IEC TS 61400-92025 风能发电系统 第9部分风力涡轮机的概率设计措施标准立项发展报告

风能发电系统第9部分：风力涡轮机的概率设计措施标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:WindEnergyGenerationSystems-Part9:ProbabilisticDesignMeasuresforWindTurbines摘要随着全球风能产业的快速发展，风力涡轮机的设计方法正经历从传统确定性设计向概率设计的重要转变。IECTS61400-9:2025《风能发电系统第9部分：风力涡轮机的概率设计措施》由国际电工委员会（IEC）正式发布，标志着风电机组设计规范向不确定性量化与风险管理方向的系统性拓展。本报告系统梳理了该标准的技术背景、核心内容、编制历程与应用前景，分析其在载荷计算、材料强度、环境适应性和结构可靠性等关键领域的技术创新，并重点介绍了主要参与单位——丹麦科技大学（DTU）风能系及其所依托的IEC/TC88技术委员会在标准制定中的核心贡献。报告指出，该标准的发布填补了风能领域概率设计方法国际标准化的空白，对推动风电机组精细化设计、降低度电成本、提升全生命周期安全性具有重要的理论价值和工程指导意义，并对我国风电标准体系与国际接轨提出展望。关键词：风能发电系统；风力涡轮机；概率设计；IEC标准；结构可靠性；不确定度量化；载荷分析Keywords:WindEnergyGenerationSystems;WindTurbines;ProbabilisticDesign;IECStandards;StructuralReliability;UncertaintyQuantification;LoadAnalysis一、引言1.1研究背景全球能源转型进程加速推进，风能作为最具规模化开发条件的可再生能源之一，其装备制造业正面临前所未有的技术升级压力。据全球风能理事会（GWEC）统计，2024年全球新增风电装机容量达到创纪录的117GW，累计装机容量突破1050GW。随着单机容量持续攀升——海上风电机组已从8MW快速迭代至15MW乃至20MW级别——风力涡轮机的结构安全裕度、材料利用效率和全生命周期经济性之间的矛盾日益突出。传统的风力涡轮机设计主要依赖于IEC61400系列标准所确立的确定性设计方法，即通过定义标准载荷工况、选取特征值参数并施加安全分项系数来保障结构安全。然而，这一方法在应对环境载荷的随机性、材料性能的离散性以及模型预测的不确定性方面存在固有局限。为满足不断增长的大叶轮、高塔筒、复杂地形与深远海部署需求，采用概率设计方法对不确定性因素进行显式量化已成为国际风能技术发展的必然趋势。1.2标准化需求分析概率设计方法在航空航天、土木工程和海洋工程等领域已有成熟应用，但在风电行业的标准化仍处于起步阶段。尽管学术界和工程界已积累了大量关于载荷外推、可靠度分析和风险评估的研究成果，但由于缺乏统一的国际标准加以规范，不同制造商和认证机构在概率方法的应用流程、输入参数选择和验收准则方面存在显著差异，制约了概率设计方法的工程推广和认证认可。在此背景下，制定专门的风力涡轮机概率设计措施国际标准，成为IEC/TC88（风力发电系统技术委员会）的重要议程。二、标准概述2.1标准基本信息IECTS61400-9:2025《风能发电系统第9部分：风力涡轮机的概率设计措施》（Windenergygenerationsystems-Part9:Probabilisticdesignmeasuresforwindturbines）由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）于2025年7月30日正式发布。该标准属于IEC61400系列标准家族，分类号为风力发电系统和其他能源，标准状态为现行。作为IEC技术规范（TechnicalSpecification,TS），该文件旨在为风电行业提供一套统一的概率设计方法论框架，为未来升级为国际标准（IS）奠定基础。标准正文以英语编写，采用电子版加密PDF格式发布，用户需安装FileOpen插件进行阅读，限制累计3台电脑共打印5次。2.2标准定位与适用范围IECTS61400-9:2025适用于陆上和海上风力涡轮机的结构设计、载荷计算和安全评估，涵盖但不限于以下对象：-水平轴风力涡轮机的支撑结构（塔架、基础）和主要承载部件（叶片、轮毂、传动系统）；-风电机组整体结构在不同环境条件（风速、湍流、波浪、地震、海冰等）作用下的可靠性分析；-针对型式认证、项目认证和特定场址评估的概率设计应用；-既有风电机组的结构延寿评估和再认证中的概率方法应用。该标准与IEC61400-1（设计要求）、IEC61400-3-1（固定式海上风电机组设计要求）和IEC61400-6（塔架和基础）等标准保持衔接，在确定性设计框架的基础上引入概率设计作为补充或替代方法。三、标准主要技术内容3.1概率设计总体框架IECTS61400-9:2025确立了风力涡轮机概率设计的总体技术框架，核心要素包括：（1）极限状态函数与设计准则。标准规定概率设计需明确各极限状态（承载能力极限状态ULS、疲劳极限状态FLS、正常使用极限状态SLS和偶然极限状态ALS）对应的极限状态函数，将结构响应与抗力参数表达为随机变量的函数，以失效概率或可靠性指标作为设计度量。（2）可靠性目标校准。标准提出可靠性目标值的确定方法，允许依据结构失效后果等级和失效模式（延性失效或脆性失效）选择年失效概率目标或可靠性指标目标，并给出了与现行确定性设计相当的目标值参考范围。（3）分项系数校准方法。当概率设计与分项系数法结合使用时，标准给出了基于可靠度理论的抗力分项系数和荷载分项系数校准流程，使校准后的分项系数能够反映目标可靠性水平。3.2不确定性来源与量化方法标准系统性识别了风电机组设计中主要不确定性来源，并将其分为三类：（1）固有随机性（AleatoryUncertainty）。包括风速年分布、湍流强度、风向变化、波浪参数（对海上机组）、极端风事件发生频率等环境参数的随机波动，通过概率分布模型描述。（2）认知不确定性（EpistemicUncertainty）。包括载荷模型误差、气动模型简化假设、有限元离散误差、材料本构模型近似等因知识不足导致的不确定性。标准推荐采用模型因子方法进行修正。（3）统计不确定性。来自有限样本估计和参数估计的不确定性。标准给出了基于Bootstrap方法和Bayesian方法的统计不确定性传播建议。3.3关键设计参数的概率建模标准对风电机组设计中的关键参数给出了概率建模指导，主要包括：-风况参数：Weibull分布参数的年平均风速概率建模、湍流强度的条件概率分布、极端湍流模型（ETM）和极端风切变的概率表征；-材料性能参数：钢材、混凝土、复合材料（纤维增强塑料）和铸铁材料的强度、弹性模量和疲劳性能的概率分布，包括尺寸效应和时间效应修正；-载荷效应参数：等效疲劳载荷的概率分布、极限载荷的外推方法（包括峰值外推法和过阈值法）、载荷联合概率建模；-结构抗力参数：构件几何尺寸的公差分布、初始缺陷的影响、腐蚀余量的概率描述。3.4可靠度分析与计算方法标准推荐了适用于风电机组结构可靠度分析的计算方法体系：-一阶可靠度方法（FORM）和二阶可靠度方法（SORM）：适用于随机变量数量适中、极限状态函数连续可微且非线性程度不高的情况；-蒙特卡洛模拟（MCS）及其重要抽样变体：适用于高维随机空间、极限状态函数隐式表达或高度非线性的情形，标准同时给出方差缩减技术和收敛判据建议；-响应面法：当结构分析依赖有限元计算、直接可靠度分析计算量过大时，推荐采用多项式响应面或Kriging代理模型替代原极限状态函数；-子集模拟和渐进可靠度方法：面向小失效概率目标值的高效计算方法。3.5载荷外推与极端响应预测载荷外推是概率设计的关键环节。标准给出以下技术路径：-峰值外推法（PeakOverThreshold,POT）：基于广义帕累托分布对载荷极值进行外推，确定给定回归期内的特征载荷；-块最大值法（BlockMaxima）：采用广义极值分布拟合各时间段最大值序列；-工况循环叠加法：综合考虑正常运行、故障工况和停机工况的载荷贡献；-环境-载荷联合建模：针对海上风电机组，考虑风速、波高、波周期和海流的联合概率分布及其方向性。3.6全生命周期概率设计标准鼓励将概率设计方法扩展至风电机组的全生命周期管理，包括：-概率疲劳损伤累积模型：基于Miner线性累积损伤准则与概率S-N曲线的疲劳可靠性评估；-检测与维护策略优化：结合结构健康监测数据，更新可靠性评估结果并优化检测周期和维护策略；-寿命延长评估：基于更新后的载荷谱和材料退化模型，对设计寿命期满后的风电机组进行概率延寿评估；-风险-informed决策：将失效概率与经济风险分析（包括能量损失、维修成本和停机损失）结合，支持全生命周期成本优化决策。四、标准编制历程与国际合作4.1编制历程IECTS61400-9:2025的编制历经多年讨论与技术积累，大致可分为以下阶段：-2018—2019年（预研阶段）：IEC/TC88内部成立专项工作组，调研概率设计方法在风电行业的应用需求和技术可行性，界定标准适用范围和框架结构；-2020—2022年（草案编制阶段）：工作组完成标准草案初稿，陆续纳入载荷外推、可靠度分析、目标可靠性校准等核心内容，并就分项系数校准方法进行了国际范围内的对比验证；-2023年（委员会草案阶段）：草案在IEC/TC88各国家委员会中传阅征求意见，共计收到来自15个国家的200余条反馈意见；工作组逐条处理并修改标准文本；-2024年（最终草案阶段）：完成最终草案（FDTS），提交IEC中央办公室进行形式和语言审查；-2025年（批准发布）：经IEC各成员国投票通过后正式发布。4.2国际参与情况来自德国、丹麦、荷兰、英国、美国、中国、西班牙、挪威等风电技术发达国家的专家深度参与了标准的编制工作。标准充分吸收了国际能源署风能技术合作计划（IEAWindTCP）框架下多个研究任务（Task11、Task30、Task47等）的相关成果，并与DNV、UL等认证机构的技术实践进行了协调对接。五、主要参与单位介绍5.1丹麦科技大学（DTU）风能系丹麦科技大学（TechnicalUniversityofDenmark,DTU）风能系是该标准编制的核心技术支撑单位，多位骨干成员担任工作组召集人或技术编辑。DTU风能系是全球规模最大、学术影响力最深的风能研究机构之一。其前身为Risø国家实验室风能部（RisøNationalLaboratoryforSustainableEnergy），在风资源评估、气动弹性力学、结构动力学和风电机组设计方法等领域有着逾四十年的深厚积淀。该系拥有北欧最大的风洞实验设施、完整的叶片全尺寸结构测试平台和分布于全球多个国家的测风站网络。在本标准编制过程中，DTU风能系主要在以下方面发挥引领作用：-可靠度方法体系构建：基于其在结构可靠度分析领域的长期积累，牵头起草了可靠度分析方法的框架条款，包括FORM/SORM算法在风电机组结构中的应用流程和收敛准则；-实测定载数据共享：依托其主持的多个国际联合测量项目（如DanAero、AVATAR等），提供了全尺度风力涡轮机叶片气动载荷和结构响应的实测数据，为标准中模型不确定度量化提供了关键验证依据；-概率载荷外推方法研究：其在极端载荷外推方面的研究成果（如基于POT方法的约束外推算法）被直接吸收为标准推荐方法；-国际培训与推广应用：DTU通过开设"风电机组可靠度设计"研究生课程和国际短期培训班，为IECTS61400-9的全球推广提供了人才支撑。此外，DTU风能系的核心学者自2010年起持续担任IEC/TC88的专家代表，深度参与了IEC61400-1（第4版修订）和IEC61400-3-1等关键标准的编制工作。项目团队与全球多个风机制造商（如维斯塔斯、西门子歌美飒、GE可再生能源）和认证机构（如DNV、TÜVNORD）保持紧密合作，确保了标准内容的工程可操作性和技术前瞻性。5.2IEC/TC88技术委员会本标准的编制依托IEC/TC88（风力发电系统技术委员会）的标准化管理框架。TC88成立于1985年，秘书处设于丹麦，目前拥有超过25个积极参与国和20余个观察国，是国际风电标准化领域的核心技术机构。TC88下设多个工作组（WG）和维护团队（MT），其中WG6（结构设计）和WG27（风况与载荷）直接参与了本标准的技术协调和审查。六、标准应用价值与行业影响6.1对风电机组设计实践的提升IECTS61400-9:2025的应用有望在多个维度提升风力涡轮机设计实践水平：（1）减少过度保守、释放设计潜力。现有确定性设计方法为保证安全性，往往在多个环节层层设置安全裕度，导致结构重量和成本居高不下。概率设计允许设计者在明确的风险目标下，精确定位关键不确定性来源，实现"安全裕度精准投放"，据DTU等机构的研究预估，应用概率设计在塔架和基础结构中可降低结构自重5%—15%。（2）支持新型大型机组开发。对于15MW以上超大型海上风电机组，现有设计标准中的经验系数和外推方法适用范围受到质疑。概率设计方法直接基于物理模型和实测数据量化不确定性，为突破现有标准适用边界提供了科学工具。（3）提升场址适应性评估精度。在复杂地形、恶劣海况等特定场址条件下，概率设计能够充分利用场址实测数据对设计参数进行更新，实现"一场址一设计"的精细化设计理念。6.2与认证体系的衔接该标准的发布促使各认证机构加速建立概率设计认证的配套流程。DNV、ULSolutions等机构已开始在其认证服务中接受基于可靠度分析的设计验证。该标准与IEC61400-22（合格评定）的协调问题也在TC88的工作议程中得到了讨论。6.3对中国风电行业的意义中国是全球最大的风电装备制造国和装机市场。截至2024年底，中国风电累计装机已突破490GW。IECTS61400-9:2025的发布对中国风电行业提出了以下启示：-国内头部整机企业（如金风科技、远景能源、明阳智能等）已开始布局概率设计能力，积极参与国际标准讨论有助于把握技术主动权；-中国风电机组的运行环境复杂多样，台风、高海拔、低风速和沙尘等特殊环境条件为概率设计提供了丰富的数据基础和应用场景；-该标准为下一步转化为中国国家标准（采用IDT或MOD方式）提供了参考蓝本，有利于推动国内风电标准体系与国际全面接轨。七、结论与展望IECTS61400-9:2025的发布是风力涡轮机设计标准化进程中的一个重要里程碑。该标准首次在国际层面系统性地建立了适用于风力涡轮机全生命周期设计、评估和认证的概率设计方法框架，在不确定性量化、可靠度分析、载荷外推和风险决策等方面提供了全面技术指导。其意义不仅在于为工程实践提供了一套新的方法论工具箱，更在于推动了整个风电行业从"基于安全系数的确定性思维"向"基于风险管理的概率思维"转变。展望未来，IECTS61400-9:2025的后续发展将呈现以下趋势：其一，随着实际应用经验的积累和反馈，该技术规范有望在未来数年内升级为正式国际标准（IS）；其二，概率设计方法与数字化技术（如数字孪生、机器学习代理模型）的融合将不断深化；其三，在碳达峰碳中和目标的驱动下，概率设计方法将促进风电机组全生命周期资源效率的优化，在保障安全的前提下最大限度降低材料消耗和碳排放。中国风电行业应积极跟踪并深入研究该标准，同步推进国内标准转化、自主技术研发和工程示范应用，力争在全球风电标准化格局中发挥更为积极和建设性的作用。参考文献[1]IECTS61400-9:2025,Windenergygenerationsystems-Part9:Probabilisticdesignmeasuresforwindturbines[S].Geneva:Internatio