GB/T 31519-2015 台风型风力发电机组

　　ICS 27. 180 F 11

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 31519—2015

　　台风型风力发电机组

　　Wind turbinegeneratorsystem undertyphoon condition

　　2015-05-15发布 2016-02-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 31519—2015

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国机械工业联合会提出 。

　　本标准由全国风力机械标准化技术委员会(SAC/TC50)归 口 。

　　本标准起草单位 :浙江运达风电股份有限公司 、上海电气风电设备有限公司 、国家气候中心 、北京鉴衡认证中心有限公司 、新疆金风科技股份有限公司 、国电联合动力技术有限公司 、福建省气候中心 、广东明阳风电产业集团有限公司 、美泽新能源控股有限公司 、中国农机工业协会风力机械分会 。

　　本标准主要起草人 : 叶杭冶 、申新贺 、张秀芝 、张容焱 、许国东 、王青 、王国庆 、王力雨 、许移庆 、张宇 、徐洪雷 、唐浩 、王斌 、张启应 、蔡安民 、黄建锋 、田野 、庄岳兴 。

　　台风型风力发电机组

　　1 范围

　　本标准规定了台风型风力发电机组(以下简称 “机组 ”)的最低技术要求和机组的安全等级 ,对台风模型和台风状态下的各种工况进行了描述和定义 。此外 ,本标准还涉及机组的机械系统 、电气系统 、控制和安全保护系统以及运行与维护等要求 。

　　本标准适用于台风多发地区的陆上并网型水平轴风力发电机组 。海上水平轴风力发电机组可以参考使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 2900. 53 电工术语 风力发电机组

　　GB 4208—2008 外壳防护等级(IP代码)

　　GB/T 4797. 5—2008 电工电子产品环境条件分类 自然环境条件 降水和风

　　GB/T 18451. 1—2012 风力发电机组 设计要求

　　GB/T 19072—2010 风力发电机组 塔架

　　GB/T 19292. 1—2003 金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 分类

　　GB/T 25383 风力发电机组 风轮叶片

　　GB/T 25385 风力发电机组 运行及维护要求

　　GB/Z 25427—2010 风力发电机组 雷电防护

　　GB/Z 25458—2010 风力发电机组 合格认证规则及程序

　　NB/T 31001—2010 风电机组筒形塔制造技术条件

　　ISO 2394 结构可靠性的一般原则 (Generalprincipleson reliability for structures)

　　3 术语和定义

　　GB/T 2900. 53和 GB/T 18451. 1—2012界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1

　　台风 typhoon

　　热带气旋 tropical cyclones

　　生成于热带或副热带洋面上急速旋转并向前移动的大气涡旋 。

　　GB/T 31519—2015

　　注 1: 按强度可分为热带低压 、热带风暴 、强热带风暴 、台风 、强台风和超强台风 。为便于描述 ,本标准除特别说明外通称为台风 。

　　注 2: 改写 GB/T 19201—2006的定义 2. 1。

　　3.2

　　顺桨 feathering

　　风轮叶片的几何攻角改变到趋近零升力的状态 。顺桨通常分为正常顺桨和紧急顺桨 。 3.3

　　阵风系数 gustfactor

　　N 年一遇 3 s平均极端风速与 N 年一遇 10 min平均极端风速的比值 ,N 通常取 1 或 50。

　　4 符号和缩略语

　　4. 1 符号和单位

　　D 风轮直径 [m]

　　Iref 10 min平均风速为 15 m/s时轮毂高度处湍流强度的期望值 [—]

　　N 极限状况的重现周期 [年]

　　T 阵风特征时间 [s]

　　t 时间 [s]

　　v 风速 [m/s]

　　V(z) z 高度处的风速 [m/s]

　　Vave 轮毂高度处年平均风速 [m/s]

　　VTeN N 年一遇极大风速(3 s平均)期望值 ,Ve1和 Ve50分别表示 1 年一遇和 50年一遇 [m/s] VgustTN N 年一遇最大阵风期望值 [m/s]

　　Vhub 轮毂高度处的风速 [m/s]

　　Vin 切入风速 [m/s]

　　Vout 切出风速 [m/s]

　　Vr 额定风速 [m/s]

　　VTref 参考风速 [m/s]

　　V(z,t) 用于描述极端阵风和风切变瞬时变化的矢量风速纵向分量 [m/s]

　　z 用于描述风场高度方向(竖向)的坐标系 [m]

　　zhub 风力发电机组轮毂高度 [m]

　　β 极端风向变化模型参数 [—]

　　θ(t) 风向瞬时变化值 [deg]

　　θeT 50年一遇极大风向变化值 [deg]

　　Λ1 由波长定义的湍流尺度参数 [m]

　　σ1 轮毂高度处矢量风速纵向分量标准偏差 [m/s]

　　σ2 轮毂高度处矢量风速横向分量标准偏差 [m/s]

　　σ3 轮毂高度处矢量风速竖向分量标准偏差 [m/s]

　　σT1 轮毂高度处台风湍流风速纵向分量标准偏差 [m/s]

　　4.2 缩略语

　　A 非正常(局部安全系数) DLC 设计载荷工况

　　ECD 方向变化的极端相干阵风

　　EDCT 台风极端风向变化

　　EOGT 台风极端运行阵风

　　EWMT 台风极端风速模型

　　EWS 极端风切变

　　F 疲劳

　　N 正常和极大(局部安全系数)

　　NWP 正常风廓线模型

　　TS 特殊的机组安全等级

　　TTM 台风湍流模型

　　U 极限

　　5 安全等级、台风风况和工况

　　5. 1 概述

　　本章主要对机组的安全等级 、湍流条件 、台风风况以及设计状态进行定义和描述 。本标准没有规定的设计工况应按 GB/T 18451. 1—2012的要求执行 。

　　5.2 机组安全等级

　　设计中考虑的外部条件取决于机组拟安装位置或安装位置的类型 。表 1规定的机组安全等级基本参数表示的是一个宽泛的范围 ,不代表某一特定场址 。如果设计者或者客户需要使用特定的条件 ,则需要定义一个特定的机组安全等级 ,这个安全等级定为 TS级 。

　　对 TS级机组 ,可参考 GB/T 18451. 1—2012的 S级机组 ,生产商应在设计文件中说明所采用的模型及主要设计参数值 。如采用第 5 章的模型 ,应对其参数值作充分的说明 。

　　表 1 台风型风力发电机组等级基本参数1)

　　1) 年平均风速未列入表 1,可参考附录 A选取或自定义 ,但应在设计文件中指出 。

　　5.3 台风风况

　　5.3. 1 概述

　　热带气旋是一种复杂的气候现象 , 附录部分提供了我国沿海地区的部分台风特点统计资料 , 附录 B介绍了热带气旋的结构 。

　　风况的设计值应在技术文件中明确规定 。 台风通常具有风速大 、湍流强 、风向变化大等特点 ,应建立能够模拟台风特点的风况模型进行机组的仿真计算 。本标准提供了下述台风特点的风况模型 ,可作为机组的设计参考 。

　　湍流是指矢量风速相对于 10 min平均值的随机变化 ,湍流模型在使用时应考虑风速 、风切变和风向变化的影响 。

　　5.3.2 台风湍流模型(TTM)

　　对于标准等级机组 ,轮毂高度处台风湍流风速的纵向标准偏差代表值 σT1 由式(1)给出 :

　　σT1 = Iref(0. 75Vhub +b) ………………………( 1 )

　　地(1形). 6,s湍。流气流的变形 ,湍流纵向分量的标准偏差估计值应增加 。该环境下 ,宜采用

　　式(2)计算台风湍流强度标准偏差2) :

　　σT1 = Iref(0. 42Vhub +b) ………………………( 2 )

　　ref()1./。s。湍流谱的描述参考 GB/T 18451. 1— 2012 中附录 B。

　　5.3.3 台风极端风速模型(EWMT )

　　台风极端风速模 型(EWMT ) 应 是 稳 态 风 速 模 型 或 湍 流 风 速 模 型 。 该 风 速 模 型 应 基 于 参 考 风 速VTref与恒定的湍流标准偏差 σT1 。

　　对于稳态极端风速模型 ,50年一遇和 1 年一遇的极大风速 VTe50和 VTe1作为高度 z 的函数计算见式(3)和式(4) :

　　VTe50 (z) = 1. 4VTref(z/zhub ) 0. 11 ………………………( 3 )

　　VTe1 (z) = 0. 8VTe50 (z) ………………………( 4 )

　　对于湍流极端风速模型 ,50年和 1年一遇的 10min平均风速是 z 的函数 , 由式(5)和式(6)给出 :

　　VT50 (z) =VTref(z/zhub ) 0. 11 ………………………( 5 )

　　VT1 (z) = 0. 8VT50 (z) ………………………( 6 )

　　VgustTN ………………………( 8 )

　　2) 可参考附录 F 的台风过程湍流特性分析结果 。

　　3) 台风湍流极端风模型的湍流标准偏差与台风湍流模型(TTM)不相关 。

　　式中 :

　　σ1 — 由 GB/T 18451. 1—2012 中式(1)给出 ;

　　Λ1— 湍流尺度参数 , 由 GB/T 18451. 1—2012 中式(5)给出 ;

　　D — 风轮直径 ; β=4. 8,N = 1;

　　β= 6. 4,N = 50。

　　周期为 N 年一遇的风速 , 由式(9)确定 :

　　V(z)按正常风廓模型(NWP)进行计算 ,NWP 由 GB/T 18451. 1—2012 中 6. 3. 1. 1 给出 ; T= 10. 5 s。

　　5.3.5 台风极端风向变化(EDCT )

　　台风过程的极端风向变化幅值θeT可以用式(10)进行计算 :

　　T = ±6. 4arctan

　　式中 :

　　σ1 — 由 GB/T 18451. 1—2012 中式(1)给出 ;

　　Λ1— 湍流尺度参数 , 由 GB/T 18451. 1—2012 中式(5)给出 ;

　　D — 风轮直径 。

　　极端风向变化瞬时值θ(t)由式(11)确定 :

　　T ……………( 11 )

　　此处 ,极端风向变化过程持续时间 T= 6 s。应考虑最恶劣瞬时载荷发生的情况 。 风向瞬时变化结

　　5.4 工况设计和载荷计算

　　5.4. 1 概述

　　5.4. 1. 1 载荷计算应满足 GB/T 18451. 1—2012和本标准的要求 。完整的机组设计载荷工况由两部分组成 :本标准表 2规定的台风环境下设计工况和 GB/T 18451. 1—2012 中表 2规定的工况 。

　　5.4. 1.2 设计计算至少应考虑 GB/T 18451. 1—2012 中 7. 3. 1~ 7. 3. 4描述的载荷 ,应考虑伴随台风过程的暴雨和雷电影响 ,应考虑基础刚度对载荷的影响 。

　　5.4. 1.3 在所有情况下 ,应考虑平均气流相对水平面成 8°角时的影响 。假定此倾斜角不随高度改变而变化 。

　　5.4. 1.4 按照 GB/T 18451. 1—2012 中表 2进行载荷计算时 ,应使用 GB/T 18451. 1—2012规定的风模型 ,设计参数应与本标准保持一致性 。

　　表 2 设计载荷工况(台风环境)

　　5.4. 1.5 若有足够的资料证明 , 比如采用了能够更好模拟台风过程的风况模型 ,则可以对表 2 所列工况进行合理修改 。

　　5.4. 1.6 附录 C给出了式(3)里阵风系数的实测数据分析 ,可根据机组实际情况选用 ,并在技术文件中给出 。但对于塔架和基础的设计极限载荷 ,不应改变式(3)里的阵风系数 。对于地形复杂的地区 ,纵向 、横向和竖向的湍流分量标准偏差可根据附录 F. 3计算 。

　　5.4.2 发电兼有故障(DLC T. 1)

　　本工况考虑台风登陆前的一段时间 ,机组受台风影响且处于发电过程中 , 由于故障所触发的瞬时事件 。 台风环境下 , 同一风速表现的阵风幅值通常大于 GB/T 18451. 1—2012 的定义 。 这种设计状态下的其他风况与故障的组合在 GB/T 18451. 1—2012 中考虑 。

　　若可确保机组在受到台风影响前处于关机空转状态 ,则这种设计状态可以不用考虑 。

　　5.4.3 正常关机(DLC T.2~T. 4)

　　这种设计状态主要考虑台风登陆前处于发电状态的机组出于安全目的而关机的需要 ,包括机组从发电状态到空转状态的过程中产生载荷的所有事件 。

　　若保证机组在受到台风影响前处于关机空转状态 ,则这种设计状态可以不用考虑 。

　　5.4.4 空转(DLC T.5~T. 11)

　　在这种设计状态中 ,风轮处于空转状态 。若机组在电网失电情况下 ,控制和偏航系统可以正常工作6 h以上 ,则 DLCT. 10可以不用考虑 ,否则应分析风向变化 ±180°所产生的影响 。

　　在 DLCT. 9 中 ,1 年一遇的极端风况应与极端偏航误差相结合 ,假定极端偏航误差为 ±20°。 轮毂处风速按式(6)计算 。

　　在 DLCT. 11 中 ,轮毂高度处的风速应根据机组安装区域台风登陆期间的多年平均风速确定 ;在无法确定上述平均风速时 ,根据表 2 中推荐的风速设计 。该风速所对应的波动载荷下预期的不发电时间应根据机组安装区域多年台风记录数据确定 ,可根据风速区间[Vhub -2 m/s,Vhub +2 m/s]统计不发电时间 ;若无确切数据 ,可参考附录 D 的统计结果进行估算 。

　　5.4.5 关机兼故障(DLC T. 12~T. 13)

　　这种设计状态下 ,机组处于关机状态 。 台风通常造成电网失电 ,若机组偏航系统无法工作 ,应分析可能产生的后果 。故障状态应与湍流极端风模型结合起来 。若偏航系统能够正常工作 ,对采用叶片独立变桨控制方式的机组 ,单个叶片的变桨系统出现故障 ,应分析这种情况下可能产生的后果 ;对非独立变桨控制方式 ,还需要分析所有叶片变桨系统出现故障的情况 。

　　5.4.6 载荷计算结果分析

　　按 GB/T 18451. 1—2012 中 7. 6 的要求 。

　　6 技术要求

　　6. 1 基本要求

　　6. 1. 1 机组设计除满足本标准和 GB/T 18451. 1—2012的规定外 ,还应符合国家其他相关标准的要求 。

　　6. 1.2 机组在台风情况下通常处于关机(空转) 状态 ,考虑机组的安全性和经济性 ,应合理选择机组各部件的安全裕量 。

　　6. 1.3 机组的特殊要求应在产品的技术文件中予以明确说明 。

　　6. 1.4 机组的材料 、制造 、包装 、运输和储存等技术要求 ,可参考其他相关标准的规定 。

　　6. 1.5 机组合格认证可按照 GB/Z 25458—2010的规定执行 。

　　6.2 电网条件

　　电网的供电情况对机组的安全有很大的影响 , 台风影响的持续时间可参考附录 D。 台风过程中 ,一次断电 6 h 为正常条件 ,断电一周为极端条件 。

　　6.3 结构要求

　　6.3. 1 结构部件的设计应以 ISO 2394和 GB/T 18451. 1—2012的要求为设计基础 ,极限强度和疲劳强度需要通过计算或试验进行验证 。机组在设计等级范围内的台风事件发生时及发生后 ,应保持必要的整体稳定性 。

　　6.3.2 塔架应符合 GB/T 19072—2010的规定 ;宜采用适当的措施来减小结构的振动 ;塔架的制造还应符合 NB/T 31001—2010第 4章 ~第 10章的规定 。

　　6.3.3 机组的基础应满足下述要求 :

　　a) 应考虑台风过程中的暴雨影响 ,最大降水量可参考 GB/T 4797. 5—2008的附录 NA;

　　b) 基础的设计应符合 GB 50135—2006、GB 50007—2011和 GB 50010—2010的规定 ;

　　c) 机组基础的结 构 形 式 选 择 和 强 度 、抗 拔 和 抗 滑 稳 定 性 应 与 机 组 等 级 相 一 致 , 其 计 算 应 符 合GB 50135—2006第 7章的规定 。

　　6.3.4 在 GB/T 4797. 5—2008规定的暴雨下 ,应保证机舱罩 、导流罩的保护功能良好 ;应对机舱罩和导流罩进行静强度 、耐久性 、损伤容限和结构动力学分析 。

　　6.3.5 风轮叶片应满足 GB/T 25383的要求 。

　　6.3.6 机组使用的风向风速仪应满足下面的要求 :

　　a) 台风过程中 ,应保证风向风速仪能正常运行 ;

　　b) 风向风速仪应具备防盐雾腐蚀 、防潮功能 ,保护等级不低于 GB 4208—2008的 IP65;

　　c) 风速计测量精度宜达到 0. 1 m/s,测量最高风速不低于 80 m/s。

　　6.4 防腐蚀要求

　　6.4. 1 机组的腐蚀防护等级应适应运行环境的要求 , 大气腐蚀性能等级的选用可按 GB/T 19292. 1— 2003的规定执行 。

　　6.4.2 台风将使空气中的盐雾含量增加 ,并随风力的增大而使含盐量增加 ,机组结构部件的防腐蚀设计应考虑空气中盐雾含量的这一变化特征 。

　　6.4.3 塔架防腐应符合 GB/T 19072—2010第 9章的规定 。

　　6.5 雷电保护

　　机组应具备完善的雷 电 保 护 系 统 , 所 有 导 体 接 头 应 进 行 焊 接 或 完 全 密 封 , 并 符 合 GB/Z 25427— 2010的要求 。 防雷接地装置设计应符合 GB 50057—2010中 4. 3 的规定 。

　　6.6 控制和保护系统要求

　　6.6. 1 台风情况下 ,短时间内风向通常会发生急剧的变化 ,机组可能会产生非正常的偏航或平衡变化 ,应在控制策略中考虑这种情况 。

　　6.6.2 机组应能够接收台风警报信号 ,并具备远程控制功能 。

　　6.6.3 台风情况下 ,对变桨控制的机组 ,应使风轮处于自由空转状态 , 叶片顺桨 , 除非能够验证其他状态是安全的 。

　　6.6.4 台风情况下 ,对变桨控制的机组 ,建议偏航系统保持风轮始终处于上风向或下风向的状态 。

　　6.6.5 电网失电后的至少 6 h 内 ,建议机组控制系统具备持续工作能力 ,且偏航系统具备不间断的偏航调节能力 。

　　7 安装场址的台风环境评估

　　7. 1 台风风险评估

　　对机组的安装场址,应根据安装场址所在区域多年的台风观测数据进行台风风险评估 ,包括台风等级 、台风登陆路径 、登陆频次和每次登陆小时数等 ,可参考附录 E进行台风风险评估 。

　　7.2 台风风速分析

　　按照 GB/T 18451. 1—2012的附录 A所列参数进行分析 ,至少应包括轮毂高度处 1 年一遇和 50年一遇极端风速 。

　　对部分台风观测数据的分析表明 , 台风湍流纵向 、横向和竖直方向的强度具有如附录 F 中表 F. 3所示的关系 ;如果有安装场址的台风三维超声观测数据 ,应分析湍流三个方向的强度关系 ,根据分析结果对机组的强度进行校核 。

　　8 建设、运行与维护

　　8. 1 机组安装场址台风风险分析应包括附录 E 的内容 。

　　8.2 对于安装在复杂地形地区的机组 ,应考虑复杂地形和台风风况的叠加效应 ,并根据 GB/T 18451. 1— 2012的规定进行机组结构完整性评估 。

　　8.3 应合理制定机组安装计划 ,避开台风登陆季节 。

　　8.4 应按照 GB/T 25385的规定 ,编制《台风事件应急方案》。

　　8.5 机组应配备完善的现场安全设施和标志 ,标明台风带来的可能危害 。

　　8.6 台风警报解除之前 ,不允许机组自动启动 ; 台风经过后 ,应对机组进行检查 ,并确认风速趋于平稳 、安全的情况下 ,方可启动机组 。

　　8.7 应注意防止高空坠落物的意外伤害 。

　　8. 8 对机组的地基基础 ,应在机组施工期和运行期进行沉降观测 。

　　8.9 在现场条件和资金预算允许的情况下 ,建议沿海风电场场内集电线路采用地埋直敷电缆 。

　　8. 10 应通过对各种气象 、电气 、机械 、系统等参数的长期监测 ,对机组的各种运行性能 、状态 、外部环境数据定期进行分类分析与总结 。

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　中国东南沿海 70 m 高度 50年一遇最大风速和年平均风速分布图

　　A. 1 样本数据

　　分析对象 :2003年以来沿海 111座测风塔观测到的 224个热带气旋个例 。

　　对上述个例按以下定义进行分类 :

　　a) 测风塔距台风中心 100 km 以内 ;

　　b) 风向前后变化超过 150°;

　　c) 风速大于 15 m/s。

　　符合上述条件为热带气旋中心及附近 ,否则为外围 。

　　224个热带气旋个例中 132个为热带气旋中心及附近个例 ,92个为热带气旋外围 。

　　A.2 50年一遇最大风速

　　主要数据来源于东南沿岸气象站和沿海测风塔的热带气旋观测数据 。对收集到的所有沿海气象站观测数据建立 1949 年 ~ 2010 年 热 带 气 旋 最 大 风 速 序 列 , 使 用 Poisson-Gumbel联 合 概 率 分 布 计 算50年一遇最大风速 ;然后使用沿海测风塔风垂直切变结果 ,将其推算到 70 m 高度 。沿海风电场通过气象站与测风塔相关分析推算计算 50年一遇最大风速 。

　　统计以 GB/T 18451. 1—2012的安全等级风速作为参考 ,沿岸气象站最大风速计算结果 、沿海风电场最大风速计算结果绘成图 A. 1,表 A. 1是东南沿海 70 m 高度不同风速段的出现频率 。

　　从图 A. 1 可以看到 ,个别海岛 、海岬风速最大 ,可达 55 m/s~ 57 m/s,浙江和闽北 、闽南 、广东中 、东部及徐闻的大部 分 海 岛 、海 岬 为 超 I类(50 m/s~ 55 m/s) , 沿 岸 基 本 为 Ⅰ 类 , 再 往 内 陆 依 次 为 Ⅱ 类 、 Ⅲ类 。从区域看 ,浙江-闽北 、闽南-广东中东部及徐闻风速大 ,福建中部 、广东湛江和茂名一带 、海南大部分区域次之 。

　　图 A. 1 中国东南部沿海 70 m 高度 50年一遇最大风速分布图

　　由表 A. 1 可以发现 ,54 m/s 的风速可以覆盖所有统计数据的 96% 。

　　表 A. 1 东南沿海 70 m 高度极端风速出现频率

　　A.3 年平均风速分布图

　　综合了沿海测风塔计算的年平均风速绘于图 A.2,可以看到 ,福建中部沿岸最大 ,8.0 m/s~9.8 m/s,浙江中北部沿岸 、广东部分沿岸 、广西沿岸和海南部分沿岸 5 m/s~ 6 m/s,其余 6. 0 m/s~ 7. 9 m/s。

　　图 A.2 70 m 高年平均风速

　　A.4 50年一遇风速与年平均风速的比值

　　在 GB/T 18451. 1—2012 中 ,风力发电机组安全等级 50年一遇最大风速是年平均风速的 5倍 , 台风影响区 50年一遇最大风速年平均风速的比值差别较大(见图 A. 3) ,福建中部 5~ 6 倍 ,浙江北部 、广西6倍 ,浙江中南部 、福建北部 、雷州半岛南部和海南岛北部 8倍 ,其他区域 6~ 7倍 。

　　图 A.3 70 m 高 50年一遇最大风速与年平均风速的比值分布图

　　附 录 B

　　(资料性附录)热带气旋的结构

　　B. 1 热带气旋的尺度

　　一般用大于 6级风圈的长轴表示热带气旋的尺度 ,平均 8. 6个纬距 ,7~ 8 月小台风较多 , 10月大台风较多 。

　　B.2 台风眼

　　强烈的热带气旋的环流中心是下沉气流 ,将形成一个风眼 。 台风眼清晰且呈圆形 ,是发展为台风及强台风的标志 。 眼内的天气通常都是平静无风 、无云 ,甚至时有阳光(但海面仍可能波涛汹涌) 。风眼直径由 2 km~ 370 km 不等 。

　　B.3 风眼墙(或称眼壁)

　　包围风眼的是圆桶状的风眼墙 ,风眼墙内对流非常强烈 ,其云层的高度在热带气旋内通常是最高的 , 降水的强度和风力的强度在热带气旋内也是最大的 。

　　B.4 热带气旋风场

　　热带气旋风场在大洋上大致呈圆对称 , 在北半球其右半边等压线比较密集 ,其风向与行进方向 一致 ,风速右半边得到加强 ,称为 “危险半圆 ”,左半边则风向与行进方向相反 ,风速减小 。

　　B.5 近海热带气旋风场的非对称性

　　热带气旋在靠近陆 地 时 由 于 下 垫 面 的 改 变 , 风 场 更 加 不 对 称,热 带 气 旋 行 进 右 前 方 明 显 大 于 左后方 。

　　附 录 C (资料性附录) 阵风系数

　　C. 1 GB/T 18451. 1—2012的阵风系数

　　GB/T 18451. 1—2012规定了 50年一遇极端风速 Ve50与参考风速 Vref关系的极端风速模型 :

　　公式中的 1. 4通常被称为极大风速模型的阵风系数 。

　　C.2 阵风系数的总体特征

　　使用 A. 1 中 TC 中心及附近的样本数据 ,分析 3 s最大瞬时风速与 10min最大风速的比值 ,分别对陆地和海上阵风系数进行统计(见图 C. 1) ,结果表明 :陆上为 1. 259 9,海上为 1. 196 1,均低于 1. 4。

　　图 C. 1 台风的阵风系数总体特征

　　C.3 阵风系数垂直变化特征

　　图 C. 2 为 15 m/s 以上和 25 m/s 以上阵风系数随高度变化曲线 。可以看到 ,大风情况下阵风系数随高度的升高而减少 ,15 m/s 以上各高度阵风系数分别是 10 m 高度 1. 39, 50 m 高度 1. 26, 70 m 高度1. 26。25 m/s 以上大风的阵风系数 10 m 高度 1. 31,50 m 高度 1. 25,70 m 高度 1. 25。

　　图 C.2 大风情况下的阵风系数垂直变化

　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　影响中国近海的热带气旋统计分析

　　D. 1 登陆热带气旋特征

　　1949年 ~2010年西北太平洋生成热带气旋总计 2 046个 ,年均 33个 ,其中登陆中国大陆共 512个 ,每年平均 8. 3个(见表 D. 1) 。登陆热带气旋中 , 台风及台风强度以上的占 36% 。

　　表 D. 1 1949年~2010年热带气旋频数

　　热带气旋年鉴给出的是每 6 h 的中心最大风速和气压 , 而登陆时间一 般 不 是 在 每 6 h 的 正 点 , 因此 ,如果登陆时间不在每 6 h 的正点 ,统计中登陆热带气旋的强度以登陆前 6 h 正点最大风速为准 。 以GB/T 18451. 1—2012规定的安全等级进行统计 ,登陆热带气旋强度达 Ⅲ类安全风速(30 m/s~ 37. 4 m/s)的登陆地点最北可以到达山东半岛[见图 D. 1a)] ,频数达 5个以上的地点集中在福建以南沿海 ,其中福建中部和北部 、广东西部和海南岛超过 8 个 ; Ⅱ 类安全风速(37. 5 m/s~ 42. 4 m/s) 的 登 陆 频 数 大 为 减少 ,登陆地点集中在上海以南沿海[见图 D. 1b)] ,频数大多不超过 3个 ,仅海南的文昌达到 9个 ; Ⅰ 类安全风速(42. 5 m/s~49. 9 m/s)发生在浙江南部以南沿海[见图 D. 1c)] ,频数多为 1 个 ,最多的是粤西的阳江 、海南的文昌和三亚 ,分别为 2 个 ;超 Ⅰ 类安全风速(≥50 m/s) 的登陆频数海南琼海最多 3 个[见图 D. 1d)] ,其余为 1个 ,其中浙江象山和乐清 、福建福鼎 、海南琼海的登陆台风出现年代基本为 20世纪50年代 ,浙江三门 、福建霞浦 、晋江和广东惠来为 20世纪 60年代 ,这些时期的台风强度普遍偏强 。

　　图 D. 1 基于 GB/T 18451. 1—2012风力发电机组安全风速等级的登陆频数

　　D.2 不同台风路径风电场风速、风向和气压演变

　　分析了收集到的 100多座测风塔的台风个例 , 以及香港横栏岛 1978年以来的台风个例 ,发现各种台风路径下测风塔的风向 、风速的变化 ,与测风塔位于台风前进方向的象限有关 , 而与台风的强度和移动路径无关 。

　　风电场位于台风中心移动路径的右侧 ,风电场先后遭遇台风前部的最大风速区 、台风眼 、台风后部的最大风速区 ,风速呈双峰型[见图 D. 2a)] , 当台风登陆后快速减弱 , 台风后部的峰值会不明显 ,风速呈单峰型 ;风向呈顺时针变化 ,N-NE-E-SW ,变化角度超过 150°;气压呈漏斗状 ,登陆期间最低 。

　　图 D.2 风电场位于台风中心附近不同位置风向、风速、气压演变图(70 m 高度)

　　风电场位于台风中心移动路径的左侧 ,风电场先后遭遇台风前部的最大风速区 、台风眼 、台风后部的最大风速区 ,风速呈双峰 型 , 当 台 风 登 陆 后 快 速 减 弱 , 台 风 后 部 的 峰 值 会 不 明 显 , 风 速 呈 单 峰 型[见图 D. 2b)] ;风向呈逆时针变化 ,NE-N-NW-W-WSW ,风向变化角度超过 150°;气压呈漏斗状 ,登陆期间最低 。

　　D.3 台风影响持续时间分析

　　图 D. 3是我国沿海不同地区每次受台风影响的平均时间 。对观测的热带气旋记录 , 以测风塔(站点)10 min平均风速第一次大于 15 m/s作为影响该塔(点) 的开始时间 ,最后一个 10 min平均风速大于 15 m/s时刻作为影响结束时间 。

　　图 D.3 沿海测风塔观测的台风影响持续时间

　　附 录 E

　　(规范性附录)

　　风力发电机组安装选址台风风险分析

　　E. 1 机组安装场址在台风影响区域内 ,前期测风时应再增加一套强风仪 ,其 :

　　● 安装高度 70 m~ 90 m ,在预计轮毂高度普通风速仪的上方或下方 ;

　　● 最大量程 80 m/s 以上 ;

　　● 采样频率 1 Hz,数据采集器配适当容量的数据存储卡 ,采用合适的记录方式 ,并能够完整记录台风数据 。 台风影响过后收取数据卡 , 以便于后期分析使用 。

　　E.2 台风影响区域沿海及海上风电场项目可行性研究报告中应包括台风风险分析 ,分析内容至少(但不限于)包括 :

　　● 统计范围 : 以风电场为中心 ,周边 100 km 范围内有记录以来的热带气旋 ;

　　● 分析内容 :各强度热带气旋出现频数 、路径特征 ,影响风电场范围内的最大风速和最低气压 , 台风影响过程的平均 、最长 、最短影响小时数(风向变化大于 150°, 风速持续大于 15 m/s) , 降雨量 ,最强台风个例分析 ;

　　● 风速统计级别 : ≤25 m/s; 25. 1 m/s~ 37. 4 m/s; 37. 5 m/s~ 42. 4 m/s; 42. 5 m/s~ 50 m/s; >50 m/s;

　　● 台风影响范围内测风塔数据分析 : 收集台风影响范围内测风塔数据 ,分析台风影响期间风向 、风速变化 ,大风情况下湍流强度 、垂直切变 、阵风系数 ;

　　● 若有三维超声观测数据 ,应分析三维湍流强度 、风攻角 、湍流尺度 、湍流谱等 ;

　　● 场址的不同重现期最大风速计算 ,可采用多种概率统计方法计算 :

　　1) 通过相关分析的方法将风电场附近气象站长序列最大风速推算为风电场最大风速 ,采用极值 I型和 Weibull概率模型计算风电场不同重现期最大风速 ;

　　2) 直接利用影响风电场范围内热带气旋最大风速序列 ,采用 Poisson-Gumbel联合分布计算风电场不同重现期最大风速 ;

　　3) 应用 Monte-Carlo方法模拟台风 ,建立台风年最大风速概率分布 ,推断各重现期风速 。

　　附 录 F

　　(资料性附录)台风的湍流特性

　　F. 1 σE 、σσ 特征

　　GB/T 18451. 1—2012对湍流的描述见式(F. 1) ~式(F. 4) :

　　σ1 = Iref(0. 75×Vhub + 5. 6) ……………………( F. 1 )

　　σE = Iref(0. 75×Vhub + 3. 8) ……………………( F. 2 )

　　σσ = 1. 4Iref ……………………( F. 3 )

　　σ1 =σE +λσσ ……………………( F. 4 )

　　式中 :

　　σ1— 轮毂高度处纵向风速标准偏差 ;

　　σE— 风速平均标准差 ;

　　σσ —σ1 的标准差 。

　　为了保证结果的稳定性和可信度 ,对附录 A. 1 提到的台风观测过程样本在 11 m/s~ 26 m/s风速段实际 σE 和 σσ 建立线性拟合曲线(见图 F. 1) 。可见实测 σE 线性拟合线和 GB/T 18451. 1—2012 的 σE线很相似 ,都随风速的增大而增大 ,斜率相差 0. 01;实测 σσ 与 GB/T 18451. 1—2012 的 σσ 稍有差别 ,实测 σσ 随风速略有增大 ,但斜率仅 0. 004 7,可以忽略 ,但实测 σσ 截距远大于 GB/T 18451. 1—2012的 σσ ,这反映了台风风速变幅大的特点 。

　　图 F. 1 GB/T 18451. 1—2012和台风实测 σE 、σσ 的比较

　　F.2 不同地形对湍流强度的影响

　　图 F. 2是台风影响期间 , 区分陆上环境和海上环境分别统计的台风中心及附近 70 m 高度处的湍流强度 。从图 F. 2 可以看到 ,与 GB/T 18451. 1—2012 比较 ,海上湍流强度 95%分位数曲线不超过 C类 。然而陆上差异较 大 , 湍 流 强 度 90%分 位 数 曲 线 在 19 m/s~ 26 m/s 稍 高 于 A 类 , 95%分 位 数 曲 线 在15 m/s~ 27 m/s 明显高于 A类 。

　　注 : 图中的标记“IEC 61400-1 Ed. 3”等同于 GB/T 18451. 1—2012。

　　图 F.2 陆上、海上湍流强度随风速的演变特征

　　进一步根据不同地形和下垫面对观测数据进行分类 , 陆上各种地形和下垫面按如下标准区分 : 山地 ,测风塔位于海拔高度 300 m 以上的山地 ;丘陵 ,测风塔位于海拔高度 100 m~ 300 m 的丘陵地带 ; 防风林 ,测风塔周边有沿岸防风林 ;平坦地 ,测风塔周边开阔平坦 。 沿用 GB/T 18451. 1—2012 的参数规定和表达形式 ,各地形湍流强度 90%和 95%分位数 Iref相应的分布如图 F. 3,可以看到 , 山地地形湍流强度很大 ,远远超过 GB/T 18451. 1—2012 的 A 类 , 丘陵 95%分位数稍大 于 GB/T 18451. 1—2012 的A类 ,平坦地 、防风林和海上不超过 GB/T 18451. 1—2012 的 A 类 。 因此 ,建议在台风影响区应根据地形考虑不同类型级别 。

　　注 : 图中的标记“IEC 61400-1 Ed3”等同于 GB/T 18451. 1—2012。

　　图 F.3 台风影响下不同地形 90%和 95%分位数湍流强度的 Iref参数

　　F.3 湍流三个分量的特征

　　GB/T 18451. 1—2012定义的湍流模型中 ,纵向湍流标准差 σ1、横向湍流标准差 σ2 和竖向湍流标准差 σ3 之间的关系见式(F. 5)和式(F. 6) :

　　σ2 = 0. 7σ1 ……………………( F. 5 )

　　σ3 = 0. 5σ1 ……………………( F. 6 )

　　利用安装在中国东南沿海的测风塔观测到的 2009年 ~ 2012年的 9 个台风过程 10个观测个例数据 ,风速仪为三维脉动风温仪(英 国 Gill公 司 生 产 的 Wind Master Pro) , 分 析 计 算 σ1、σ2、σ3、σ1/σ2 和σ3/σ1 (见表 F. 1) ,过程平均湍流标准差见式(F. 7)和式(F. 8) :

　　σ2 = 0. 86σ1 ……………………( F. 7 )

　　σ3 = 0. 51σ1 ……………………( F. 8 )

　　可以看到 ,σ3 与 σ1 的关系几乎没有改变 ,σ2 与 σ1 的关系由 0. 7增加到 0. 86。

　　表 F. 1 不同热带气旋个例三个方向湍流强度比值

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 19201—2006 热带气旋等级

　　[2] FD 002—2007 风电场工程等级划分及涉及安全标准(试行)

　　[3] FD 003—2007 风电机组地基基础设计规范(试行)

　　[4] 陈联寿 ,丁一汇 . 台风概论 . 北京 :科学出版社 ,1979.

　　[5] Stork CHJ,ButterfieldCP, HolleyW ,Madsen PH ,Jensen PH. Wind conditionsforwind tur- bine design proposals forrevision ofthe IEC 1400-1 standard.JournalofWindEngineering&Industrial Aerodynamics1998;74-76:443-454.

　　[6] Gunner Chr. Larsenl, Kurt S. Hansen. Rational calibration of four IEC 61400-1 extreme ex- ternal conditions.Wind Energy,Volume 11,Issue6,pages685-702.