JB/T 10300-2001 风力发电机组 设计要求

ICS27.180

F11

JB/T10300－2001

风力发电机组设计要求

Windturbinegeneratorsystem—Designrequirements

2001-08-23发布2001-12-01实施

中国机械工业联合会发布

JB/T10300－2001

目次

前言

1范围····················································································································································································································1

2引用标准·········································································································································································································1

3术语、定义、符号、缩略语及坐标系··········································································································································1

4一般要求·········································································································································································································8

5详细要求·······································································································································································································10

6使用说明·······································································································································································································52

附录A（标准的附录）描述S级风力发电机组用的设计参数·························································································53

附录B（标准的附录）随机湍流模型··············································································································································55

附录C（标准的附录）确定的湍流说明·········································································································································57

附录D（标准的附录）简化设计载荷··············································································································································58

I

JB/T10300－2001

前言

本标准是根据1999年版IEC61400–01/E2《风力发电机系统第一部分安全性要求》和1993年

生效的德国劳埃德协会《风能转换系统合格审定条例》，并参考国内相关标准及资料，结合我国实际情

况编写而成的。

本标准的附录A、附录B、附录C、附录D都是标准的附录。

本标准由全国风力机械标准化技术委员会提出并归口。

本标准起草单位：中国航空工业第二集团公司第六零二研究所。

本标准主要起草人：杨俊严、褚静华、陈知义、徐有成、孙如林、庄岳兴。

本标准是首次制定。

III

中华人民共和国机械行业标准

风力发电机组设计要求JB/T10300－2001

Windturbinegeneratorsystem—Designrequirements

1范围

本标准规定了风力发电机组的设计要求，其内容涉及风力机的环境条件、载荷确定、结构和系统设

计以及噪声控制、安装与维修等。

本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于40m2的风力发电机组设计，包括其全部有关的部件和各个

子系统，例如风轮叶片、轮毂、机舱、塔架和基础、控制和保护系统、电气系统等。

2引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均

为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GB/T6391—1995滚动轴承额定动负荷和额定寿命的计算方法

GB/T12467.3—1998焊接质量要求金属材料的熔化焊第3部分一般要求

GB/T12469—1990焊接质量保证钢焊化焊接头的要求和缺陷分级

GB/T4662—1993滚动轴承额定静负荷

GB9969.1—1998工业产品使用说明书总则

GB17646—1998小型风力发电机组安全要求

GB/T19001—2000质量管理体系要求

JB/T10194—2000风力发电机组风轮叶片

IEC61400–1/E2∶1999风力发电机系统第一部分安全性要求

IEC6100–11噪声

IEC60721–2–1∶1982环境条件分类第二部分自然环境条件：温度和湿度

IEC61400–24∶1999结构防雷击保护第一部分通则

ISO2394∶1986结构可靠性通则

3术语、定义、符号、缩略语及坐标系

3.1术语及定义

3.1.1年平均

一组足够规模和足够长时间测量数据的平均值，用于作为数量期望值的估计。时间周期应是一个完

整的年数，以便在季节性非稳定影响之外进行平均。

3.1.2年平均风速

按照年平均定义确定的平均风速。

3.1.3锁定（对风力机）

中国机械工业联合会2001-08-23批准2001-12-01实施

1

JB/T10300－2001

利用机械销和其他装置（与普通机械刹车不同）来防止部件运动，例如风轮轴或偏航机构。

3.1.4灾难性故障（对风力机）

部件或结构的解体或破坏，其结果将导致重要功能丧失而降低安全性。

3.1.5复杂地形

风电场地貌有明显变化的周围地形和会引起气流畸变的地面障碍物。

3.1.6控制系统（对风力机）

接收风力机状态和（或）其环境条件信息以及调整风力机使其保持在运行限制范围之内的一种子系

统。

3.1.7固有故障（又称潜在故障）

在正常运行期间，零部件或系统存在的未被发现的故障。

3.1.8顺风

沿主风矢量方向的风。

3.1.9电网

为传输、分配电力而特有的装置、变电站、电线和电缆。

注：该网各部分的界面由适当的准则，例如地理位置、所有权、电压等确定。

3.1.10极端风速

按t秒平均的最高平均风速。它是所规定N年时间周期（重复周期为N年）内，很可能遇到的风

速。

注：本标准采用重复周期N=50年和N=1年及平均时间间隔t=3s和t=10min。往往采用欠严谨的术语“存活风速”，

但是对设计载荷情况本标准使用极端风速设计风力机。

3.1.11破损–安全

项目的一种设计特性，具有这种特性可防止其破损而引起临界故障。

3.1.12阵风

一种风速瞬间变化的风。

注：阵风可以用它的增强时间、幅值和持续时间来表征。

3.1.13轮毂高度（对风力机）

风力机风轮扫掠面积中心距地面的高度（扫掠面积见1.3.39）。

3.1.14空转（对风力机）

风力机慢速旋转而不发电的状态。

3.1.15湍流惯性副区

风湍流谱的频率间隔，在此间隔内气团达到各向均匀后，其旋转运动不断减弱，并有微小的能量消

耗。

注：对典型的10m/s风速，其惯性副区大致为0.02Hz到2kHz。

3.1.16隔离运行

当脱离电网后，电力系统的独立部分长时和短时运行。

3.1.17限制状态

结构和作用在结构上的载荷的一种状态，超出此状态时结构不再满足设计要求（ISO2394）。

2

JB/T10300－2001

注：设计计算（即限制状态设计要求）的目的在于使限制状态的概率保持低于为所研究结构型式规定的某个值

（ISO2394）。

3.1.18对数风切变定律

见风廓线（3.1.46）。

3.1.19最大功率（对风力机）

在正常运行情况下，风力机发出的净电功率的最大值。

3.1.20平均风速

对风速瞬时值按给定时间周期平均的统计平均风速，时间周期可以从几秒到许多年。

3.1.21机舱

位于水平轴风力机塔顶而容纳驱动–传动和其他元件的结构空间。

3.1.22电网连接点（对风力发电机组）

单台风力机或风电站电缆的终端同场站电力汇集系统电力总线的连接点。

3.1.23电力汇集系统（对风力发电机组）

汇集一台或多台风力机功率的电力连接系统，它包括连接风力发电机组终端和电网连接点之间的所

有电气设备。

3.1.24风切变幂定律

见风廓线（3.1.46）。

3.1.25输出功率

为了特定的目的，一种装置以特定的形式产生的功率。

注：（风力机）在任何时间，由风力发电机组所产生的电能。

3.1.26保护系统（对风力机）

保证风力发电机组保持在设计限制内的系统。

3.1.27瑞利分布

一种概率分布函数，见风速分布3.1.47。

3.1.28参考风速（Vref）

为定义风力发电机组等级而采用的一个基本极端风速参数，由参考风速和其他基本风力发电机组等

级参数可导出其他设计相关气候参数（见5.2）。

注：以参考风速定义风力发电机组等级的风力机，应设计成能经受在风力机高度处重复周期为50年的极端10min

平均风速的气候条件，此极端平均风速应小于或等于参考风速Vref。

3.1.29共振

在一个振动系统内，当强迫振动周期非常接近自由振动周期时出现的一种现象。

3.1.30旋转抽样风速

在旋转风力机风轮固定点所经受的风速。

注：旋转抽样风速的湍流谱和正常湍流谱有着明显不同。当旋转时，叶片切穿空间变化的风流，因此最后得到的湍

流谱在旋转频率和相同谐波含量方面将有很大的差异。

3.1.31粗糙度长度

如果假设垂直风廓线随高度呈对数变化，则可外推出平均风速等于零的高度。

3

JB/T10300－2001

3.1.32安全寿命

具有公认灾难性破坏概率的规定使用寿命。

3.1.33计划维修

根据制定的时间计划进行的预防性维修。

3.1.34可使用限制状态

符合正常使用管理职能准则的限制状态（ISO2394）。

3.1.35正常关机（对风力机）

一种通过控制系统控制来实施所有关机步骤的关机。

3.1.36停止

使风力机停止运行的状态。

3.1.37支撑结构

风力机塔架及基础部分。

3.1.38存活风速

所设计结构应能承受最大风速的一个常用名称。

注：本标准不用此名称，设计状态用极端风速（见3.1.10）替代。

3.1.39扫掠面积

风轮旋转一周形成的面积在垂直风向平面内的投影。

3.1.40湍流强度

风速标准差与平均风速之比，它可以根据在一规定时间周期内用同组风速测量数据子样确定。

3.1.41湍流尺度参数

2

无量纲纵向功率谱密度fS1（f）/σ1=0.05时的波长。

2

注：此波长可定义为∧1=Vhub/f0，式中f0S1（f0）/σ1=0.05。

3.1.42极限限制状态

通常对应最大承载能力的限制状态（ISO2394）。

3.1.43非计划维修

不是根据制定的时间计划，而是在接到所关注的某一项目状态的通知后进行的维修。

3.1.44逆风

方向与主风矢量相反的风。

3.1.45威布尔分布

一种概率分布函数，见3.1.47风速分布。

3.1.46风廓线–风切变定律

假定风速随离地面高度变化的数学表达式。

通常使用的风廓线是对数风廓线（1）或幂定律风廓线（2）：

V（z）=V（zr）·ln（z/z0）/ln（zr/z0）……………（1）

α

V（z）=V(zr)·(z/zr)………（2）

式中：V（z）——高度z处的风速；

z——离地高度；

4

JB/T10300－2001

zr——调整风廓线用的离地参考高度；

z0——粗糙度长度；

α——风切变（或幂定律）指数。

3.1.47风速分布

一种概率分布函数，用于描述在一持续时间周期内的风速分布。

通常使用的分布函数是瑞利PR（V0）和威布尔PW（V0）函数。

2

PR（V0）=1–exp[–π（V0/2Vave）]……………（3）

k

PW（V0）=1–exp[–（V0/C）]

CΓ()1+1/k

而Vave=1/2………（4）

Cπ/2，若k=2

式中：P（V0）——累积概率函数，即V＜V0的概率；

V0——风速（限制）；

Vave——V的平均值；

C——威布尔函数的比例参数；

k——威布尔函数的形状参数；

Γ——伽马函数。

C和k可根据真实数据估算。

若选择k=2，则瑞利函数与威布尔函数完全相同；对k=2，C和Vave满足方程式（4）中规定状态。

分布函数表示风速小于V0的累积概率。这样，若在规定的限制风速V1和V2之间估算，则

[P（V1）–P（V2）]将表示风速在这两个限制范围内的时间部分。微分这两个分布函数便得出相应的概

率密度函数。

3.1.48风切变指数

也称为幂定律指数，见3.1.46。

3.1.49风速

一空间规定点的风速是此规定点周围微量空气运动的速度。

注：风速也是当地风速矢量的大小（见3.1.51）。

3.1.50风力发电机组

将风的动能转化成电能的系统。

3.1.51风速矢量

所研究点周围微量空气运动方向上的一矢量点，此矢量大小等于该空气微团的运动速度（即当地风

速）。

注：在任何一点的矢量是通过此点运动的空气微团位置矢量的时间导数。

3.1.52风力发电机组的电气系统

风力发电机组内的所有电气设备，直至和包括该系统的各个接线端，包括接地、搭铁和通讯设备。

还包括风力发电机组自身的导体，这些导体专门用于为其提供接地网。

3.1.53风力发电机组导线接头

由风力发电机组供应商确定的一个或几个点，在这些点可把风力发电机组接入电力汇集系统，这些

5

JB/T10300－2001

接头还包括能量转换和通讯接头。

3.1.54偏航

风轮轴绕垂直轴转动（仅对水平轴风力机而言）。

3.1.55偏航角误差

风力机风轮轴偏离风向的水平偏差。

3.2符号和缩略语

3.2.1符号和单位

A湍流标准差模型斜率参数[–]

C威布尔分布函数的比例参数[m/s]

Coh相关函数

D风轮直径[m]

f频率[s–1]

材料强度设计值

fd[–]

材料强度特性值

fk[–]

载荷设计值

Fd[–]

载荷特性值

Fk[–]

10min平均风速为15m/s时的轮毂高度湍流强度特性值

I15[–]

k威布尔分布函数形状参数[–]

К改进的贝塞尔函数[–]

L各向同性湍流积分比例参数[m]

相关比例参数

Le[m]

速度分量积分比例参数

Lk[m]

第级载荷的计算疲劳循环次数

nii[–]

N（.）疲劳破坏循环次数，它是以应力或应变作为自变量的函数[–]

（即S–N特性曲线）

N极端情况重复周期[a]

p存活率[–]

PR（V0）瑞利概率分布，即V＜V0时的概率[–]

PW（V0）威布尔概率分布[–]

r独立矢量投影的大小[m]

与第i级载荷计算循环次数相一致的应力（或应变）水平

si[–]

22

S1（f）功率谱密度函数[m/s]

单侧速度分量谱22

Sk[m/s]

T阵风特性时间[s]

t时间[s]

V风速[m/s]

V（z）高度为z的风速[m/s]

6

JB/T10300－2001

在轮毂高度的年平均风速

Vave[m/s]

Vcg在整个风轮扫掠面积上的极端相关阵风幅值[m/s]

预期的极端风速（3s平均风速），其重复时间间隔为N年；

VeN[m/s]

1年和50年一遇的风速分别为Ve1和Ve50

预期的重复周期为N年的最大阵风幅值

VgustN[m/s]

轮毂高度的10min平均风速

Vhub[m/s]

切入风速

Vin[m/s]

风速分布模型中的限制风速

V0[m/s]

切出风速

Vout[m/s]

额定风速

Vr[m/s]

10min平均参考风速

Vref[m/s]

V（y，z，t）描述瞬时水平风切变的纵向风速矢量分量[m/s]

V（z，t）描述极端阵风和切变状态瞬时变化的纵向风速矢量分量[m/s]

x，y，z描述风场用的统一坐标系，x，y，z分别为沿着风向（纵向），垂[m]

直风向（横向）和高度方向

风力机的轮毂高度

zhub[m]

离地面参考高度

zr[m]

对数风廓线的粗糙度长度

z0[m]

α风切变幂定律指数[–]

β极端风向变化模型参数[–]

δ变异系数[–]

Γ伽马函数[–]

γf载荷局部安全系数[–]

γm材料局部安全系数[–]

γn破坏后果局部安全系数[–]

θ（t）风向的瞬间变化[°]

θcg在阵风情况下偏离平均风速方向的最大偏转角[°]

θeN重复周期为N年的极端风向变化[°]

2

∧1湍流尺度参数，规定它等于无量纲纵向功率谱密度fS1（f）/σ1[m]

为0.05时的波长

σ1轮毂高度纵向风速矢量标准差[m/s]

σ2轮毂高度侧向风速矢量标准差[m/s]

σ3轮毂高度垂直风速矢量标准差[m/s]

σi第i个轮毂高度风速矢量分量标准差（i=1,2或3）

σk疲劳强度特性值

3.2.2缩略语

A非正常（对局部安全系数而言）

7

JB/T10300－2001

a.c.交流电

C可使用限制

d.c.直流电

DLC设计载荷情况

ECD方向变化的极端相关阵风

ECG极端相关阵风

EDC极端风向变化

EOG极端运行阵风

EWM极端风速模型

EWS极端风切变

F疲劳

HAWT水平轴风力机

N正常和极端（对局部安全系数而言）

NWP正常风廓线模型

NTW正常湍流模型

S特殊IEC风力发电机组等级

T运输和吊装（对局部安全系数而言）

U极限

WTGS风力发电机组

3.3坐标系

3.3.1叶片坐标系

叶片坐标系的原点在叶片根部且随风轮旋转，XB轴的正向顺着风向，ZB轴沿叶片径向，指向叶

尖，YB轴方向按右手坐标系法则确定。

3.3.2轮毂坐标系

轮毂坐标系的原点在转动中心且不随风轮转动，XH的正向顺着风，ZH轴垂直向上，YH轴方向按

右手坐标系法则确定。

3.3.3塔架坐标系

塔架坐标系的原点在风轮旋转轴线和塔架的中心线的交点，且不随风轮转动，XT轴顺着风向，ZT

轴垂直向上，YT轴方向按右手坐标系法则确定。

4一般要求

4.1总则

在规定外部条件、设计工况和载荷情况下，应保证风力发电机组在其设计使用寿命期内安全正常地

工作。

本标准要求采用结构动力学模型、5.2.3规定的湍流和其他极端风况，以及5.3.4规定的设计工况和

载荷情况，确定整个速度范围的载荷。应对规定的外部条件和设计工况的所有相关组合进行分析，以确

定具体型号风力发电机组设计载荷情况组。

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JB/T10300－2001

应采用计算和（或）试验方法验证设计结果的正确性。当采用试验方法验证时，试验条件应满足本

标准规定的要求。

4.2安全等级

应根据下列两种安全等级之一设计风力发电机组：

a）正常安全等级，当风力发电机组损坏将导致人员受伤或造成经济损失和社会影响时，可使用此

等级；

b）特殊安全等级，当根据地方法规确定安全要求和（或）由制造商与用户之间商定安全要求时，

可使用此等级。

本标准5.3.6规定了正常安全等级风力发电机组的局部安全系数，制造商和用户之间应商定特殊安

全等级风力发电机组的局部安全系数。根据特殊安全等级设计的风力发电机组，即为5.2.2风力发电机

组等级中规定的S级风力机。

4.3质量保证

质量保证应是风力发电机组及其所有零部件设计中的一个组成部分。

质量保证体系应遵循GB/T19001的要求。

4.4风机标牌

至少下列信息应显著和清楚地标示在不易消失的风力发电机组铭牌上：

——风力发电机组制造商和国家；

——产品型号和系列号；

——生产年份；

——额定功率；

——参考风速；

——轮毂高度运行风速范围Vin~Vout；

——运行大气温度范围；

——风力发电机组等级（见表1）；

表1风力发电机组等级基本参数

正常安全等级特殊安全等级

风力发电机组等级

ⅠⅡⅢⅣS

Vref（m/s）5042.537.530

Vave（m/s）108.57.56

I15（–）0.180.180.180.18

A设计值由设计者规定

a（–）2222

I15（–）0.160.160.160.16

B

a（–）3333

注：表中数据为使用的轮毂高度处值，其中：

A表示较高湍流特性的类型；B表示较低湍流特性的类型；

I15—V=15m/s时的湍流强度特性值；

a—方程式（7）中采用的斜率参数。

——风力发电机组输出端额定电压；

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JB/T10300－2001

——风力发电机组输出端频率或频率范围，对此情况，额定偏差应大于2%。

5详细要求

5.1总则

风力发电机组设计，应满足本章各条规定的要求，其中包括外部条件、设计工况和载荷情况、局部

安全系数、结构强度分析、各零部件和系统设计，以及噪声、安装和维修等。

5.2外部条件

5.2.1概述

设计风力发电机组时，应当考虑本章规定的外部条件。风力发电机组经受的环境和电力条件，可能

会影响其受载、耐久性和运行。为保证适当的安全性和可靠性水平，设计中应考虑环境、电网和土壤参

数，并应在设计文件中明确规定。

环境条件可进一步分为风况和其他外部条件，电力条件是指电网的状况。土壤特性关系到风力发电

机组的基础设计。

每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件一般涉及的是长时期的

结构受载和运行状态。而极端外部条件是罕见的，但它是潜在的临界外部设计条件。设计载荷情况应由

这些外部条件同风力发电机组运行模式组合构成。

风况是结构完整性设计主要考虑的外部条件。其他环境条件也对设计特性，比如控制系统功能、耐

久性和腐蚀等有影响。

在下列条文中，规定了根据风力发电机组等级设计时，所要考虑的正常和极端外部条件。

5.2.2风力发电机组等级

设计中需考虑的外部条件，取决于风力发电机组安装的预定场地或场地类型。依据风速和湍流参数

确定风力发电机组的等级。划分等级的目的是为了包含最广泛的应用。风速值和湍流参数可用于表示许

多不同场地的特性值，但不能给出任何特定场地的准确表述。目的是按强度变化明显程度对风力发电机

组分类，而强度变化取决于风速和湍流参数。表1规定了风力发电机组等级的基本参数。

对一些需要特殊设计（如特殊风况或其他外部条件或特殊安全等级）的情况，规定了其他风力发电

机组等级—S级。S级风力发电机组的设计值应由设计者选择，并在设计文件中规定。对这样的特殊设

计，设计状态的选取值应反映比预期使用风力发电机组更严重的环境。

近海安装的特殊外部条件，要求风力发电机组按S级设计。

除这些基本参数外，还需要某些其他重要参数，以便用来完整规定风力发电机组设计中采用的外部

条件。对风力发电机组的IA~IVB级，以后统称为标准风力发电机组等级，在5.2.3、5.2.4、5.2.5中规定

了这些等级的补充参数值。

设计寿命应至少20年。

对S级风力发电机组制造商，应在设计文件中说明使用的模型和主要设计参数值。采用第5章模

型时，对参数值应作充分说明。S级风力发电机组的设计文件包含附录A列出的资料。

在5.2.3中，条文标题括号中的缩写字母表示5.3.4中规定设计工况和载荷情况的风况。

5.2.3风况

风力发电机组应设计成能安全承受由选定的风力发电机组等级决定的风况。

10

JB/T10300－2001

风况设计值应在设计文件中明确规定。

从载荷和安全角度考虑，风况可分为风力发电机组正常运行期间频繁出现的正常风况及按1年或

50年重复周期确定的极端风况。

在所有情况中，应考虑平均气流相对水平面达8°倾斜角的影响，假定气流倾斜角不随高度改变而

变化。

5.2.3.1正常风况

5.2.3.1.1风速分布

场地的风速分布对风力发电机组设计相当重要，因为它决定了各个载荷状态出现的频率。对标准等

级的风力发电机组，为了便于设计载荷计算，假定在10min时间周期内风速平均值按瑞利分布。在此

情况下，轮毂高度的平均风速概率分布由式