风场湍流强度的计算及其对风电机组选型
风电场最佳风力发电机组选型的探讨
风电场最佳风力发电机组选型的探讨风电机组的选型在风电场可研设计中具有至关重要的作用，直接影响风电场的风能利用率及其经济效益。
风电场最佳机型选择应考虑适合风电场场址的风资源条件，有利于提高风电场的发电效率。
而最终型号的选择须经多方技术经济条件比较后确定最优方案。
本文结合作者实际工作经历，从风力发电机的类型介绍入手，详细论述选择风力发电机应考虑的原则和几个重要因素，已达到充分利用风能资源，提高风能利用率的目的。
标签：风力发电机;风速;容量系数;功率曲线引言：分析风力发电机组选型的原则有四个方面：a.对质量认证体系的要求，风力发电机组选型中最重要的一个方面是质量认证;这是保证风电场机组正常运行及维护最根本的保障体系;风电机组制造必须具备IS09000系列的质量保障体系的认证;b.对机组功率曲线的要求，功率曲线是反映风力发电机组发电输出性能好坏的最主要曲线之一;c.对机组制造厂家业绩考查，业绩是评判一个风电制造企业水平的重要指标之一;d.对特定环境要求;如台风、低温等。
风力机型的选择，受气候和地形影响，各地、个高度风力资源分布极不均匀，风力资源的状况相差很大，风力机的输出功率既与所在点的风速分布特性有关，又与所选用的风力机型有关，世界各国现在己开发和使用的风力机容量从1000kW到5000kW，各参数和技术指标相差很大。
对于特定的场点特别是并网运行的大型风电场来讲，选择与该点风速分布特性最相匹配的风力发电机组以最大限度地利用风能，和产生最好的经济效益是风电场设计中首要解决的。
1.风力发电机的分类按风轮轴安装形式可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机（1）水平轴风力发电机水平轴风力发电机是目前国内外广泛采用的一种结构型式。
主它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。
对于水平轴风力发电机来说，需要风轮始终保持面向风吹来的方向。
有些水平轴风力发电机组的风轮在塔架的前面迎风旋转，称为上风向风力发电机组;而风轮在塔架后面的，则称为下风向风力发电机组。
windfarmer中湍流定义
WindFarmer中湍流定义1. 关于风速的估计设计等效湍流（通道10）：使用Frandsen方法估计设计等效湍流，并使用Wohler系数进行加权调整。
（Wohler系数是和组件的材料和尺寸相关的，可以从S-N的对数-对数曲线的斜率-循环应力S对疲劳循环次数N的幅度中得到，4一般是简单的钢组件，10-15之间是简单的复合材料组件）。
为了描述疲劳寿命的变化，而不只是描述湍流带来的载荷影响，所以输出量使用Wohler 系数进行加权调整。
该通道10计算的特征或代表湍流强度值可以用于比较允许设计水平。
（摘自《风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的影响》作者王承凯）2. 关于风速和风向的未计算且未加权的平均湍流（通道11）：使用Frandsen方法估计的设计等效湍流。
考虑平均湍流强度，排除任何Wohler权值或者因数值。
3. 风机入射湍流（通道7）：入射湍流强度，包含其他风机的尾流影响。
4. 风机环境湍流（通道8）：不计尾流的湍流强度。
5. 实际工程计算得到的风机入射湍流与环境湍流值一样。
5. 对风机载荷更具体的分析，需要使用粘性涡流模型来获得在风电场中实际的湍流强度，以及特定的风机设计参数，需要使用Bladed软件来建模风机载荷。
6. WindFarmer中附加湍流的计算公式(摘自windfarmer理论手册)Iadd = 5.7Ct0.7Iamb0.68(x/x n)-0.96Ct:thrust coefficientx: the distance downstreamx n：the calculated length of the near wake（using the method proposed in [3.9, 3.10]）风速标准偏差的标准偏差值可以有MCP+模块计算，并在WTI文件当中输出。
湍流强度对风电场发电量的影响
湍流强度对风电场发电波动性的影响
湍流强度会增加风电场发电的波动性。
强烈的湍流会导致风速和方向快速变化，使得风电机组的输出功率波动剧烈。
风速
风速是湍流强度的主要影响因素之一。风速越大，湍流强度越高。
风切变
风切变是指风速在垂直或水平方向上的变化。风切变越大，湍流强度越高。
地形
地形也会影响湍流强度。山区和复杂地形会产生更强的湍流。
大气稳定度
大气稳定度是指空气的垂直运动趋势。不稳定的大气容易产生湍流。
湍流强度对风电机组性能的影响
湍流强度会对风电机组的性能产生显著影响，包括发电功率、效率和寿命。高湍流强度会导致风电机组的能量利用率下降，发电功率降低，并增加叶片疲劳和结构负荷，从而缩短风电机组的寿命。
引言
本演示将探讨湍流强度对风电场发电量的影响。湍流强度是衡量风速变化程度的重要指标，对风机性能和发电量有着显著影响。
by koasq hdbsia
什么是湍流强度
风速变化
湍流强度反映了风速在时间和空间上的变化程度。风速越大，变化越剧烈，湍流强度就越大。
影响因素
湍流强度受地形、地表覆盖、大气稳定度和风速等因素影响。地形复杂，地表粗糙度高，湍流强度就越大。
湍流强度对风电机组可靠性的影响
湍流强度会增加风电机组的疲劳载荷，从而降低其可靠性。
强烈的湍流会增加风电机组的故障率，导致停机时间增加，发电量下降。
因此，需要在风电机组设计和选型时考虑湍流强度的影响，以提高其可靠性。源自湍流强度对风电场发电效率的影响
湍流强度会降低风电场的发电效率。湍流会导致风速不稳定，风电机组无法有效利用风能，从而降低发电量。湍流强度越高，发电效率越低。
利用气象数据、遥感数据等间接获取湍流强度信息。
风力发电机组选型方法及流程分析
风力发电机组选型方法及流程分析
风机选型要结合当地风能资源、气候特征、地形条件、地貌特征等，选择性价比最高的机型，使风电场在全寿命期内发电量最优，效益最好。
在技术先进、运行可靠的前提下，选择经济上切实可行的风力发电机组，需要根据风场的风能资源状况和所选的风力发电机组，测算风场的年发电量，选择综合指标最佳的风力发电机组。
1.机型选择的原则
选择适用安全等级机组
表中：各种参数值是指轮毂高度的数值
vref：表示50 年一遇参考风速10 分钟平均值，我们通常称最大风
速。
A：表示较高湍流强度特征值
B：表示中等湍流强度特征值
C：表示较低湍流强度特征值
选择可靠机组
设计可靠性，制造可靠性，运维的可靠性
1）设计及设计计算，是否标准，如性能计算，载荷计算，疲劳寿命等，通常应有设计认证证书。
2）制造工艺，产品试验。
尤其是静动试验结果通常要有产品认证证书。
风电场风资源评估湍流强度计算方法
风电场风资源评估湍流强度计算方法风电场风资源评估是风电场建设前的重要工作之一，它的准确性对于风电场的投资回报和发电效率具有决定性的影响。
而湍流强度是评估风资源的关键指标之一，它反映了风场中风速的变化程度和不均匀性。
本文将介绍湍流强度的计算方法及其在风电场风资源评估中的应用。
湍流强度是指风速的波动程度，它可以用来描述风场中风速的不稳定性。
湍流强度的计算方法有多种，其中常用的方法包括标准差法、方差法和湍流动能法。
标准差法是一种简单直观的计算方法，它通过计算一定时间内风速的标准差来评估湍流强度。
标准差是一种衡量数据离散程度的统计指标，它表示风速数据的波动程度。
标准差越大，湍流强度越高。
标准差法的计算公式如下：湍流强度 = 风速标准差 / 平均风速方差法是另一种常用的计算方法，它通过计算一定时间内风速的方差来评估湍流强度。
方差是标准差的平方，它也可以衡量数据的离散程度。
方差法的计算公式如下：湍流强度 = 风速方差 / 平均风速的平方湍流动能法是一种更为精确的计算方法，它通过计算风速波动的动能来评估湍流强度。
湍流动能是风速波动的能量，它可以通过计算风速的功率谱密度函数得到。
湍流动能法的计算公式如下：湍流强度 = (湍流动能 / 平均风速的平方)的开平方在风电场风资源评估中，湍流强度的计算是非常重要的。
它可以帮助工程师了解风场中风速的变化情况，从而评估风能的利用率和风机的性能。
湍流强度越大，表示风场中风速的波动越大，这对于风机的运行和寿命会产生一定的影响。
除了湍流强度，风资源评估中还需要考虑其他因素，如平均风速、风向变化等。
这些因素的综合评估可以帮助工程师确定风电场的布局和风机的选型。
在实际评估中，通常会采用多种方法综合考虑各种因素，以提高评估的准确性和可靠性。
湍流强度是风电场风资源评估中的重要指标之一。
准确评估湍流强度可以帮助工程师了解风场中风速的变化情况，从而评估风能的利用率和风机的性能。
在评估中，可以采用标准差法、方差法和湍流动能法等多种方法进行计算，以提高评估的准确性和可靠性。
湍流强度对机组选型的影响
湍流强度对机组选型的影响湍流强度是指气流或液流中的湍流运动的强度。
湍流强度的大小直接影响到机组（如风力发电机）的选型和设计。
湍流强度较大会对机组的性能、可靠性和寿命产生负面影响，因此需要在选型过程中进行合理估计和评估。
首先，湍流强度对机组的性能产生影响。
湍流强度较大时，风或水流的速度和方向会不断变化，导致机组受到的风载荷或水力载荷也会不断变化。
这种不稳定的载荷会对机组的运行稳定性和动力学性能产生影响。
对于风力发电机来说，湍流强度较大会导致风轮受到的风载荷剧烈变化，机组振动加剧，从而影响机组的动力学特性和出力稳定性。
湍流强度较大还会导致风轮的损耗和疲劳程度增加，进而影响机组的寿命和可靠性。
对于水力发电机来说，湍流强度较大会导致水叶受到的水力载荷的变化较大，增加了叶轮和轴承的疲劳和碰撞风险。
湍流强度较大还会导致水轮机的效率下降，降低了水力发电机的发电效益。
其次，湍流强度对机组的可靠性产生影响。
湍流强度较大会导致机组受到的载荷变化更加剧烈，进而加剧了机组的疲劳破坏和零部件损坏的风险。
如果机组的设计和选型不能适应湍流强度较大的环境，机组易受损，可靠性较低。
最后，湍流强度对机组的寿命产生影响。
湍流强度较大时，机组受到的载荷变化剧烈，容易导致机组的零部件出现疲劳破坏和损坏。
如果机组在设计和选型中未考虑湍流强度的影响，机组的寿命会大大缩短。
因此，在进行机组的选型和设计时，需要充分考虑湍流强度的影响。
首先需要对机组所处环境的湍流特性进行准确的测量和评估，得到湍流强度的参数。
然后根据湍流强度的大小，选择适当的机组类型和设计参数，确保机组能够在湍流较大的环境下运行稳定、可靠，并具备较长的寿命。
在实际选型中，可以采用风洞试验、湍流模拟和数值模拟等方法来模拟不同湍流强度下机组的运行情况，评估机组的性能、可靠性和寿命。
同时，也需要注意机组在正常运行和极端工况下的适应能力，确保机组的安全和可靠性。
综上所述，湍流强度对机组选型具有重要的影响。
高原地区湍流对风电机组的影响研究
高原地区湍流对风电机组的影响研究摘要：我国风能资源丰富的北部、西北地区,大部分为高原环境,近年来在云南地区进行开发的风电场海拔都比较高。
根据国内风力发电机组GBT20626.12006的标准,当海拔高度超过1000米时,就需要考虑高海拔气候环境变化对风力发电机组带来的影响。
研究高原地区湍流对风电机组性能和载荷的影响是非常有必要的。
基于此，本文主要对高原地区湍流对风电机组的影响进行分析探讨。
关键词：高原地区湍流；风电机组；影响研究1、前言在我国高原地区，风电场地面障碍物较多，地形起伏大导致地表粗糙度较大，气流由于受到障碍物、地形地貌的影响，湍流强度也较大；同时在加上风电机组的重力载荷、惯性载荷，使得机组的发电能力和所受载荷情况影响都很大。
为了保证风电机组的稳定运行，在机组载荷设计和风电场选址过程中需要重点考虑湍流的影响。
2、湍流对风电机组发电量的影响2.1风电机组有功输出曲线风电机组是将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，目前风电场中大部分风电机组，其有功输出曲线表达式如下所示：其中，VS为风电机组启动风速；Vr为风电机组额定风速；Ve为风电机组极限风速；Pr为风电机组额定功率；P(V)为风电机组实时功率。
当风速小于启动风速或者大于极限风速时，风电机组不发电；当风速大于额定风速小于极限风速时，风电机组输出额定功率；当风速大于启动风速小于额定风速时，风电机组输出实时功率。
2.2湍流对风电机组有功输出的影响根据风电机组有功输出曲线，湍流影响风电机组的有功输出主要是风速大于启动风机小于额定风速之间(VS≤V≤Vr)，因为湍流强度是随着风速的增大而变小，所以对于风速大于额定风速的区间，湍流影响较小。
图1是高原山区某风电场4#机组最近半年的实际功率曲线与标准功率曲线对比图，从图中可以看出风电机组在风速大于5m/s,小于10m/s区间段（5m/s≤V≤10m/s，标黄部分）实际功率曲线明显低于标准曲线，而且当风速大于额定风速时，风电机组的满足标准功率曲线的要求。
湍流强度对风力发电机疲劳载荷的影响分析
湍流强度对风力发电机疲劳载荷的影响分析作者：廖丹来源：《商品与质量·消费视点》2013年第06期摘要：为了分析风场湍流强度对风力发电机载荷的影响，我们利用Bladed软件对软件自带的Demo模型进行了不同湍流强度下各部件的疲劳载荷计算，其结果为风力发电机的设计研发提供了一定的参考依据。
关键词：湍流强度；Bladed软件；疲劳载荷计算一、前言随着科技的不断发展，各行各业对能源的需求量越来越大，矿石燃料已经不能满足人们生产生活的需要。
风能、太阳能、潮汐能等新新能源已经越来越受到重视。
2006年国家气候中心对我国风能资源进行了评价，得出：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m 高度层风能资源技术可开发量为25.48亿kW。
风能是一种清洁的再生能源，分布在我国的广泛地区，为我国的能源需求提供了强有力的补充[1]。
风力发电机组是通过风能带动叶片转动，并将叶片的动能转化为电能。
风机的湍流强度一般是由地形引起的湍流和风机产生的尾流来决定。
风场的湍流强度对风力发电机的载荷、发电量、振动等性能都有着很大的影响。
本文以Bladed软件自带的demo模型为例，通过对不同湍流强度下各主要部件截面的等效疲劳载荷计算，分析湍流强度对风机载荷的影响。
二、湍流的定义湍流是指在短时间内的风速变化。
湍流产生的原因主要有两个：一个是，由于地形的变化造成的空气在流动过程中与地表的摩擦；另一个是由于空气密度差异和气温变化的热效应是的空气团垂直运动。
这两种作用相互关联，互相影响，产生了空气的这种复杂的流动[2]。
湍流强度也称湍流密度，是对湍流总体水平的度量，定义为：试中，为风速U相对于平均风速的标准方差。
湍流强度由地表的粗糙度及高度，以及地貌特征决定。
在IEC、GL等风机设计标准中，一般根据湍流强度将风机的设计等级分类。
表1中，列出了IEC61400-1中的风机设计等级。
可以看出，根据湍流强度的不同，风机分为A、B、C三类[4]。
风力发电机组类型选择
风力发电机组类型选择1.风力发电机组类型选择根据目前世界风力发电机组的发展状况了解到，目前各种机型风力发电机组均采用了上风向、水平轴、三叶片结构，该种类型的机组其技术成熟，可靠性较高，在世界各地得到了广泛的运用。
为适应各种风况条件，在机型方面又划分为中低风速区型、内陆型和高风速区型机组以及变桨、变速、变桨变速等不同类型，其单机容量范围从几十千瓦到数兆瓦，选择范围较大。
根据风电场的风能资源状况，地区属于m级风场，70米高度年平均风速7.2米/秒，适宜选择中低风速区型风电机组；根据推算的风场不同高度实测年历时风速资料，按不同风电机组功率曲线，对各类机组的理论发电量和理论利用小时数进行了初步估算，推荐选择叶轮直径较大的风电机组。
2.风力发电机组单机容量选择目前风电机组单机容量最大已可达到3兆瓦以上，如东特许权项目要求设备国产化率达到50% ,在与各设备供应商咨询了解后，初步确定4种可满足国产化率要求的风电机组，其单机容量分别为850千瓦、1000千瓦、1250千瓦和2000千瓦，在选定风场场址内进行排列布置。
根据初步布局结果和招标文件提供的资料，从风电机组布置角度，在如东风电场单机容量在600千瓦以上的机组均可实现理想布置。
其中选择较大机组容量时，机组布置更为灵活，占地面积小，配套工程（基础、塔架、输电电缆）少。
3.风力发电机组的对比选择经过初步选择，从多种侯选机型中初步选择出三种机型进行详细的技术指标比较，三种机型的主要参数的对比（仅列出四者之间的主要区别）见表6-l o表6-1 :侯选风力发电机组技术指标对比表名称WTG1 型WTG2 型WTG3 型WTG4额定功率（千瓦）850100012502000功率调节速变桨变定桨距变桨距变桨变速叶轮直径（米）5254.26680额定风速（米/ 秒）15151215停机风速（米/ 秒）25252525叶轮额定转速（转14. 6-15/2213. 9/20. 89-19/分）30.8运行温（℃）度范围-20〜+50-30〜+25-20〜+50-20-+50机舱重量（吨）23304461叶轮重量（吨）1016.519.834塔架高度（米）65656560塔架重量（吨）1068598100从上表中可以看出，WTG1与WTG3、WTG4型机组均采用变桨功率调节方式，在高风速区段，叶轮保持较高的效率，对风能资源的利用效率高，WTG4机组采用全变速运行,为目前较新发展的技术。
风电机组机位有效湍流强度计算方法
摘自参考文献
风电机组机位有效湍流强度计算方法 2010年
风电场条件不同，描述和计算湍流的方法也应有所差异。
环境湍流：不考虑风电机组之间的影响，甚至也不考虑风电机组所处地形条件影响。
在一些平坦地形、风向单一的风电场内，风电机组呈单排分布，并且近似垂直主风向，此时环境湍流一定程度上反映风电机组机位湍流强度的大小。
湍流强度是脉动风速（瞬时风速与平均风速的差）的均方根σ与平均风速v 的比值：T I συ= T I 大于0.18时，表明湍流处于较高水平；T I 小于0.14时，湍流处于较低水平。
湍流强度对机组选型的影响
湍流强度对机组选型的影响湍流是一种浑沌的、不规则的流动状态，其流动参数随时间与空间作随机的变化，因此本质上是三维非定常流动，且流动空间分布着无数形状与大小各不相同的漩涡。
可以说，湍流是随机的三维非定常有旋流动。
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。
IEC61400-1目前的最新版本是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。
表一：IEC61400-1第二版中对风力发电机组的分级IEC61400-1第二版基于15m/s风速下的特征湍流强度定义标准风机类型。
特征湍流强度：对于10分钟步长，每个步长包含一个湍流强度值，特征湍流强度等于这些湍流强度值的第84百分位数，即有84%的值将小于该值。
若湍流强度服从正态分布，则84百分位数等于均值加上标准偏差。
表二：IEC61400-1第三版中对风力发电机组的分级IEC61400-1第三版基于15m/s风速下的平均湍流强度定义标准风机类型。
第三版中提出了另一个概念为代表湍流强度：对于10分钟步长，每步包含一个湍流强度值，代表湍流强度等于这些湍流强度值的第90百分位数，即有90%的值将小于该值。
若湍流强度服从正态分布，则第90百分位数等于均值加上1.28倍的标准偏差。
在资源分析时通常的方法是根据测风塔处的湍流强度来判断场区范围是否超过IEC61400-1规定的风机分级标准。
然而通常位于下风向的风机点位往往受到上风向风机的尾流影响，增加了下风向风机的湍流强度，因此应该考虑风机尾流产出的湍流强度。
因此风电场中风机承受的有效湍流强度由环境湍流强度和考虑尾流影响的附加湍流强度两部分组成。
风电机组湍流强度超标时的处理方式：调节机组周围风机布置，拉大风机间距;适当提高风电机组塔架高度。
浅谈风电机组选型
浅谈风电机组选型【摘要】风电场机型选择应考虑适合风电场场址的风资源条件，有利于提高风电场的发电效益。
随着国内外风力发电设备制造技术日臻成熟，针对不同区域风资源条件，各风机设备制造厂家已经开发出不同结构型式、不同控制调节方式的风力发电机组可供选择。
发电机组的选型在其中扮演着重要角色，它决定了全场效率的优劣，本文主要分析机组的选型问题，希望对业界风电机组的选型有所帮助，期待我国的风力发电最大化的发挥效益。
【关键词】风电机组选型我国针对固有资源的开发利用已经进入成熟阶段，当下非再生资源的储量已无法满足日益进步的经济需求，人们在日常生活中对于能源的需求逐步加大，环境的问题与资源利用问题也被广大人们所关注，而随着社会的发展进步，风力发电这种可再生清洁能源被广泛利用是发展趋势，所以，我们在设计中对于风力发电机组的选型能否符合效益的生成，是否符合经济效益的提升便是我们重点关注与分析的。
下面以江苏中部某现代农业产业园多能互补风电项目为例谈谈风电机组选型。
1项目概况1.1 项目基本信息江苏中部某风电场位于北纬32°20′~32°42′、东经119°48′~120°18′，地跨长江三角洲和里下河平原。
风机布置区域属于平原，场内地形较平坦，地貌主要为农田、河道及村庄为主。
附近已有部分道路，场外交通较为便利。
本期风电场工程规划装机容量 15MW。
风电场地理位置见图 1-1。
图 1-1 风电场地理位置示意图（省位置(左)、区位置（右））2风电机组型式选择风电场机型选择应考虑适合风电场场址的风资源条件，有利于提高风电场的发电效益。
随着国内外风力发电设备制造技术日臻成熟，针对不同区域风资源条件，各风机设备制造厂家已经开发出不同结构型式、不同控制调节方式的风力发电机组可供选择。
因此，本报告结合项目场址的地形、交通运输情况、风资源条件和风况特征，结合国内外商品化风电机组的制造水平、技术成熟程度，进行本风电项目机组型式选择。
湍流强度的影响
湍流强度的影响湍流就是风机实时发电过程中的大恶魔,在这一点上没有之一。
由于与生俱来的随机性和强非线性，即便你懂得风的轨迹，也很难预测到这个恶魔何时会跑出来破坏风力发电，所以只能在分析报告中看到它的踪迹—-比如风机齿轮箱损坏、叶片开裂、基础开缝、发电量不达标，等等，诸如此类的问题无不与湍流有关，也就是说，这个恶魔脱不了干系，可这个看不见摸不着的东西究竟是什么呢？如果你缺少专业知识,那就得补脑了，看看百科中的标准答案解释：“湍流又称紊流,指的是流体的非均匀流动.”这句话能懂的就懂了，再看看下面这段话，即使不懂也会知道湍流到底是个什么级别的风电难题了。
“湍流的复杂,使得它几乎不可能用任何数学方法准确描述，在过去的一个世纪里，科学家们先后发明了涡粘性和混合长度理论、能量级串理论、流动稳定性理论等对它进行说明和解释，但始终没有实现对湍流的完全模拟,它也因而成为流体力学的世纪难题。
”难题也不过是难题而已,只要风机设计师们和湍流这个恶魔来一番斗智斗勇,风机安全性和良好的发电性能是可以有保障的，但前提是要先了解下风机设计湍流等级，然后就是湍流对风机安全性和发电量究竟有哪些影响。
那么，什么是风机设计湍流的等级标准呢?先看最新IEC61400标准（由IEC制定的风力发电机组系列标准）对风力发电机组的安全等级分类，看个表吧:请注意，Vref是指风电场50年一遇的10分钟最大风速；Iref是指15m/s时的湍流强度的平均值；A是指高湍流强度等级，B是指中等湍流等级,C是指低等湍流强度.再说一遍，无论哪位大神都很难用数学方法准确描述湍流，那么风机设计是如何界定湍流的呢?接地气的专家们搬出了万能的统计学方法,根据IEC61400标准规定，湍流强度（TI）是指10分钟内风速随机变化的幅度，也就是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率。
实际上,这就是风机运行中承受的正常疲劳载荷，也是IEC61400—1风机安全等级分级的重要参数之一。
风场湍流强度的计算及其对风电机组选型
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IEC61400-1IEC61400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目前的最新版本是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。
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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IEC61400-1IEC61400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目前的最新版本是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 III III IV S V ref （m/s ） 5042.5 37.5 30 V ave （m/s ） 108.5 7.5 6 0.18 0.18 0.18 0.18 A I 15[－]a[－]2 2 2 2 0.16 0.16 0.16 0.16 B I 15[－]a[－] 3 3 3 3由WTGS 制造商规定各参数 表1中各数值应用于轮毂高度；V ref 表示风电场50年一遇的10分钟最大风速；V ave 表示风电场预装轮毂高度年平均风速；A 表示较高的湍流强度等级；B 表示较低的湍流强度等级；I 15是风速为15m/s 时计算的湍流强度特征值；a 是公式（1）和（2）中的斜度系数。
IEC61400-1第二版中的正常湍流模型（normal turbulence model ），纵向风速分量标准偏差特性值满足式（1）：)1/()/15(115+×+×=a V a s m I hub σ式（1）)1/()15(115++×==a a VhubI V TI hub σ 式（2）图1 IEC61400-1第二版中风速标准偏差与平均风速的关系图2 IEC61400-1第二版A 级和B 级湍流强度曲线而2005版IEC61400-1中关于风机的分类如表2：表2 IEC61400-1第三版中对风力发电机组的分级 WTGS 等级 III III S V ref （m/s ） 50 42．5 37．5A I 15[－] 0．16B I 15[－] 0．14C I 15[－] 0．12由WTGS 制造商规定各参数 2005版IEC61400-1与1999年版相比，主要是将标准的名称由风电机组安全要求改为风电机组设计要求，取消了轮毂高度处的年参考风速，同时将湍流强度增加为A 、B 、C 三级。
其中A 级为高湍流强度，B 级为中等湍流强度，C 级为低湍流强度。
另外，IEC61400-1第三版中的正常湍流模型也有所变化，见式（3）。
)75.0(1b V I hub ref +×=σ 式（3）式（3）中s m b /6.5= 因此hub ref ref hub hub ref hub V I b I V b V I V TI ×+×=+×==75.0)75.0(1σ 式（4）图3 IEC61400-1第三版中风速标准偏差与平均风速的关系图4 IEC61400-1第二版A 级、B 级、C 级湍流强度曲线3、 风场湍流强度分析计算存在的几个常见的误区从IEC61400－1的第二版和第三版都可以看出，湍流强度指标都是决定风电机组安全等级或者设计标准的重要参数之一，也是风场风资源评估的重要内容，其评估结果直接影响到风电机组的选型。
目前，国内在确定风电机组安全等级时往往比较重视风场50年一遇最大/极大风速的计算，而在计算湍流强度时往往存在如下几个常见的误区：误区之一：湍流强度的计算方法一般认为，在计算风场湍流强度时就是按照国家标准GB/T18710-2002风电场风能资源评估方法附录B 中规定的公式进行计算，V I T σ=，式中V 为10分钟平均风速，σ为10分钟平均风速的标准偏差， ∑=−=60012)(5991i i V v σ， 式（5） i v 为10分钟内每一秒钟的采样风速。
如果数据记录仪的采样速率是2秒钟采样一次，则∑=−=30012)(2991i i V v σ 式（6） 目前国内使用的主流测风设备，如美国NRG 仪器和SECONDWIND 仪器均能提供10分钟平均风速的标准偏差。
通常情况下的做法是计算出每10分钟的湍流强度后再取所有数据或者某段数据（按照bin 分速法）的平均值作为风场湍流强度的特征值。
其实，我们在计算每个某段风速区间的湍流强度时，该段风速区间内若干个10分钟平均风速的标准偏差值是一个随机变量，其一般服从正态分布规律。
因此我们不能简单地将该段风速区间内10分钟平均风速的标准偏差直接除以平均风速作为湍流强度值。
湍流强度的正确算法是在平均风速式标准偏差值基础上再加上一个平均风速标准偏差的标准偏差， 即：式（7）根据IEC61400-1第三版的规定， 式（8） 这样1σ可以涵盖平均风速标准偏差正态分布下90％的比例。
误区之二：判断风场湍流强度是否超过IEC61400-1规定的风机分级标准就是计算轮毂高度处风速为15米/秒时的湍流强度根据风电机组安全等级分类标准，风速为15米/秒时的湍流强度仅仅是湍流强度特征值。
根据IEC61400－1的要求，应计算每个风速区间下的湍流强度，然后与不同湍流强度等级下每个风速对应的湍流强度值进行比较。
TI 15 是环境湍流强度的特征值，是我们在进行湍流强度分析时一定要计算的重要指标，具体计算方法是计算风速10米/秒至风电机组切出风速之间环境湍流的加权平均值。
误区之三：判断风场湍流强度是否超过IEC61400-1规定的风机分级标准只需计算风场测风塔处的湍流强度即可总所周知，位于下风向的风电机组将受到来自上风向风电机组尾流的影响。
尾流影响不仅降低了下风向风机的出力水平，而且增加了下风向风机的湍流强度。
因此，确定风电机组湍流强度等级不仅取决于环境湍流强度，更应考虑因为风机尾流产出的湍流强度。
风电场中风机承受的有效湍流强度（effective turbulence intensity ）由环境湍流强度（ambient turbulence intensity ）和因为风电机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。
其中环境湍流强度定义为风场中单独一台风机承受的正常湍流强度，该湍流强度没有受其他风机或者障碍物的尾流影响，环境湍流强度可由测风塔测得的10分钟平均风速及其标准偏差计算得出。
因此，我们通常情况下计算的风场测风塔湍流强度仅仅是没有考虑风电机组尾流影响的测风塔这一点的环境湍流强度，并不能直接用来判断风电场的湍流强度级别。
正确的做法是应在风电机组微观位置确定后通过计算风电机组之间尾流产生的湍流强度，并与环境湍流强度叠加得出每台机位的有效湍流强度。
根据IEC61400－1的要求，每一个风速区间下风机承受的有效湍流强度均不能超过设计湍流强度。
有效湍流强度模型由丹麦国家风能实验室的Sten Frandsen 提出，如下：σσσσ28.11＋≥式（9）IT eff：每台风机的有效湍流强度；m：Wöhler 指数；I amb:包含环境湍流强度和来自某个风向扇区的尾流影响的湍流强度；P w:每个风向扇区下受周围风机尾流影响的概率大小；S:风机之间的距离，用风机叶轮直径的倍数表示；Ct:风机推力系数。
有效湍流强度过大，可降低风机的出力水平，使风机承受更多的疲劳载荷，还可能引起极端载荷，降低风机的使用寿命。
有效湍流强度不仅与风场当地地形、地貌、障碍物有关，还与每台风电机组的具体位置、风场主导风向以及机组轮毂高度有关。
例如，某风场某台机组轮毂高度处每个风速区间下的环境湍流可能都不会超过B级标准，但由于沿主导风向方向上风电机组间距过小，就会导致下风向尾流影响严重的机组在某些风速区间的有效湍流强度大大超过B级标准。