如何评估年极端湍流？——IEC标准与测风数据比较

在计算某一风速下的湍流时，通常取该风速下的全部湍流值的均值。这就与极大阵风的情况类似，均值掩盖了极端情况。各种极端风况并非相互独立的，极端湍流就可以涵盖极端瞬时（暂现)事件，如阵风、风向改变和风切变。这些量在设计标准中都有很好的定义，然而标准的风数据测量设备使量化过程变得困难，尤其是极端风向改变和极端风切变。而湍流是一个统计量，比瞬时事件更容易量化。因此，极端湍流的计算显得尤为重要。

风数据通常是包含数个月的10min或1h平均的风速值和湍流强度值。评估年极端湍流事件时，需在风数据中挑选出独立的极端事件。为了确保极端事件的独立性，通常使两个极端事件间相隔2个星期，即每两周选择一个极端湍流事件。这种做法通常可以选出20～30个极端事件数据点，然后进行Gumbel分布拟合，估计50年一遇的极端湍流。

湍流主要造成风力发电机运动部件的振动或抖动，从而导致材料的疲劳损伤。同样，极端湍流主要对风力发电机的运动部件（如叶片、齿轮箱和主轴等)造成冲击，产生的极端载荷破坏力极强。我们通常只关心风机运行风速下（如4m/s～25m/s)的极端湍流。一旦风速超过风力发电机的切出风速，变桨系统将自动顺桨停止发电，此时风力发电机的主要运动部件处于静止状态。极端湍流在风力发电机运行的高风速下的破坏力更大。

湍流强度是与风速对应的，因此每个风速区间都对应一个极端湍流。极端湍流事件也是指某一风速下的极端湍流事件。对比根据测风数据估计的极端湍流和IEC标准规定的极端湍流，就可判断风场的极端湍流是否超出IEC标准的设计范围。

IEC61400-1（2005第三版)标准中并没有给出年极端湍流的表达式，但是可以用如下联合概率分布函数进行推导：

IEC标准用该式推导50年一遇极端湍流。其中：

式中 μ_σ——平均湍流；

σ_σ——湍流的标准差；

I_ref——v_hub=15m/s时的特征湍流强度；

v_ave——轮毂高度的年平均风速；

v_hu。——轮毂高度风速。(www.xing528.com)

所有符号都遵循IEC 61400-1（2005第三版)标准。

于是，式（7-36)取决于风力发电机的类型（IEC Ⅰ类、Ⅱ类或Ⅲ类)和湍流级别（A类、B类或C类)，如图7-5～图7-7所示。

通过结合σ和v_hub，可以得到概率为1.9×10^-5的曲线，并线性化来表达年极端湍流σ_extreme与v_hub的关系，见表7-4。

表7-4 IEC标准规定的年极端湍流限值

图7-5 IEC Ⅰ类极大风速标准差与风速的关系（左)和年极端湍流强度曲线（右)

图7-6 IEC Ⅱ类极大风速标准差与风速的关系（左)和年极端湍流强度曲线（右)

图7-7 IEC Ⅲ类极大风速标准差与风速的关系（左)和年极端湍流强度曲线（右)