湍流强度

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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
轮毂高处的风速（米/秒）
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：
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）：
σ1 = I15 × (15m / s + a ×Vhub ) /(a + 1)
式（1）
TI
= σ1 Vhub
=
I15
×
( 15 Vhub
+
a)
/(a
+
1)
式（2）
(vi
−V )2
，
式（5）
vi 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σ =
1 299
300 i =1
(vi
−V
)2
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。
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
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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。
标准差（米/秒）
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4.5 4
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0
A等级 B等级
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
轮毂高处风速（米/秒）
图 1 IEC61400-1 第二版中风速标准偏差与平均风速的关系
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。
2
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1.2
A等级
1
B等级
0.8
湍流强度
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0.6
0.4
0.2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
轮毂高处风速（米/秒）
图 2 IEC61400-1 第二版 A 级和 B 级湍流强度曲线
式（7）
根据 IEC61400-1 第三版的规定，
式
（8）
这样 σ1 可以涵盖平均风速标准偏差正态分布 σ1 ≥ σ＋1.28σσ 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。
37.5
30
7.5
6
由 WTGS 制
0.18
0.18 造商规定各参
2
2
数
0.16
0.16
3
3
表 1 中各数值应用于轮毂高度；
Vref 表示风电场 50 年一遇的 10 分钟最大风速； Vave 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；
I15 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。
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
IT
估方法附录 B 中规定的公式进行计算，
=σ V
，式中 V 为 10 分钟平均风速，σ 为 10 分钟平
4
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∑ 均风速的标准偏差， σ =
1 599
600 i =1
因此 TI
= σ1 Vhub
=
Iref (0.75 ×Vhub Vhub
+ b)
= 0.75 × Iref
+ b × Iref Vhub
式（4）
3
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标准偏差（米/秒）
4.5
等级A
4
等级B
3.5
等级C
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
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
I
II
III
IV
S
Vref（m/s）
50
42.5
Vave（m/s）
10
8.5
A I15[－]
0.18
0.18
a[－]
2
2
B I15[－]
0.16
0.16
a[－]
3
3
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
I
II
III
S
Vref（m/s）
50
42．5
37．5
A I15[－] B I15[－]
0．16 0．14
由 WTGS 制造商 规定各参数
C I15[－]
0．12
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
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
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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：
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。
TI15 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。
CT
⎪⎭
式（9） ITeff：每台风机的有效湍流强度； m：Wöhler 指数； Iamb: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； Pw: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。
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）。
σ1 = Iref (0.75 ×Vhub + b)
式（3）
式（3）中 b = 5 . 6 m / s
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。
轮毂高处风速（米/秒）
图 3 IEC61400-1 第三版中风速标准偏差与平均风速的关系
1.2
等级A
1
等级B
等级C
0.8
湍流强度
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0.6
0.4
0.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
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：
5
PN4-02
1
⎧
⎫m
ITeff =⎪⎪⎨((1−pw1−pw2)Iambm +pw1( ⎪
1 (1.5+0.8*
S1 )2 +Iamb2)m +pw2(
1 (1.5+0.8*
S2
)2
+Iamb2 )m⎪⎪⎬ ⎪
⎪⎩
CT
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。