鉴衡认证风能事业部蔡继峰：IEC体系风资源相关标准解读

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月22日下午，举办了“风资源精细化评估”论坛。鉴衡认证风能事业部副总经理蔡继峰发表了题为《IEC体系风资源相关标准解读》的主旨演讲。

以下为发言内容：

蔡继峰：谢谢大家，很高兴有机会跟大家见面了。今天我想分享一下在IEC标准中关于风资源的一些要求。其实我们一直说不同风机的人很难做好风资源，今天我分享会从跟风资源有关的，又跟机组设计相关的一些内容做一些连接以及我们在做风资源的时候会关注的一些问题。这是我的一些汇报主要内容，先看现有标准是个什么情况。我把这个跟风资源有关的标准现在放在一起了，首先要看一1的标准，首先是机组设计条件，第二是场址适应性评估，适应性评估指的是我有一个机组设计，那么这个场址能够满足我机组安全运行的要求，是这个工作，这个工作又一分为二，场址条件怎么样，第二再做适应性分析，场址条件怎么样，其实我们在风资源的时候可能主要在这方面，这是我们国内风资源标准比较关注的一个点。目前国际上有一个—15正在编，完成了一部分工作，它也是从场址适应性的角度，这两块工作给出了一些指导。—1给出的我要什么样的风资源参数，来进行基础设计，—15和国内这个标准给出了如何获取这些风资源的参数，是这么一个关系，因为这两个标准核心其实都是在干这些事情，那我今天分享这是从这些事情来看，标准给出什么样的指导。

先看—1，因为—1是风电机组设计标准，这是2005版，今年刚发布了2019年也就是第四版，第一版是1994年很少有用，1999版在国内统治到2010年左右，从2013年开始主要用2005先，现在2019年版发布了，希望2020年就开始大规模使用新版标准。这个标准中给出了风资源两个定义，一个是平均风速或者叫参考风速，第二是湍流等级，在第四版把台风等级加进去了，台风等级加进去之后，它和平均风速5倍关系打破了，所以从两个参数到三个参数，现在有有湍流强度、参考风速和年平均风速确定，这里台风高级和高湍流度等级的加入，其实中国国内，中国气象局，中国的一些复杂地形的一些数据，在这个标准制定过程中提供很好的支撑作用。

有了这个方案之后，要做基础设计的话就要有一个设计工况，那设计工况有两部分组成，主要两部分，风况条件和机组状态，它们组合形成了我们这个设计工况，用这个设计工况来进行载荷计算，这个计算载荷来进行湍流分析。这是一些风况，这是机组的状态，对于这些经常反复发生的事件，主要是做疲劳损伤的分析，对于一些极端情况是做极限载荷分析。这是正常湍流风模型，大家可能看了很多，我就不展开了，这是极端湍流风模型，这个模型在以前标准中其实没有被强调指出来，这个是干嘛的呢？我通过正常的分模型进行大量的仿真来外推到50年一遇的情况，这样能得到50年一遇的载荷，但是这时候它是一个正常的风模型，就是我在重新构建一个极端的风模型，让它算出来载荷，能够大于等于这个50年一遇的载荷，这意味着我这个极端风模型就是一个50年一遇的载荷风模型，可以这么理解，我们找到了一个50年的湍流风模型，这在后面会用到。

第三个是EOG，我们可能天天都见到这个，这个里面我想提一点就是它幅值是跟风速标准差有关的，也就是湍流强度，湍流长度跟风度特别有关系。下一个是EDC，这个风向变化也可以看到里面参数也是有这个，所以也跟湍流长度成正比。这是一个ECD，极端伴随着风向的变化，这个我想单独强调一下，它这个公式，它也是风速变化，有方向变化，但是你看到风速变化的是15米每秒，风向变化里面的参数和湍流长度完全没有关系，这意味着什么？这是一个跟风资源条件完全无关的风况，完全无关就意味着所有场地我都是这么考虑的，换个角度来说，我一定是用一种很保守的方式把所有的场地都涵盖了。为什么呢？也是因为当时风资源分析的时候要得到这个风况比较困难，所以也趁这个机会，在这个风况下，希望所有风资源同仁，能够群策群力，想到一些数据处理方式，看如何让这个幅值降下来？中国这么复杂，有复杂地形，有平坦地形，这个值一定是过高的，但到底降到什么程度，现在没有任何依据，也降不下来。这个工况从载荷分析来说，它会带来两个问题，一个是塔架近空，塔架近空的最小值经常会出现在这个状况下，第二是主轴和PM系统强度分析的时候，极限载荷容易出现在这个风况，所以这两点都是制约着叶片生产和主轴厂，轴线的一个很关键的状况，也希望大家想想办法。

这是一个极端风速模型，极端风速模型它有两种表达方式，一种是10分钟平均值，就等于参考风速，一年一遇是它的0.8倍，三秒极值是1.4倍，那看完这个时候，湍流强度基本上就跟每一个风控都有关系，所以在做风资源关系的时候，湍流长度非常重要，极大的影响了我们机组设计载荷。

机组是这么设计的，那么风资源分析的时候如何来做这个适应性分析呢？在—1也给了一些很多的方法，咱们来看一下，这是场址适应性流程，先确定风场条件，再对参数够不够用，参数不够用了，可能就载荷的强度分析，看它还行不行，如果发电计算出来的强度用不了，那可能需要做些工作。那么看我们关心的几个，第一个50年一遇极端风速，50年一遇极端风速在2005版的时候，只给了一个我要外推到50年一遇，给出个50年就行了，在第四版的时候，额外提了一个要求，我需要关注年最大风速的变异系数，什么叫变异系数？即就是一个值的标准差除以它平均值，其实湍流强度，就是风速的一个变异系数，湍流强度，所以这个是一模一样的。变异系数大了之后，我的安全系数可能就不够用了，因为这个在规划的时候，假定按变异系数15%，如果超过15%，那我之前的安全系数往往上调，但是我们是做风资源的，所以工况设计可能也不知道，那怎么办？我提前把风速调大就可以了，把风速往上调一些，怎么调呢？因为风压和风速成正比，载荷也跟风压成正比，那么我就按平方的关系，把风速乘上根号数的关系往上乘。举个例子，如果变异系数30%的话，那相对15%，需要把安全系数上调1.15，这时候我把风速上调根号下1.15就可以了，这样在做后续分析的时候，只要拿后50年一遇的风速去做后续的分析就行了。

第二个是湍流结构修整，这有点类似？在设计的时候断流的三个方向其实有一个设计的比值，我们现在用的这个一般是1：0.8到0.5，如果地形复杂的时候，大的时候之前设计的风况就不能用了，有两种方法，一个是做计算的时候把它改了，提前把湍流强度做个修整，用这个公式，包括了修整后的湍流强度矢量和不变。如果你有足够的测试数据，把这个比值算出来，也不需要按这个修整，如果没有的话就按照地形等级来修整，首先对这个地形拟合一个最贴近的思路，有了这个层面之后得到高跟差，最后根据这个档次取最大值，最大的档次为后续扇形的处理。

刚才提到两点现在几乎所有的报告里面我都没有看到有人做这个事情，而且我做了一个项目的统计发现十几个项目它的COV平均在10%，最大12%，最小6%，确实没有15%这么严格，我相信大家手里有超过15%的那就低谷了。这个公式大家可能也经常见到，其实这个实质是各扇区如何在合成？合成的时候大家可能会知道有一个指数，这个是材料系数，有人可能觉得奇怪，我把材料等效疲劳公式拿过来，看这个公式，这个公式里面一个载荷M2，然后乘上它的循环次数，再乘上这个参考次数，这个P是概率，概率相当于是它的累计次数，累计次数乘上一个，就是这个概率，所以它们之间是同一个公式，做了什么事情呢？都做了某一个参数M2方的平均，在做这个事情，为什么这么做呢？这个M值就是为了说我用12个扇区累计疲劳的话，相当于合成后的这一个来算疲劳，来做疲劳的等价，这样一来的话其实我们出这个结果的时候，其实不要再直接出一个结果了，应该根据基础材料系数来取一下，现在叶片以后是9到10，然后塔架的话3大5，一般力度推荐可能就用10和4，所以出的时候最好是出M的1，因为1是极限，M=4、M=10三个值。现在我看很多做的时候直接是M=10，因为这个从公式数据上证明，M值越大，M一平均这个值会越大一些，所以M=4大于M=10，用更大的去做校核也没问题，建议还是用M等于4，让基础设计的同时有更多的空间来降本。

这是我汇总的最后做校核关注的点，第一是风速不能超，第二个是湍流强度在0.6倍的额定风速到1.6倍的不能超，第三个要检验极端湍流，按这个公式能力涵盖之前算的，这一步没有任何人做过。接下来几个就是因为极端情况下不会超过设计那么大的值，作为空气密度等于来说用等效风压修正的方式就不展开了。

对于疲劳来说，我们发现考虑疲劳的时候关注的是累计概率，对于极限的时候考虑是额定风速，对于疲劳考虑的时候，它要求这个范围之内也是不能超，要求风频不能超，这个公式是什么意思呢？怎么判断风率不能超有一个简单方法，峰值这样在这个范围内不会超。对于疲劳的时候它也发现一般来说加权平均的时候有能量法，这里是用能量法来进行加权平均，当然这里面所有的结果都是要考虑尾流的。

最后看一下—15—1的情况，—15标准是2013年成立工作组的，所以这个工作组想做这么一个标准，所以就成立了，这个工作组有20多家主流机构长期参与，在中国主要有金风科技和金风认证参与比较多，旨在完善和规范风电风资源评估、场址适应性、发电量评估。这个标准预计在明年的时候用于投票版的草稿版，剩下一些工作模块可能还需要两年左右一个工作周期。

这是一个草稿版的目录，关键第五章，关于一些主要内容大家可以看一下，这里对50年一遇极端风速提了一下，对容易发生这种极端事件数据要找出来，不要混在一起，因为背后的场景是不一样的，单独拿出来。还有带台风50年一遇极端风速目录也可以看一下，它用两套外推方式，最后合并，这块可以注意一下。另外注意垂直外推提到最大0.1%的数据技术风剪切，这个问题这是这样的，极端风况下，它分解会小一点，如果用平常的可能会大了，总沉稳来说可能高估了一下，所以这一块也是有一定空间来降本的。

湍流强度主要是说经常会有测不到大风数据，在没有大风的时候有两种方式，有前面提到的湍流公式推，第二种方式使用最大风速的湍流强度作为后续所有风速下的湍流度。垂直外推，由于风的湍流很大程度是地表粗糙度带来的，所以下部的标准差会大于等于上边的标准差，所以往上推的时候可以保持标准差不变。水平外推跟粗糙度有关，不多说了。

其他的参数在这个标准中主要也是一些我们比较常见的方法，要进行MCP的订正，这些也不展开了。最后作为小总结，现在确实都说懂风的人才能更好做好风资源，需要有一个从资源角度有一个更全面的设计标准来推动我们工作。在没有之前，尤其整机厂，风资源工程师与机组设计团段可以更密切合作，可以跟整机厂多一些合作，把这一块合作做的更有用一些，谢谢大家。

肖罗生：谢谢蔡总，也带来了很多IEC风资源标准方最新的一些情况，带来一些很多机密性的资料，大家有没有什么问题？

男1：想问一下场址适应性分析极端湍流风是怎么算的？

蔡继峰：是这样的，这个公式，首先看的都是这个，它等于这个，用当地的这个湍流度平均值，这个是标准差的平均值，标准差的标准差乘一个，这个又等于这个公式，不同的风速不一样，也就是说它就是平均值加上2到5倍的标准差得到的，这个值比1.28大很大，最小的时候2点几，最大5点几，涵盖当前样本更高了，这个我没算过，可能是百分之9.几几的一个，就是用这个公式算出来。

男1：好，谢谢。

女1：刚才说的向上推的时候，那个有没有限制条件？

蔡继峰：这个目前限制条件，这个随时再改，你们有什么建议意见我可以带过去，也就是说已经验证过的120米下都验证过了。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）