999,w e nally nd both of their calculation results have characteristicofrandom,and the characteristic ofrandom havea great e ect on accuracy of assessment.The new version of IEC61400-1uses probability distribution of statistics to describe results of load calculation.rough the ex ample calculated in this paper,the result shows that for load calculation,the new v ersion ofIEC61400-1is much morescienti cthan theold version ofIEC61400-11999.Keywords:ultimate load;exceedanceprobability;probabilitydistribution;characteristicload﹡基金项目：国家科技支撑计划项目（项目编号：2009B A A22B02）。

GB18451.1－2001将被GB18451.1－2012新版替换。

GB18451.1－2001版的标准主要依据国际电工技术委员会颁布的IEC61400-1：1999(简称E2)等同转化而来；要求风电机组设计的极限载荷是在所有载荷计算工况的计算机仿真计算结果中，采用最大值挑选法获取。

随着风力发电技术的飞速发展，国际电工技术委员会，对风电机组设计要求标准修改为《Win d Turbin e D esign Requiremen t IEC61400－1:2005》(简称E3)。

也就是标准经过6年的应用检验后，专家们发现，风电机组的设计要求标准，需要进行修订，IE C61400－1：1999版标准不再适用，被IEC61400－1：2005版替代。

两个版本的差异主要体现在[2]：调整了风电机组等级分类方法，现在仅涉及参考风速和湍流强度的期望值；扩充了湍流模型，并包括极端湍流模型；调整和简化了阵风模型；重新整理和修改了设计载荷工况；重点强调了载荷计算中的湍流仿真，并具体说明了极限载荷外推法；调整和简化了载荷的局部安全系数；根据材料类型和部件等级，修正和说明了材料的局部安全系数；根据功能特性，修正和明确了控制和保护系统的要求；增加了关于结构和电气适应性评估详细要求的章节，包括复杂地形、地震和风电场尾流效应的内容。

显然，等同IEC61400－1：2005转化的新国标GB18451－2012《风力发电机组设计要求》与旧版GB18451－2001（等同IEC61400－1:1999）最大差异在风模型的变化和载荷的计算方法上，《IEC61400－1：2005》标准在对基本的载荷工况修改后，提出基于统计学的极限载荷外推法，旧版E2的计算方法不再适用。

因此，论文在此讨论基于统计学的极限载荷外推计算应用，并给出2个不同类型风电机组采用外推法和最大值挑选法的载荷计算对比结果，讨论应用《IE C61400－1：2005》和《IEC61400－1：1999》不同的计算结果及其对风电机组设计的影响。

1极限载荷外推法在IEC61400－1：2005[3]标准中，重新整理和修改了设计载荷工况，规定采用结构动力学模型的动态仿真来计算风力发电机组的载荷，根据统计学原理进行极限载荷外推法计算[4]，在观测时间T内最大载荷Fext大于给定载荷F的概率由下式给出：（1）式中是局部最大载荷的短期概率分布函数，是观测时间内局部最大值的期望数，F ext为观察时间内最大载荷，也是超越概率的载荷。

由方程（1）可以看出，统计量的期望数是以平均风速V为条件的，考虑到风电机组所有运行风况，长期的超越概率可通过在运行的全部平均风速区间积分得到：（2）式中p(V)是轮毂高度风速的概率密度函数，可接受的超越概率是与特征载荷相关的重现周期Tr与时间间隔T之比的倒数。

特征载荷F k，可通过下式求解：（3）函数的响应由计算机仿真确定，载荷极值可以通过下列方法得到：选择提取极值的原则是保证这些极值是相互独立的；极值的数量必须足以确定其概率分布类型（Gum bel，Weibu ll，等），并提供可靠的尾部分布估计；湍流造成的最大载荷时的风速必须包含在仿真中。

特征载荷可以通过下列步骤估算：a)对于一个给定的风速V j，从仿真数据提取载荷的独立极值，一种方法是在连续向上交叉的平均数加上1.4倍标准偏差的载荷计算中选取最大值；b)拟合所选极值数据的概率分布[5]，应检查所选择的概率分布类型，以确定数据的拟合效果是否可以接受，以及是否有足够多的数据和可靠估计数据尾迹的分布。

建议至少选用在重要风况范围内的300分钟时序数据的概率分布；c)在典型10分钟观察期间T内，最大值的期望数量可由下式估计：（4）其中，T s是给定风速V j下所有仿真的总时间周期，n s 是从相同的所有仿真数据下所提取极值的总数目；d)载荷的长期超越概率由下式计算（假定风力发电机组等级按瑞利（Rayleigh）风速分布）：（5）其中Vj 是风速区间（bin）中心，Vj是区间（bin）宽度；e)对于50年重现周期和10分钟参考周期，用图形或数值根求解技术来求解对应的特征载荷：（6）在上述步骤中，必须注意选择足够的风速区间（bin）的数量和分辨率来逼近式（2）中的积分，忽略其它区间（bin）值，选择风速在V r和V out附近时的计算来确定特征载荷精确度。

图1给出了外推1年一遇和50年一遇极大载荷值。

于是规定时间的概率所对应的载荷就是方程（2）的解，例如50年一遇的概率为3.8E-7,在外推出的方程（2）的曲线上得出对应的载荷值，就是所求的50年一遇超越概率下的极端载荷。

2载荷计算方法探讨我们选具有代表性的2.0MW双馈式和3.0MW直驱式风电机组的设计载荷计算为例：机组的总体设计技术数据如表1所示。

通常大多企业采用IE C61400-1E2的规定[3]的办法做极限载荷计算，2006年新发布的IEC61400-1E3公布后，机组设计的载荷计算要求采用新的规定，发电工况的极限载荷计算采用基于统计学外推法；这与E2规定的载荷计算方法有很大的不同；因此，本文在这里讨论这两种计算方法及其结果分析。

2.1基于统计学载荷外推的计算步骤首先将2MW双馈式风电机组所运行的风速分为13个风速段，3MW的风电机组将风速分为12个风速段（风速段的确定按IEC61400-1规定），每个风速段都用12个风种子进行仿真。

然后对仿真所得结果进行筛选，以确保每个载荷在每个风速段都有合适的特征载荷数量进行估计拟合，在此我们选择PO T法进行筛选，阈值首选平均值加上1.4倍的标准偏差，但是对于某些风速段下的某种载荷，平均值加上1.4倍的标准偏差大于最大载荷值，这个时候就要适当的降低阈值以得到合适的特征载荷数量。

其次，对筛选出来的数据进行处理，可以用GH-bladed软件，也可用matlab软件编程作数据处理，选择三参数威伯尔（Weibu ll）分布、甘贝尔（Gumbel）分布等进行拟合，得到载荷的超越概率曲线。

最后，用矩估计法（MOM，Meth od of Moment）、最小二乘法（MOLS，Met hod of least Squares）和最大似然法（MLE，Maximu m likelihood Es timat e）分别进行参数估计以及数据拟合，得到对应载荷的超越概率曲线，沿载荷Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz曲线（见图2.12.22.32.4 2.52.62.7），外推得到3组50年一遇的极大载荷值。