海上风力发电机组认证规范

海上风力发电机组认证规范

中国船级社

2012年8月

目 录

第1章 总 则 (1)

第1节 一般规定 (1)

第2节 认证 (2)

第3节运行和维护监控 (3)

第2章 环境与载荷 (4)

第1节 一般规定 (4)

第2节 外部条件 (6)

第3节 设计载荷 (18)

第3章 材料与制造 (39)

第1节 一般规定 (39)

第2节 结构用钢 (41)

第3节 制造与焊接 (43)

第4章 强度分析 (51)

第1节一般规定 (51)

第2节应力计算 (51)

第3节金属材料 (53)

第4节混凝土和灌浆材料 (60)

第5节纤维增强塑料和粘接 (64)

第6节木材 (71)

第5章 结 构 (72)

第1节一般规定 (72)

第2节风轮叶片 (73)

第3节机械结构 (77)

第4节机舱罩和整流罩 (77)

第5节连接 (80)

第6节支撑结构 (88)

第7节基础和地基 (115)

第6章 机械部件 (125)

第1节 一般规定 (125)

第2节 变桨系统 (126)

第3节 轴 承 (128)

第4节 齿轮箱 (130)

第5节 机械制动和锁定装置 (136)

第6节 联轴器 (138)

第7节 弹性支撑 (139)

第8节 偏航系统 (140)

第9节 液压系统 (142)

第10节 海上应用 (143)

第7章 电气系统 (145)

第1节 一般规定 (145)

第2节 电气系统、设备及元器件设计的一般原则 (146)

第3节 电机 (149)

第4节 变压器 (150)

第5节 电力电子变流器 (151)

第6节 中压设备 (152)

第7节 开关和保护装置 (153)

第8节 电缆和电线 (154)

第9节 备用电源 (156)

第10节 海上电网装置 (156)

第11节 并网和装置 (157)

第12节 充电设备和蓄电池 (159)

第8章 控制和安全保护系统 (161)

第1节 一般规定 (161)

第2节 控制和安全保护系统的一般原则 (163)

第3节 控制系统 (165)

第4节 安全保护系统 (166)

第5节 监控和安全处理 (168)

第6节 检验 (173)

第9章防雷系统 (175)

第1节 一般规定 (175)

第2节 保护等级和防雷区 (176)

第3节 防雷系统和装置设计的一般要求 (178)

第4节 海上风力发电机组的防雷措施 (180)

第5节 其他设施的防雷措施 (183)

第6节 防雷区界面处电缆和电线的处理 (184)

第7节 防雷装置的设计、检查和维护 (185)

第10章 腐蚀防护 (186)

第1节 一般规定 (186)

第2节 涂层与镀层保护 (187)

第3节 混凝土基础结构防腐 (189)

第4节 阴极保护 (191)

第5节 防腐系统的检查与维护 (194)

第11章运输、起吊、安装、试车、运行、维护和定期检测 (196)

第1节 一般规定 (196)

第2节 运输、起吊、安装、试车、运行、维护和定期检测 (196)

第12章 测 试 (208)

第1节 一般规定 (208)

第2节 安全及功能测试 (209)

第3节 功率特性测试 (212)

第4节 载荷测试 (213)

第5节 噪声测量 (214)

第6节 电能品质测试 (214)

第7节 齿轮箱样机测试 (215)

第8节 耐久性测试 (216)

附录1海上风力发电机组的设计参数 (217)

附录2坐标系 (220)

附录3载荷评估 (223)

附录4湍流模型 (226)

附录5地震载荷评估 (230)

附录6冰载作用下海上风力发电机组支撑结构的设计 (231)

附录7用于极限强度分析的海洋气象运行参数的统计外推 (237)

附录8桩与结构的灌浆连接 (239)

附录9板单元屈曲系数及缩减系数 (241)

附录10塔架的简化屈曲应力计算 (246)

附录11疲劳评估的节点种类 (248)

附录12基础等效面积及修正系数 (265)

附录13海上风力发电机组钢结构涂层体系 (269)

第1章总则

第1节 一般规定

1.1.1 适用范围

1.1.1.1 本规范适用于海上使用的风力发电机组的认证。

1.1.1.2 本规范适用于风轮扫掠面积等于或大于40m2的水平轴风力发电机组。

1.1.1.3 对本章1.1.1.2规定以外的海上风力发电机组，可参照本规范进行认证。

1.1.2 规范制定

1.1.

2.1 本规范制定的主要依据为：

(1) 有关国际标准，如IEC 61400等；

(2) 有关国际标准外的其他适用标准、有关理论和科研成果及使用经验。

1.1.

2.2 本规范修改时,本社将及时换版或颁布修改通报。

1.1.

2.3 本规范采用的标准/规范均为现行有效的版本，本规范的用户应注意使用这些标准/规范的最新版本。

1.1.3 定义

1.1.3.1 本规范所涉及的术语和定义与IEC 60050-415同。

1.1.3.2 本规范各章所涉及的定义，均在各章中规定。除另有规定外，本规范适用如下定义：

(1) 本社：系指中国船级社（英文为China Classification Society，简称CCS）。

(2) 规范：系指中国船级社有关船舶、海上设施和集装箱以及风力发电机组等现行有效的规范。

(3) 海上风力发电机组：系指安装在海上风电场，支撑结构承受水动力载荷作用的，将风能转换为电能的系统。

(4) 风轮-机舱组件：由支撑结构支撑的海上风力发电机组的部件，见图1.1.3.2。

(5) 支撑结构：海上风力发电机组的一部分，包括塔架、下部结构和基础，见图1.1.3.2。

(6) 塔架：海上风力发电机组的一部分，其连接下部结构和风轮-机舱组件，见图1.1.3.2。

(7) 下部结构：海上风力发电机组支撑结构的一部分，从海床向上延伸，连接基础和塔架，见图1.1.3.2。

(8) 基础：海上风力发电机组支撑结构的一部分，其将作用于支撑结构上的载荷传递到海床中。图1.1.3.2表示不同的基础形式和海上风力发电机组的其他部件。

(9) 正常使用极限状态：该极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：

① 影响正常使用或外观的变形；

② 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；

③ 影响正常使用的振动；

④ 影响正常使用的其他特定状态。

(10) 承载能力极限状态：该极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

① 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）；

② 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏、腐蚀等）或因过度变形而不适于继续承载；

③ 整个结构或结构的一部分转变为机动体系；

④ 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。

图1.1.3.2 海上风力发电机组的部件

1.1.4 等效与免除

1.1.4.1 除另有规定外，凡等效于或替代本规范要求的内容，如计算方法、评定标准、制造程序、材料、检验和试验方法等，只要能提供必需的试验、理论依据或使用经验、或有效公认的标准等，经本社总部同意后，均可被接受。

1.1.4.2 除另有规定外，如能提供必需的试验、理论依据或使用经验，经本社总部特殊考虑后，可免除本规范的相应要求。

1.1.5 规范解释

1.1.5.1 本规范的解释权属本社总部。

第2节 认 证

1.2.1 海上风力发电机组认证

1.2.1.1 需进行认证的海上风力发电机组及其零部件应满足本规范适用的技术要求。

1.2.1.2 海上风力发电机组认证的管理和操作程序应按本社有关的产品认证要求执行。

1.2.1.3 经本社认证的海上风力发电机组，应满足相关的运行和维护监控要求。

第3节运行和维护监控

1.3.1 一般要求

1.3.1.1 运行和维护监控的目的是保证特定场地的海上风力发电机组的运行和维护能满足设计文件中相关手册的要求。

1.3.1.2 监控应包括对运行和维护记录的检查及对海上风力发电机组的随机抽查。运行和维护监控应按商定的规定定期进行。

1.3.2 运行和维护监控要求

1.3.

2.1 应至少确认下列方面：

(1) 海上风力发电机组的维护是由授权的且有相应资质的人员按照维护手册要求和规定的期限进行。

(2) 检查控制参数的设置是否满足设计文件中规定的限制值。

第2章环境与载荷

第1节 一般规定

2.1.1 适用范围

2.1.1.1 本章适用于海上风力发电机组载荷的确定。

2.1.2 定义

除另有规定外，本章有关定义如下：

2.1.2.1 外部条件（海上风力发电机组）：系指影响海上风力发电机组运行的因素，包括环境条件、电网条件和其他气候因素（如温度、雪、冰等）。

2.1.2.2 环境条件：系指能影响海上风力发电机组性能的环境因素，如风、波浪、海流、水位、海冰、海生物、冲刷和整个海床运动等。

2.1.2.3 海洋条件：系指能影响海上风力发电机组性能的海洋环境因素，如波浪、海流、水位、海冰、海生物、海床运动和冲刷等。

2.1.2.4 轮毂高度（海上风力发电机组）：系指海上风力发电机组风轮扫掠面积的中心距离平均海平面的高度。

2.1.2.5 有义波高：根据海况中波高的统计方法，定义为4ση，其中ση是海面高程的标准差。在波浪频带较窄的海况，有义波高近似等于上跨零点法读取的1/3最大波高的平均值。

2.1.2.6 极值有义波高：系指年超越概率为1/N（重现期为N年）的最大有义波高（3h 的平均值）的预期值。

2.1.2.7 极值波高：系指年超越概率为1/N（重现期为N年）的最大单个波高（一般为上跨零点法读取的）的预期值。

2.1.2.8 同向（风和波浪）：与“偏向”相反，系指风和波浪作用在同一方向。

2.1.2.9 单向（风或波浪）：与“多向”相反，系指风或波浪单方向作用。

2.1.2.10 载荷效应：系指作用在结构部件或系统上的单个载荷或载荷组合的效应，如内力、应力、应变、运动等。

2.1.3 技术文件

2.1.

3.1 应至少提交下列技术文件供本社评估：

(1) 标有海上风力发电机组安装位置和海底地形的风电场布置图，以及海上风力发电机组在各自位置处的固有频率；

(2) 场地数据，包括环境条件、海底特征资料、岩土数据、电气条件等，应加以规定或者取自制造商或通用等级所规定的要求，至少应包括本规范附录1所列内容；

(3) 确定载荷所用的环境条件及相关参数的说明，如用于获取环境条件和基本设计参数值的模型说明，安装场地的自然环境参数（如空气密度、动力粘性系数、水密度和盐度等），设计中假定的土壤条件和载荷分析中使用的衍生值的说明（如p-y曲线），以及影响海上风力发电机组结构载荷和性能的海洋条件的说明，包括所考虑的对其减少或消除的方法，如冲刷和冲刷防护、海生物、腐蚀防护和腐蚀裕度等；

(4) 附有主要尺寸和质量、质量惯性距和重心等汇编数据的图纸。对于风轮叶片，应包括叶片几何数据（扭角、弦长、翼型等）和相关雷诺数下相对不同攻角的翼型气动特性数

据（升力系数，阻力系数和力矩系数）；

(5) 如采用计算方法来确定主要构件（如风轮叶片、传动系统和支撑结构等）的载荷，则应说明相应构件的质量分布、刚度分布和阻尼分布等；

(6) 支撑结构水动力特性及相关水动力系数的说明，且考虑了附属装置的影响；

(7) 海上风力发电机组功能原理的说明和对海上风力发电机组载荷响应有影响的控制系统和安全系统所有部件的说明，包括控制系统和安全系统限制值的说明（如功率曲线、风能利用系数、切入和切出风速、转速和偏航系统的数据及机械制动的转矩曲线等）；

(8) 仿真控制器的详细说明及对海上风力发电机组动力特性有影响的电气元件（伺服驱动器和发电机等）的特征参数；

(9) 附有设计寿命、环境、位置、建造周期以及海上总装和/或安装之前的主要建造阶段的总说明书；

(10) 运输、安装和吊装程序文件，包括海上风力发电机组特殊状态的详细资料，运输、安装、吊装和维护时最大允许的平均风速和有义波高，及运动部件（如叶片、风轮和偏航轴承）锁定装置的计算载荷；

(11) 海上操作可能对支撑结构或构件产生附加载荷，应规定运输船舶的尺寸和排水量；

(12) 锚泊系统（如有的话）的总体布置和设计详图；

(13) 共振图（如Campbell图），其中应考虑风轮叶片、传动系统、塔架的固有频率和相应的激振频率（如风轮转速的若干倍频，如1P，3P，6P等），和振动监测系统应用的功能原理和标准以及规定的触发值的说明；

(14) 选用的坐标轴系（见本规范附录2）；

(15) 对计算载荷情况和极限载荷、疲劳载荷评估的详细说明（见本规范附录3）。

2.1.4 载荷制定的原则

2.1.4.1 载荷制定是为了进行静强度和疲劳强度分析。

2.1.4.2 载荷应按本章第2节确定的外部条件和海上风力发电机组的运行状态相结合进行计算分析，并考虑安装场地的外部条件和海上风力发电机组之间的相互影响。

2.1.4.3 载荷制定应使用与安装场地相关的气象资料和海洋资料，如不能充分获得场地的实际外部条件，可根据本章规定的海上风力发电机组安全等级和水动力资料来确定。

2.1.4.4 疲劳载荷分析应考虑穿过风轮扫掠面积的风速分布（垂直风速梯度、塔影）的影响和随机影响（局部阵风、湍流）。

2.1.4.5 经本社同意后，可按公认的方法，结合极限状态和分项安全系数应用半概率设计方法，概率法可用于特殊情况。

2.1.5 安全等级

2.1.5.1 海上风力发电机组可按下列两种安全等级之一进行设计：

——一般安全等级，如结构失效，会导致人身伤害，或造成经济损失和产生社会影响时，采用此等级；

——特殊安全等级，如安全要求由当地规范和/或制造商与用户协商决定时，采用此等级。

对一般安全等级的安全系数，本章2.3.7、2.3.8、2.3.9给出了详细说明。特殊安全等级的安全系数应由制造商与用户协商。根据特殊安全等级设计的海上风力发电机组即为本章2.2.2定义的S级海上风力发电机组。

第2节 外部条件

2.2.1 一般要求

2.2.1.1 在海上风力发电机组的设计中，至少应考虑本节所述的外部条件。

2.2.1.2 海上风力发电机组承受环境条件和电网条件影响，其主要体现在载荷、使用寿命和运行等方面。为保证安全和可靠性，设计时应考虑到环境、电网和土壤参数及其他相关参数，并在设计文件中明确规定。

2.2.1.3 环境条件可划分为风况、海洋条件（波浪、海流、水位、海冰、海生物、海床运动和冲刷）和其他环境条件。应考虑场地的土壤特性，包括由海床运动、冲刷和其他海床不稳定因素引起的时变。

2.2.1.4 各类外部条件可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及的是经常出现的结构载荷条件。极端外部条件是指罕见的外部设计条件。设计载荷情况应包括这些外部条件和海上风力发电机组的运行状态及其他设计状态的可能临界组合。

2.2.1.5 对结构整体而言，风况是最基本的外部条件。其他环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、寿命、锈蚀等均有影响。

2.2.1.6 根据海上风力发电机组安全等级的要求，设计中要考虑本节所述的正常外部条件和极端外部条件。

2.2.2 海上风力发电机组分级

2.2.2.1 海上风力发电机组设计时，外部条件应由其安装场地或场地类型决定。海上风力发电机组的安全等级及相应的风速和风湍流参数应符合表2.2.2.1的规定。根据风速和湍流参数划分的安全等级可以作为海上风力发电机组风轮－机舱组件的设计依据。

各等级海上风力发电机组的基本参数① 表2.2.2.1 海上风力发电机组等级 I II III S

参考风速V ref（m/s） 50 42.5 37.5

A I 15 （－）0.16

由设计者确定各参数

B I 15 （－）0.14

C I 15 （－） 0.12

注：表中数据为轮毂高度处值，其中：

A 表示较高湍流特性级；参考风速V ref为10min平均风速；

B 表示中等湍流特性级；I 15风速为15m/s时湍流强度的期望值。

C 表示较低湍流特性级；

2.2.2.2 对需要特殊设计（如特殊风况或其他特殊外部条件）的海上风力发电机组，规定了特殊安全等级——S级。S级海上风力发电机组的设计值由设计者确定，并应在设计文件中详细说明。对这样的特殊设计，选取的设计值所反映的外部条件应比预期使用的外部条件更为恶劣。

2.2.2.3 除表2.2.2.1的基本参数外，在设计中，还需要某些其他参数来规定外部条件。对I A～III C 级，统称为海上风力发电机组的标准等级，在本节2.2.3、2.2.4、2.2.5、2.2.6中规定了这些等级的补充参数值。

2.2.2.4 海上风力发电机组的设计寿命至少为20年。

①作为各等级基本参数的年平均风速没有出现在表2.2.2.1中。对于按该表设计的标准等级的年平均风速V ave= 0.2V ref。

2.2.2.5 对S级海上风力发电机组，制造商应在设计文件中阐述所采用的模型及主要设计参数值。采用本章模型时，对其参数值应作充分的说明。S级海上风力发电机组的设计文件应包含本规范附录1所列内容。

2.2.3 风况

2.2.

3.1 风况的设计值须在设计文件中明确规定，海上风力发电机组应能承受所确定安全等级的风况。对于风轮－机舱组件，设计风况可采用本章定义的模型和参数，或根据特定场地确定。在使用本章风况模型和参数时，还应确保特定场地的外部条件不会危及结构的完整性。

2.2.

3.2 从载荷和安全角度考虑，风况可分为海上风力发电机组正常工作期间重现期小于1年的正常风况和1年或50年一遇的极端风况。

2.2.

3.3 在许多情况下，风况包括恒定的平均气流与随机变化的阵风或湍流相结合，在所有情况下，应考虑平均气流相对水平面成0°角时的情况。假定此倾斜角不随高度改变而变化。

2.2.

3.4 风湍流是指10min内平均风速的随机变化。风湍流模型应包括风速变化、风向变化和旋转采样的影响。湍流风速的三个矢量分量分别定义如下：

——纵向分量：沿着平均风速方向；

——横向分量：在水平面内，垂直于纵向分量：

——竖向分量：垂直于纵向分量和横向分量。

对于标准等级的海上风力发电机组，随机风湍流模型的风速场应满足下列要求：

（1） 纵向风速分量的标准差代表值б1不随离平均海平面的高度变化。与平均风速方向垂直的分量应满足下列最小标准差①：

——横向分量：б2≥0.7б1；

——竖向分量：б3≥0.5б1。

（2） 在轮毂高度z hub，纵向湍流尺度参数

1

Λ由下式确定：

10.760m 42m60m hub hub

hub

z z

z

Λ

=?

?

当

当≥

在惯性子区间，三个正交分量的功率谱密度S1（f），S2（f）和S3（f），作为频率f的函数应逼近下列渐近线形式：

S1（f）＝0.05（б1）2（

1

Λ/ V hub）-2/3 f -5/3m2/s

S2（f）= S3（f）=4/3 S1（f）m2/s （3） 应使用公认的模型，且模型的相关性定义为互谱的大小除以与纵向垂直的平面内空间离散点的纵向速度分量的自谱。

建议使用满足上述要求的湍流模型：曼恩均匀剪切模型，见本规范附录4。在附录4中，也给出了另一个满足上述要求的经常使用的模型。其他模型应慎重使用，因为模型的选择会对载荷产生重大影响。

2.2.

3.5 正常风况

(1)风速分布

场地的风速分布对设计至关重要。在正常设计状态，它决定各载荷情况出现的频率。应采用10min周期内的平均风速，来得到轮毂高度处平均风速V hub的瑞利分布P R（V hub），并由下式给出：

①实际值可能取决于湍流模型的选择和2.2.3.4（2）中的要求。

2()1exp[(]2hub R hub ave

V P V V π=?? 式中：对于标准等级的海上风力发电机组，V ave ＝0.2 V ref ,其中V ref 按表2.2.2.1选取。

(2) 正常风廓线模型（NWP ）

风廓线V （z ）可表示成平均风速随静水位以上高度z 的变化函数，对海上风力发电机

组标准等级，正常风廓线由幂定律公式给出：

V （z ）＝V hub （z ∕z hub ）a m/s

式中：z hub ——轮毂高度。对于正常风况，幂指数α为0.14。

风廓线用于确定穿过风轮扫掠面的平均垂直风切变。

(3) 正常湍流模型（NTM ）

对于正常湍流模型，纵向风速分量的标准差代表值б1，应由给定轮毂高度处风速按概

率分布为90%①分位点给出。对于标准等级的海上风力发电机组，б1由下式给出：

б1＝I 15（0.75V hub + b ） m/s

式中：b =5.6 m/s ，I 15由表2.2.2.1给出。

2.2.

3.6 极端风况

极端风况用于确定海上风力发电机组的极端风载荷。极端风况包括由暴风造成的风速

峰值、风向和风速的迅速变化。

(1) 极端风速模型（EWM ）

EWM 可以是稳态风速模型或湍流风速模型。这个风模型基于参考风速V ref 和一个

确定的湍流标准差б1。

① 对于稳态极端风速模型，50年一遇（N = 50）和1年一遇(N = 1)极端风速（3s 的

平均值）V e 50和V e l 应作为高度z 的函数用下式计算：

V e 50（z ）＝1.4V ref （z ／z hub ）0.11 m/s

V e 1（z ）＝0.8 V e 50（z ） m/s

式中：z hub ——轮毂高度。参考风速V ref 按表2.2.2.1选取。

稳态极端风速模型中，与平均风向的短期偏离可通过假定恒偏航角误差在±15°的范

围内来考虑。

② 对于湍流极端风速模型，50年一遇（N =50）和1年一遇(N =1)的风速10min 的平

均值作为高度z 的函数用下式给出：

V 50（z ）＝V ref （z ／z hub ）0.11 m/s

V 1（z ）＝0.8 V 50（z ） m/s

纵向湍流标准差б1②由下式给出：

б1＝0.11 V hub m/s

(2) 极端运行阵风（EOG ）

对标准等级的海上风力发电机组，轮毂高度处的阵风幅值V gust ③由下列关系式给出：

① 如希望用其他分位点进行附加的可选载荷计算，对于标准等级的风力发电机组可采用对数正态分布和下列公式来近似： ()()[]15151210.75; 3.8m /s 1.4m /s hub

hub hub E V I V c c Var V I σ=+==

② 湍流极端风速模型的湍流标准差与正常湍流模型（NTM ）或极端湍流模型（ETM ）均无关。

③ 阵风幅值被运行事件如起动和停止的概率校准来给出50年的重现期。

()111Min 1.35;3.310.1gust e hub V V V D σΛ????????????=???????+????????

式中：б1——纵向风速分量的标准差代表值，按本节2.2.3.5（3）中的公式计算；

1Λ——纵向湍流尺度参数，按本节2.2.3.4（2）中的公式选取；

D ——风轮直径,m 。

风速由下列方程式确定：

()()()()0.37sin 3/1cos 2/0,()

0gust V z V t T t T t T V z t V z t t T ππ????????=?<>??≤≤或 m/s

式中：V （z ）按本节2.2.3.5（2）中的公式计算；

T ＝10.5 s 。

(3) 极端风向变化（EDC ）

极端风向变化幅值θe 应按下列关系式计算： ??????????

??????????????????+±=111.01arctan 4ΛD V hub e σθ 式中： б1——纵向风速分量的标准差代表值，按本节2.2.3.5（3）中的计算；

θe —— 限定在±180°范围内；

1Λ——纵向湍流尺度参数，按本节2.2.3.4（2）中的公式选取；

D ——风轮直径,m 。

极端风向瞬间变化θ (t ),由下式给出：

()00()0.51cos /0e e t t t T t T t T θθπθ°

??≤≤

式中：T ＝6s 为极端风向瞬时变化的持续时间。

应通过式中正负号的选取得到最严重的瞬时加载。在风向瞬时变化结束时，假定风向保

持不变，并按本节2.2.3.5（2）中的公式确定风速。

(4) 极端湍流模型（ETM ）

极端湍流模型应使用本节2.2.3.5（2）的正常风廓线模型。湍流纵向分量标准差按下式

计算：

б1=c I 15 [0.072（V ave / c + 3）（V hub / c - 4）+10] m/s

式中：c =2 m/s ，V ave ＝0.2 V ref , I 15和V ref 按表2.2.2.1选取。

(5) 方向变化的极端持续阵风（ECD ）

方向变化的极端持续阵风的幅值为：V cg ＝15m/s 。

风速由下式确定：

()()0(,)()0.51cos /0()cg cg V z t V z t V z V t T t T V z V t T

π??≤≤ m/s 式中：T =10s 是上升时间，风速V （z ）按本节2.2.3.5（2）的正常风廓线模型给出。

假定风速的上升与风向的变化

(0到)同时发生。由下面的关系式确定：

()00()0.51cos /0cg cg

t t t T t T t T θθπθ?°?≤≤

此处上升时间T ＝10 s 。

(6) 极端风切变（EWS ）

应用下列两个瞬时风速来计算极端风切变：

瞬时垂直风切变（有正负号）： ()1/41122.50.21cos 0,0hub hub hub hub hub D t T z z z V t T z D V z t z V t t T z ααπβσΛ??????????????????+???????????????????????????????????????????±=<>≤≤或 m/s

瞬时水平风切变（有正负号）：

()1/41122.50.21cos 0,,0hub hub hub hub D t T y z V t T z D V y z t z V t t T z ααπβσΛ??????????????????+??????????????????????????????????????????±=<>≤≤或 m/s

式中：α＝0.2；β＝6.4；T ＝12 s ；

1Λ—— 纵向湍流尺度参数，按本节2.2.3.4（2）中的公式选取；

D —— 风轮直径，m 。

应选择水平风切变正负号，以求得最严重的瞬时载荷。两种极端风切变应分别考虑，不

能同时应用。

2.2.4 海洋条件

2.2.4.1 海洋条件包括波浪，海流、水位、海冰、海生物、海床运动和冲刷以及与海洋

环境相关的其他外部条件。

2.2.4.2 从载荷和安全考虑，海洋条件可分为正常海洋条件和极端海洋条件。正常海洋

条件指海上风力发电机组正常运行期间，重现期小于1年的海洋条件，极端海洋条件的重现期则为1年或50年①。

2.2.4.3 波浪

(1)随机波浪模型是反映真实海洋状态特征的最好描述。该模型把实际海况描述为无限多个频率不等、方向不同，振幅变化及相位随机的微幅简谐波叠加而成的不规则波系，其波面位移服从均值为零的正态过程，该过程具有平稳性和各态历经性。

(2)设计海况一般用波谱Sη、有义波高H s、谱峰周期T p和平均波向θwm来描述，其中，适当的话，波谱可用方向扩展函数来补充。海浪谱通常有两种形式：

①单一方向传播的长峰波谱，主要包括Pierson-Moskowitz（简称P-M谱），Bretschneider 双参数谱，Jonswap谱；

②各方向传播的短峰波谱，通常通过在单方向传播长峰谱中引入方向扩展函数的形式来表达。

(3)一些设计中，可用周期波或规则波来模拟真实海况。确定性设计波应定义其高度、周期和方向。

(4)在海上风力发电机组设计中，应根据平均风速（V）、有义波高（H s）、谱峰周期（T p）的长期联合概率分布来考虑风况和波浪的相互关系。上述参数的联合概率分布受到安装场地条件（如风区、水深、海底地形等）的影响，因此应通过适当的长期测量（如适用），并运用数值后报技术来得到概率分布。正常风况和波浪的相互关系应考虑平均风向和平均波向，当风向和波向偏离时，应确保方向数据和海上风力发电机组的仿真技术是可靠的。

(5)波浪模型

随机海况的模型应基于适合海上风力发电机组预期场地的波谱。根据随机海况和规则设计波的表述，将波浪模型定义如下：

①正常海况(NSS)

对于每个正常海况，应在适合于预期场地的海洋气象参数的长期联合概率分布的基础上，选择有义波高、谱峰周期和方向以及相关的平均风速。

计算疲劳载荷时，应确保所考虑的正常海况的数目和分辨率能充分说明疲劳损伤，其与海洋气象参数的整个长期分布有关。

计算极限载荷时，除去本规范2.3.4.13规定的情况外，正常海况应在平均风速给定值的条件下，以有义波高H s的预期值为特征。应对各个有义波高考虑合适的谱峰周期T p的范围。设计计算应基于导致海上风力发电机组上作用有最大载荷的谱峰周期值。

②正常波高(NWH)

正常确定性设计波的波高H NWH应假定为在平均风速给定值条件下的有义波高的期望值H s,NSS。

应对各个正常波高考虑合适的波周期T的范围。与正常波高联合使用的波周期可取在下列范围内：

T≤

基于正常波高的设计计算应假定波周期值在导致海上风力发电机组上作用有最大载荷的范围内。

③恶劣海况 (SSS)

对于海上风力发电机组发电期间的极限载荷计算，应考虑恶劣的随机海况模型与正常风况的组合。恶劣海况模型将恶劣海况与发电工况相应风速范围内的每个风速相关联。各个恶劣海况的有义波高H s,SSS (V) 通常应由合适的特定场地的海洋气象数据外推确定，其有义波高和平均风速组合的重现期为50年②。对所有平均风速，重现期为50年的绝对极值有义波高H s50可作为H s,SSS(V)的保守值。

应对各个有义波高考虑合适的谱峰周期T p的范围。在此范围内，设计计算应基于导致海上风力发电机组上作用有最大载荷的谱峰周期值。

④恶劣波高 (SWH)

①本规范中正常水位范围定义为1年重现期的水位变化，见本规范2.2.4.5（1）。

②建议海洋气象数据的外推采用所谓的“反向一阶可靠度分析方法（IFORM）”。本规范附录8介绍了如何用该方法从特定场地的环境条件中确定H s,SSS (V)的说明。

对于海上风力发电机组发电期间的极限载荷计算，应考虑恶劣的确定性设计波与正常

风况的组合。

恶劣波高模型将恶劣波高与发电工况相应风速范围内的每个平均风速相关联。恶劣波

高H SWH (V ) 通常应由合适的特定场地的海洋气象数据外推确定，则其有义波高与平均风速

组合的重现期为50年①。对于所有的平均风速，重现期为50年的绝对极值波高H 50可作为

H SWH (V )的保守值。

应对各个恶劣波高考虑合适的波周期T 的范围。与恶劣波高联合使用的波周期可假定

在下列范围内：

T ≤

基于恶劣波高的设计计算应假定波周期值在导致海上风力发电机组上作用有最大载荷

的范围内。

⑤ 极端海况 (ESS)

对于极端随机海况模型，应考虑重现期为50年的极值有义波高H s 50和重现期为1年

的极值有义波高H s 1。H s 50和H s 1的值应通过对海上风力发电机组场地的适当测量和/或后报

数据的分析来确定。应对H s 50和H s 1分别考虑合适的谱峰周期T p 的范围。设计计算应基于

导致海上风力发电机组上作用有最大载荷的谱峰周期值。

缺少极端风况和极端波况的长期联合概率分布资料时，应假定重现期为50年的10min

极端平均风速发生在重现期为50年的3h 极端海况下。同样的假定适用于重现期分别为1

年的10min 的极端风速和3h 极端海况的组合。

⑥ 极值波高(EWH)

对于极端的确定设计波，应考虑重现期为50年的极值波高H 50和重现期为1年的极值

波高H 1。H 50和H 1及相关的波周期值，可通过对海上风力发电机组场地的适当测量分析来

确定。或者假定波高为瑞利分布，则有下列公式：

H 50=1.86H s 50

H 1=1.86H s 1

式中：有义波高 H s 50 和H s 1是3h 基准期②的值。

和上述极值波高联合使用的波周期可取在下列范围内：

T ≤

基于极值波高的设计计算应取波周期值在导致海上风力发电机组上作用有最大载荷的

范围内。

对于浅水场地，极值波高H 50、H 1及相关的波周期，可通过对适当的特定场地测量分析

来确定。当不能测量，且破碎波波高小于从上述瑞利分布公式中得出的H 50和H 1的值时，

应取H 50和H 1等于破碎波波高。其中，破碎波波高H b 可按下式估算：

21/b b b H a d gT =

+ m 式中：44[1exp(19tan )]a α=??； 1.6[1exp(19tan )]b α=+?

其中：d ——水深，m ；

g ——重力加速度，m/s 2；

T b ——破碎波的周期，s ；

α ——海底坡度，单位(°)。

假定极值波高(H 50，H 1)和3s 平均极端风速(V e 50 , V e 1) 的出现是无关联的，且其组合是

保守的。则极值波高应与下列折算极端风速(RWM)联合使用。

V red 50(z )=1.1V ref (z /z hub )0.11

① 对于恶劣海况模型，建议使用本规范附录8给出的“反向一阶可靠度分析方法（IFORM ）”，其介绍了如何从H s,SSS (V )来确定

H SWH (V )。

② 在基准期内，假定给定的随机过程（如风速、波高或响应）是平稳的。

V red1(z)=0.8V red50(z)

⑦折算波高 (RWH)

简化确定性设计波应考虑重现期为50年的折算波高H red50和重现期为1年的折算波高H red1。确定H red50和H red1值时，应假定其与3s平均极端风速（V e50，V e1）同时发生的组合，与其和极值波高(H50, H1)及折算极端风速(V red50 , V red1)的组合具有相同的出现概率。

H red50、H red1的值及相关的波周期，可通过对海上风力发电机组场地的适当测量分析来确定，或者假定波高服从瑞利分布，则有：

H red50=1.3H s50

H red1=1.3H s1

式中：有义波高H s50和H s1是3h基准期的值，单位(m)。

上述公式是考虑了10min平均风速的随机变化和单个波高变化的联合概率统计后得出的。公式已假定风速变化服从高斯概率分布，波高变化服从瑞利分布。由于破碎波的出现，波高变化的瑞利分布在浅水区域可能不适用。在浅水场地中，折算波高H red50、H red1和相关的波周期可通过特定场地的适当测量分析来确定。当不能测量，且破碎波波高小于从上述瑞利分布公式中得出的H red50和H red1的值时，应取H red50和H red1等于破碎波波高。

⑧ 破碎波

海上风力发电机组设计时，应考虑破碎波的影响。破碎波分为溅出型、卷跃型和浪涌型。前两种类型与海上风力发电机组的场地有关。水深、海底坡度和波的周期决定了破碎波是溅出型还是卷跃型。

破碎波的类型可根据下表2.2.4.3来确定。

破碎波类型 表2.2.4.3

2.2.4.4 海流

(1) 理论上海流在空间和时间上不断变化，但一般认为海流是定常速度和方向的水平均匀流场，仅随着深度而变化。海流速度应考虑下列成分：

①由潮汐、风暴潮和大气压力变化等引起的次表层流；

②风生近表层流；

③由近岸波浪生成的与海岸平行的表层流。

总流速是上述成分的矢量和。波浪引起的水质点速度应和流速矢量叠加。海流对波长和波周期之间关系的影响一般很小，因此可忽略。

(2) 当总流速与波浪引起的波峰水质点速度相比很小时，且旋涡脱落或浮冰移动不可能使支撑结构产生振动的情况下，海流对海上风力发电机组的水动力疲劳载荷的影响可以忽略。应通过对特定场地数据的适当评估，来确定海流对疲劳载荷计算是否可忽略。

(3) 次表层流

次表层流分布可用水深d的下列幂律表示：

U ss(z)=U ss(0)·[(z+d)/d]1/7m/s

式中：流速U ss(z)——为静水位以上高度z的函数，m/s；

d——水深，m。

重现期为1年和50年的海表层流速U ss(0)的值，可通过对海上风力发电机组场地的适当测量分析来确定。通常可假设次表层流与波向一致。

(4) 风生近表层流

风生流可用速度U w (z )的线性分布来表示，该速度从海表层的U w (0)减少到静水位以下

20m 深处的0：

U w (z )=U w (0) ·(1+z /20) m/s

式中：z ——到静水位的距离，m 。在静水位之下取负值。

在水深少于20m 的场地，海底的风生流速为非零。

海表层风生流速度可假定与风向一致，并可按下式估算：

U w (0)=0.01V 1-hour (z =10m)

式中：V 1-hour (z =10m) ——在静水位以上10m 高度处风速的1h 平均值，m/s 。

重现期为1年和50年的V 1-hour (z =10m)值，可通过对海上风力发电机组场地的适当测量

分析来确定。再用这些风速和上式一起来估算1年和50年重现期的风生海表层流速值。

(5) 破碎波生成的表层流

若海上风力发电机组安装在近海岸破碎波区，则应考虑破碎波剪切力生成的表层流。

在考虑波浪和海流全耦合运动学情况下，可运用适合的数值模型（如Boussinesq ）来确

定破碎波生成的表层流值。对于方向与海岸线平行的近岸表层流，破碎波区的设计流速U bw

可按下式估算：

2tan bw U α= m/s

式中：H b ———破碎波波高，按本节2.2.4.3（5）⑥中公式计算，m ；

α ——海底坡度，单位(°)；

g ——重力加速度，m/s 2。

(6) 流模型

① 正常流模型(NCM)

正常流模型指适当的特定场地的风生流和对应正常波况下的破碎波生成的表层流（如有

时）的组合。正常流模型不包括潮汐和暴风生成的次表层流。

包含正常波况和恶劣波况（NSS 、NWH 、SSS 、SWH ）的极限载荷情况，应采用正常

流模型。对于每种载荷情况，风生流流速可根据相应的平均风速来估算。

② 极端流模型 (ECM)

极端流模型指适当的特定场地的次表层流、风生流和重现期为1年和50年的破碎波生

成的表层流（如有时）的组合。

包含极端波况或简化波况（ESS 、EWH 、RWH ）的极限载荷情况，应采用极端流模型。

对于上述载荷情况应假定海流与波浪有相同的重现期。

2.2.4.5 水位

计算海上风力发电机组的水动力载荷时，场地的水位变化范围（若相当大）对计算载荷

的影响应考虑在内。包含正常波况(NSS, NWH)的极限载荷情况，可采用等于平均海平面

(MSL)的恒水位（下述（1）正常水位范围（NWLR ）中除外）。图2.2.4.5说明了不同水位的

相互关系。

图2.2.4.5 不同水位定义

(1) 正常水位范围 (NWLR)

正常水位范围应取为重现期为1年的水位变化范围。缺少特定场地水位长期概率分布特征数据时，应取正常水位范围等于最高天文潮(HAT)和最低天文潮(LAT)之间的变化范围。

若基于海况和风速的联合概率分布(H s,T p,V hub)的正常海况模型(NSS)用于疲劳和极限载荷情况，应采用正常水位范围（NWLR）。用于下列条件的极限载荷情况也应采用正常水位范围（NWLR）：

——恶劣海况模型(SSS)和恶劣波高模型(SWH)；

——重现期为1年的波况。

极限载荷计算应基于正常水位范围内产生最大载荷的水位，或对正常水位范围内水位概率分布的合理考虑。

对于恶劣随机海况模型(SSS)和恶劣波高模型(SWH)联合的的极限载荷情况，正常水位范围内的水位可能使波高受到深度限制。为避免波高受到深度限制，应采用极端水位范围(EWLR)内的较高水位。

对于水动力疲劳载荷计算，在某些工况下，设计者可通过适当的分析来证明水位变化对疲劳载荷的影响可忽略，或者通过保守的方式，即采用大于或等于平均海平面的恒定水位来说明。

(2) 极端水位范围 (EWLR)

对于与重现期为50年的波况相联合的极限载荷情况，应采用极端水位范围。在此范围内，载荷计算应基于对海上风力发电机组产生最大载荷的水位。对于水动力载荷、冰载荷和支撑结构浮力的计算，应确定相应的极端设计水位。

若缺少海洋气象参数（包括水位）的长期联合概率分布，计算至少应基于下列水位：——基于最高天文潮和正风暴潮①的适当组合，重现期为50年的最高静水位；

——基于最低天文潮和负风暴潮①的适当组合，重现期为50年的最低静水位；

——与最大破碎波载荷相关的水位。

2.2.4.6海冰

在某些区域，海冰可对海上风力发电机组的支撑结构产生严重的载荷。冰载荷可能是固定冰层产生的静载荷，或者是在风和流作用下浮冰运动所产生的动载荷。若流冰在相当长一段时间内不断的冲撞支撑结构，会产生很大的疲劳载荷。

2.2.4.7海生物

(1) 海生物影响海上风力发电机组支撑结构的质量、几何形状和表面状态，进而可能影响支撑结构的水动力载荷、动态响应、可达性和腐蚀速率。

(2) 某些区域内，海生物可能相当多，应在支撑结构的设计中考虑在内。

(3) 海生物大体上分为“硬性”（通常为动物类如贻贝和藤壶）和“软性”（海草和海藻），其中硬性海生物相比软性海生物较薄，但更粗糙。通常安装后海生物在结构上迅速繁殖，但在几年后会逐渐停止生长。

(4) 海生物的性质和厚度不仅取决于构件相对于海平面的位置、相对于主体流的方向、年限和维护措施，且依赖于其他场地条件，如盐分、氧含量、pH值、流和温度。

(5) 在支撑结构的全浸区上部和飞溅区下部区域内，海生物通常可改变腐蚀环境，加快或延迟腐蚀，结果取决于海生物的类型和其他局部条件。海生物还会影响腐蚀控制系统，包括涂层/衬垫以及阴极保护。

(6) 由于对海生物的假定存在不确定性，因此，对海生物的检查措施和可能的清除方法应作为支撑结构设计的一部分。海生物的检查频率、检查方法和去除标准应基于海生物对海上风力发电机组结构可靠性的影响，以及在当前的场地具体条件下对海生物处理经验的程度。

2.2.4.8 海床运动和冲刷

设计海上风力发电机组的支撑结构时，应考虑到海床运动和冲刷的影响。海床运动和冲刷的分析，及适当的防护设计应符合ISO 19901-4或本社接受的其他标准的有关要求。

①正风暴潮系指风暴潮增水，引起海平面上升；负风暴潮系指风暴潮减水，引起海平面下降。