【国家标准】 小型垂直轴风力发电机组

ICS 27. 180
中华人民共和国国家标准
GB/T29494——2013
小型垂真轴风力发电机组
Small vertical axis wind turbines2013-03-20 发布
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
2013-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
技术要求
外观防护
运输与放·
组装与安装·
操作与检修，
10标示
11文件规定
附录A（规范性附录）
附录B（资料性附录）
参考文献
GB/T 29494—2013
关于引用文件GB/T18451.22012在执行过程中的额外说明垂直轴风力发电机组简易裁荷计算模型17
本标推按照GB/T1.12009给出的规则起草。本标推由中国机械工业联合会提出。本标推山全国风力机械标推化技术委员会(SAC/TC50)归口。GB/T29494--2013
本标准起草单位：中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院、中国农业机械工业协会风力机械分会、北京鉴衡认证中心、上海麟风风能科技有限公司、广州红鹰能源科技有限公司、深圳市泰玛风光能源科技有限公司、兰州理工大学、拓又达科技有限公司、乎泉希翼绿色能源制遣有限公司，山东大学。本标准主要起草人：王建平、祁和生、秦海岩、严强、俞红、吕波、李文艳、杨瑞、赵欣、宋汉军、刘琴。
1范围
小型垂直轴风力发电机组
GB/T 29494—2013
本标准规定厂小型垂直轴风力发电机组（简称为垂直轴风力发电机组）的术语和定义、主要结构形式和参数、技术要求，试验方法、安装要求、标示，包装、运输及贮存。本标准适用于风轮扫掠面积小于200m且输出电压交流小于1000V或直流小于1500V的垂直轴风方发电机组。
2规范性引用文件
下列文件对本文件的应用是必不可少的。凡是注H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。GB7552008旋转电机定额和性能
GB/T2900.53电T术语风力发电机组GB5226.1一2008机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件GB16895.3建筑物电气装置第5-54部分：电气设备的选择和安装接地配算、保护导体和保护联结导体
GB/T17646-2013小型风力发电机组设计要求GB17799.1电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的抗扰度试验GB17799.3电磁兼筹通用标准居任、商业和轻T.业环境中的发射标准GB/T18451.2—2012风力发电机组动率特性测试GB/T22516—2008风方发电机组：噪声测量方法GB/2254262010风力发电机组机械载荷测GB/Z254272010风力发电机组雷电防护GB/T27025—2008
检测和校推实验室能力的通用要求GB50009—2001建筑结构载荷规范IEC62103.2003电力装置用电子设备（Electronicequipmentforuseinpowcrinstallations）3术语和定义
GB/T290U.53界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
风轮rolon
垂直轴风力发电机纽将风能转化为机械能的主要装置，由叶片、叶片连接件、风轮轴三大部件组成。某些设计则以叶片与风轮轴直接相连，图1为数种按照非片型态分类的典型垂直轴风力发电机组设计简图，但本标准并不限于这些设计。1
GB/T 29494—2013
Sysemi
S塑(Savonius)
垂直轴风力发必机组
达里尼型(Daieus)
垂亢轴风力发电机
H直型
乘首轴风力发电机组
垂拍风力发电机组
图1真有不同叶片型态的典型垂直轴风力发电机组设计简图3. 1. 1免费标准下载网bzxz
片blade
具有空气动力形状，并将风能转化为机械能的士要构件。3. 1. 2
叶片连接件hladecoanectinn part连接叶片与风轮轴的组件
风轮轴rotor shaft
由主轴（某些设计可能包括主轴轴筒）、轴承及其他附属机械部件组成的总称。3.2
发电机generator
将机械能转换为电能的部件，发电机分内转子或外转-两种。3,3
控制器
control system
主要提供发电机输出輪整流，功率控制、制动控制及/或充电控制与进行各项电气保护功能的装置3.4
变流器
converter
将发电机输出端或经由控制器调控后的电能转化为实用化的电能型式的装置，一般分为离网型与并网型两种。某些设计则将控制器和变流器整合为一体。3.5
支撑结构supportstracture
支撑风力发电机组系统并保证其平稳运行的结构，支撑结构可以是独立的塔架或基座，也可以是固定在其他装置的结构（例如建筑结构体,灯托、拉索等）。3.6
扫掠面积swepl area
与迎风方向垂直的风轮旋转面的投影面积。3.7
轮毂高度hub height
风轮扫掠面的几何中心距离地面的高度。2
4技术要求
技术范围
GB/T 29494--2013
垂直轴风力发中机组技术范围包含风轮，发中机、控制器、变流器及支撑结构（戒塔架与基础）等卡要部件。技术范围还需要考虑对外部环境的影响包括机组运转所产生的噪声、振动与电磁辐射等。4.2一般要求
4. 2.1风力发电机组等级
垂直轴风力发电机组设计应考虑其适用区域风况，主要依据轮毂高度的参考风速(V）、年平均风速（V）以及端流强度（I1,），设计其适用等级，等级划分应依据GB/T176462013中6.2的规定，如表1所示．
小型风力发电机组等级
Vrme (m/s)
注1：以上数低均适用于轮毂高度。垂直轴风力发电机组等级
注2：Ii5为15 m/s时微流强度无量纲特征征，37.5
注3：a为GB/T17646—2013的5.3.2.3中公式（7)所用的无量纳斜率参数。s
出设计者规定各参数
注4：S级是封对特殊要求（例如特殊风配、其他外部条件或特殊安全等级）所定义。设计者选择S级风力发电机组,应游设计催明载于设计报告中，有关此等特殊设计,设计案件中所选择的数值应至少要反映出小型风力发电机组使用环境中可预期的苛刻工况。S级风力发电机组的设计文件应包含GB/T17646—2013附录 B 所列的内容。
4.2.2工作条件
4.2.2.1一般环境条件
垂直轴风力发电机组的设计应保证其整机系统在设计寿命期间，在··般环境工作条件下能维持正常运转。这些一般环境条件包括：环境温度范围：—20℃~-40℃；太阳辐射强度：≤1000W/m2；
环境相对避度：≤95%；
标准空气密度：1.225kg/m*（不同海拨高度的空气密度不同，应以适用的公我进行转换）。4.2.2.2极端环境条件
要求垂直轴风力发电机组可以在一般环境条件以外生存运转，包括温度、雷击、结冰、沙尘、盐害、台风及地震。极端环境条件下运转的垂直轴风力发电机组，应保证其与此等环境条件直接相关的重要组件在设计寿命期间继持正带功能；该风力发电机组应接受极端环境条件模拟试验，宜采用整机模拟3
GB/T29494—2013
实验。
4.2.2.3正常风况条件
垂直轴风力发电机组的设计应考虑其适用区域的风况条件，风况是影响结构完整性的主要外部条件。正常风况条件决定了风力发电机组正常运转下的结构疲劳裁荷。正常风况应符合GB/T176462013中6.3.2所定义的模型，包括风速分布、正常风剖面模型（NWP)、正常扰流模型（NTM)等相关参数
4.2.2.4极端风况条件
极端风况条件用以计算风力发电机组结构极限载荷，包含因暴风及风速与风向急速变化所产生的风速峰值。应符合GB/T17646一2013中6.3.3所定义的模型，考患1年或50年回归期下的极端风况，包括极端风速模型（EWM)、极端运转阵风（EOG）、极大风向变化（EIDC)、极端持续阵风（ECG）、风向变化的极端持续阵风（FCD)等相关参数。对于不须对准特定风向或无考患转向误差的乘直轴风力发电机纽，不需考虑风向变化。4.2.3基本性能参数
4.2.3.1切人风速：风力发电机组开始发电时，轮毂高度处的最低平均风速。某些以外电驱动的电动机协助白启动的风力发电机组，其切人风速的定义应以输出端净电功率输出为正值时的风速为切入风速。
4.2.3.2切出风速：风力发电机组在稳态风速（无流）下发电时，轮毂高度处的最高平均风速。4.2.3.3额定风速：对应于风力发电机组最大功率输出的特定风速。4.2.3.4最人功率：风力发电机组在正常稳态运转时的最大1min平均输出功率，此处最大输出功率是指经由控制器或变流器调控过后的最大输出功率。4.2.3.5相较额定功率：依据本标准试验方法所测量的功率曲线，在11m/s风速时的输山功率。4.2.3.6年发电量：在风速分布符合瑞利分布时，假设风力发电机组利用率为100%，依据本标推试验方法所测量功率曲线所估算的1台风力发电机组1年内生产的全部电能。4.2.3.7相较额定年发电量：在风速分布符合瑞利分布时，假设风发电机组可利用率为100%，依据本标准试验方法测量率曲线，以轮毂高度年平均风速5m/s为基准所计算的年发电量。本参数目的在丁让垂直轴风力发电机组在同一平均风速条件下有相同的年发电量比较基准。4.2.3.8相较视在声压级：按瑞利风速分布，在年平均风速5m/及距离风力发电机组60m时，依本标准中噪声测量方法测量，在风力发电机须正常运转期间95%时间内不会超过的声压值。本参数月的在于让垂直轴风力发电机纽在同一·个乎均风速条件下有相同的噪声比较基准。4.2.3.9风轮最大设计T.作转速：风轮在所有设计限速控制下，所能达到的最大转速：该值是以依据本标准试验方法中安全与功能试验实測结果并发表于正式测试报告的最大转速值为准，风轮最大设计工作转速用于计算强度评估中的离心力。4.2.3.10过速控制方式：垂直轴风力发电机组应具备当风速超过额定风速或风轮最人工作转速时能白动限速的控制机制。
4.2.3.11最大电流：风力发电机组运转时在系统控制电路或功率转换电路输出及输入两侧所产生的最大瞬间电流。
4.2.3.12最大电压：风力发电机组运转时（含并路状态)产生的最大瞬间电压，4.2.3.13功率输出形式：储能或直接并网，或储能兼并网，或其他任何将风力发电机组输出功率运用至负载的方式。
4.2.3.14功率系数：风力发电机组的净输出电功率与自由气流通过风轮扫掠面的风能的比值，净输GB/T 29494—2013
出电功率对离网型风力发电系统而音，是指充电控制器输出端的电能；对并网型风力发电系统而言，是变流器输出端并人电网的电能。4.2.4基本安全功能
安全功能应考虑包括运转时可能危害系统稳定性及可能因而进：·步危害人员与坏境的因素，安全功能应能通过试验及/或分析加以验证，垂直轴风力发电机组设让垒少应包括下列基本安全功能：a）系统结构安全功能：风力发电机组应设计在正常风况下，各结构组件在正常寿命期间不致因结构疲劳而影响系统结构安全，在极限风况条件下各组件不致因结构极限强度被环而影响系统结构安全。
b）风轮过速保护功能：风力发电机组应具备使风轮转速在超过晟大工作转速时，具有自动限速至最大设计转速以下，减速或完全停止的功能，该保护功能可为主动或被动控制。过速保护功能建议使用故障安全（Fail-Safe）设计和穴余设计（Redundancy），这样设计能够使小型风力发电机过速保护功能不受任一单项保护装置失效的影响。c）安全停机功能最大功率【kW以I:（含kW）的风力发电机纽的风轮转轴上应配备有机械式的安全停机装置，该装置应能通过白动（例如：控制器程序驱动电磁或油压制动装置等）或以手动（例如：按钮、开关或拉杆等驱动制动装置）的方式进行动作，并依所标称风力发电机组等级在所设计裁荷条件下将风力发电机组操作至停机状态。安全停机装置可与b)所述的自动过速保护装置配合组成更为安全的停机方式，但手动安全停机装置应优先于动控制系统，其按钮，开关或拉杆等应设计位于操作人员可接近的位置，并考虑启动这些操作所需的时间。安全停机装置必需能有效安全操作，并应于安全与功能测试及耐久性测试中评估与验证。任何型号的风力发电机组在进行检查，服务或维护前停机均应考虑在风速不低于10m/9或1.4Vv（取较人值）的风速下进行该程序的相关安全程序与规范。维修可设计为倾倒至地面维修或在塔架顶端进行维修，但均应有安全程序以保证风轮维修时不会任意位移。d）电气系统保护功能：本项功能应包含以保护垂直轴风力发电机组控制器、变流器及所连接外部电力系统不受故障影响，或因故障而导致不安全状态的发生。此保护功能应依据实际电力系统设计，考虑包括下列保护功能：1）过电流保护功能：系统应具备当工作电流超过最大设计保护电流50%时，过电流保护装置应能启动，以保护电气系统安全。极性反接电路保护功能：系统应具备发电机或当有蓄电池及其他辅助供电装置时的极性反接的电路保护助能。
3）低电压保护功能：当输人端蓄电池电压过低时，控制器应能保护性自动关机，以保护蓄电池。
4）断开功能：当维护或试验时，可将风力发电机组电气系统与所有电源完全隔离，不应单独来用半导体装置作为断开装置。5）接地与留击保护功能：系统应设计有接地与笛击保护设备以符合GB16895.3和GB/Z25427一2010要求，其安装、配置及设备选择应符合当地电气法规的要求。6）电气导体与电缆保护功能：风力发电机组相关的导体绝缘应遵守GB5226.12008相关规定，对温度、电压、电流、环境条件及致使材料老化的外界环境具有适应性：并应考虑安装时及运转中可能会遭受的扭曲或机械应力。应采用保护层或导管对电缆进行保护，若属地下电缆无导管或线沟槽保护时，应以电缆盖板或适当标示带加以标识。其绝缘保护应经适当设计，以使得任何传导到电气组件的过电压均不致超过该组件的绝缘等级。e）电气系统之外的其他风力发电机组系统防雷击保护：本项应由制造商和用户协商。小型风力发电机组的需击保护与接地要求应遵守GB/Z25427-2010，其中对接地系统及其接地电阻的5
GB/T 29494—2013
要求应遵守GB/Z25427—2010中第10章的要求。4.3功率特性要求
垂直轴风力发电机组具备一定的功率特性，功率特性应能通过试验及/或分析加以验证。重要性能特性应包括依据GB/T18451.2一2012中第8章所延义及按本标推试验方法所测量的功率曲线、年发电量和功率系数等。
4.4耐久性与运转可靠性要求
乘直轴风力发电机组应能通过依据本标推试验方法进行至少6个月及特定风况条件运转时数的耐久性试验，同时具备一定运转可靠性水平，以呈现在其设计运转范围下的耐久与可靠特性，包括结构完整性与材料老化情况及风力发电机组的动态行为。4.5噪声要求
噪声要求通常在日夜间以及不同住宅或工商使用区域均有不同标准，垂直轴风力发电机组的噪产水平应符合多数区域环保要求。该特性是指能够以本标推的噪声测试方法測的，在运转风速范围及扣除背景噪芦条件下，于不同距离所呈现的噪声特性。4.6支撑结构与基座要求
4.6.1支撑结构设计载荷
支撑结构设计载荷应考虑如下几个方面：一一支撑结构或塔架以及基座的设计载荷，应考虑包括通过风轮叶片、叶片连接件、风轮轴、机体、塔架以至基础等载荷传递途径，传递至支撑结构的转动与振动的空气动力学载伺，以及整体系统重量戴荷
一一一般而言，建议风力发电机组制造厂商应提供空气动力学极限载及整体系统重量裁荷等相关信息给结构评估工程师进行支撑结构计算及/或签证；1述空气动力极限载荷可按照GB50009一2001中第7章的风载荷计算方法进行计算，其基本设计风速则依据各地区法规要求，如该地区本有法规要求，则以各地离地10m高50年--过的3 平均最大阵风统计值作为基本设计风速：一一属于独立于地面的支撑结构，应考虑安装地域士壤特性及其相关基座设计裁荷；属于与建筑物结构结合的支撑结构，应考虑对建筑物原始结构强度的影响。4.6.2勿须考虑的支撑结构设计
风轮扫掠面积小于2m时，可不需考虑艾撑结构间题。4.6.3支撑结构与建筑相关规范
支撑结构设计成符合当地建筑相关规范与法规4.6.4支撑结构与维修
无法安全地卸下至地上进行维修的风力发电机组及塔架，应具备人员升降或在搭架上作业时能防止坠葬的措施或设计。
4.6.5支撑结构共振
支撑结构设计时应注意避免风力发电机持续在共振频率运转以免发生过度振动。6
4.7控制器及变流器性能要求
GB/T 29494—2013
控制器及变流器应能依据风力发电机组特性，提供发电机输出端整流、功率控制、制动控制或进行各项电气保护功能；向时将电能转化为安全与实用化的离网与并网电能。其组件性能要求应通过本标准第5章中关于控制器及变流器性能要求的试验;其与系统搭配的性能表现可以通过本标准功率性能试验及安全与功能试验及/或评估获得。垂直轴风力发电机组完成测试认证后，当控制器及变流器需根据各地电力法规等要求进行更换时，应将欲更换的控制器与变流器、原控制器与变流器以及发电机，送至合格试验场，以电动机拖动，确认在不同转速下变流器输出端测最功率值误差均不超过十10必，此控制器与变流器的组合可视为与原测试认证过的垂直轴风力发电机组完全匹配。4.8电能质量要求
垂直轴风力发电机组并网应考虑GB/T17646一2013中6.5的规定，并应符合安装地区并网相关法规的规定。
4.9电磁兼容性要求
垂直轴风力发电机组的电磁兼容性技术要求对象主要为发电机与控制器两类组件，应考虑其电磁扰（FMT，FlecttomegneticInterference）和电磁抗扰度（EMS，ElectromagneticSusceptibility）两种特性：
a）发电机电磁兼容性可遵照GB755一2008中第13章的耍求，并考虑当地的特定电磁兼穿性规定要求。
b)控制器电磁兼容性：
一般小型风力发电机组控制器电微兼容性技术要求应符合CB17799.1及GB17799.3中相关规楚：
一控制器与发电机的电磁干扰部分可选择分开进行测试，单就控制器的电磁干扰测试可用三相的交流电源供应器或自耦变压器模拟风力发电机组作为测试的来源，并操作输出在额定功率下进行验证测试；
离网型控制器的输出末接丁电网，但是仍应考虑无线（辐射传导）的电磁兼容性。5试验
5.1试验场地
5.1.1实际风况条件下进行试验的试验场地5.1.1.1属于应在实际风况条件下进行的相关试验应在符合GB/T18451.2—2012中5.2所述的合格试验场地进行，而目该合格试验场地应有合格的试验评估与仪器操作人员，相关试验仪器应符合该标准中第6章的要求。具备噪声测试能力的合格试验场地应符合G/T22516一2008的7.1.1关于噪声测量位置及第6章中关于测量仪器的要求。5.1.1.2考虑多数垂直轴风力发电机组运转不需对准特定风向的特性，GB/T18451.2一2012的5.2.2有关排除特定方位受风力发电机组尾流效应影响的测量数据的叙述，试验场地可于原设气象测风杆的180及与风力发电机纽原距离相同位置增设另气象测风杆，以此气象测风杆所测量相关方位的测量数据则可以不受原排除条款限制5.1.1.3合格试验场地应能提供构筑于地面的稳固基础设施，供试验风力发电机组及其塔架进行试验7
GB/T 29494—2013
时与其搭接，该基础设施必须能承受来白于试验风力发电机组运转期间加诺于地面的载荷。5.1.2不属于必须在实际风况条件下进行的试验垂直轴风力发电机组对于不属于必须在实际风况下进行的试验，包括极限或疲劳载荷相关的结构安全评估，应由符合GB/T27025-2008要求的合格评估人员或机构进行试验或评估；与终端负载相连的电力转换装置试验，应由合格的电气试验机构进行试验及/或评估。5.2系统试验与评估
5.2.1概述
任何垂直轴风力发电机组应经过下列所述系统试验与评估，以验证其性能、安全及噪声水平。合格场地或评估机构所出具的试验与评估报告，均应在其报告首页裁明被检测风力发电机组的风轮尺寸与其他可供识别的重要规格参数，并应附有受检测风力发电机组的实体照片。5.2.2功率特性试验
垂直轴风力发电机组功率特性试验应依GB/T18451.2--2012的方法及本标附录A的补充规定逃行。测试结果应至少包括下列重要功率特性项目：a）功率曲线；
b）年发电量；
c）功率系数，
5.2.3耐久性试验
5.2.3.1耐久性试验如无其他要求，须符合GB/T17646一2013中9.4的要求。耐久性试验的日的在于探讨结构完整性与材料退化情形（腐蚀，裂痕、变形等）以及风力发电机组的动态行为。5.2.3.2当风力发电机组全部完成以下项目时，则视为共通过耐久性试验：a）至少6个月于试验场地的运转测试：h）在各种风速之下至少运转发电2500h；c）在1.2倍V以上风速下至少运转发电250h；d）在1.8倍V以上风速下至少运转发电25h；e）在2.2倍Va以上（但不小于15m/s)风速下至少正常运转1Umin。测试期间至少达90%以上的运转可靠性，运转可靠性以运转时间比率（OperationalTimef）
Fraction)米表达，运转时间比率的计算应避照GB/T17646—2013中9.4.2.2的规定，注1：e)所称的正常运转，包括下列项目：1）风力发电机组发电中：
2）在低风速切入与高风速切出时因风速变换而产生的自动启动与停机；3）在风速低于切入风速或高于切出风速时的空转或停机状态；2）风力发电机组正常关机（并非故障所造成)到重新启动之的运行状态（例如制动器冷却周期与叶尘制动收回等)。
注2：)以运转时间比率所表示的运转可靠性·应在以下录件下获得风力发电机组本身或主要零部件没有火故障（包括叶片、控制器、发电机、轴承或变流器）；风力发电机组主要零部件（包括系统支撑结构或塔架）没有明显游损.离蚀或损坏（明显磨损是指可推断在风力发电机组寿命明间，任何会造成无法接受的强度丧失或间的磨损）；且在可比较的风遮下所产生的电力无衰减现象。试验期间发生重大故障或任何上述重大故障相关的主要零部件被替换+应视为试验失败。注3：各项测试的基本参数或风速是以连续10min的平均值为准，亦即25h意味须有10min平均1组测试数据共8
150组+合格试验场地应经验证具备此等测试案件。GB/T294942013
注4：d)及e)，风力发电机组设计为在1.8倍V以上风就已经停机，则可以发电运转改为正常运转，5.2.3.3任何隐藏的发电量衰减现象的评估，可以将耐久性试验进行期间每1个月功率水平依照风速作分类。每个风速下，将分组的功率水平绘制成时间函数的图形。如果图中有明显趋势时，则应进行论证以找出原因。在电池充电系统的情况下，应画出具有可比较的充电状态的各点，本评估应仅采用被视为正常运转的数据点。
5.2.3.4风力发电机组的动态行为应加以观察,评估与纪录，从切人风速到20m/s(或1.8V）之间所有运转茶件（例如有负载、无负载，过速控制状态等），观察时间至少为1h，以证实系统并未出现过度振动。测试期问内有关风力发电机组及塔架有任何可见的问题及缺失皆须翔实记录。5.2.4噪声测试
噪声测试方法及测试内容应依据GB/T22516一2008进行，所使用仪器应符合该标推中第6章的规,但应遵照下列附规定：
a）每一次测试所取的平均时间为10 s.6）测试位置遵照B/T22516一2008中7.1的规定，除测试基推点外，另3个可选测量停置需使用在测量「。测量位置相对于风向的偏差应在土15\以内。风力发电机组塔架垂直中心线至各麦克风位置的水平距离R。，允许偏差为20%，测量精度应为士2%。对于垂直轴风力发电机组R，定义为R。=H+D,如图2所示。R=H+D
图 2定义R，和斜距R,的示意图
c）风速应以直接测量为主，避免使用依据功率及风速关系所推导出的风速值。d）应来用区间法（bin法)以线性回归的数据组分析法，决定警数风速时的声压级，视在声功率级的计算应依据GB/T22516一2008中8.3的要求进行，1) V是以风力发电机组厂商依 GB/T 17646—一2013 中 6. 2 所宜称的风,力发电机组等级下,轮毂高度的年平均风速。
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