IEC 61400-132015AMD12021 修改件1.风力涡轮机.第13部分机械载荷的测量标准立项发展报告

修改件1.风力涡轮机.第13部分:机械载荷的测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Amendment1-Windturbines-Part13:Measurementofmechanicalloads摘要随着全球能源转型战略的深入推进，风力发电技术正朝着大容量、高轮毂、长叶片及深远海布局方向快速发展。风力涡轮机机械载荷的精确测量与评估，是保障机组结构安全、优化设计裕度及提升发电效率的关键技术环节。IEC61400-13:2015作为风力涡轮机机械载荷测量的核心国际标准，为载荷测量方案设计、传感器标定、数据采集与处理及结果报告提供了统一技术框架。然而，近年来风电机组大型化趋势加速、新型传感与数据采集技术涌现，以及工业界对载荷测量不确定度精细化管理的迫切需求，使得原标准在适用范围、技术方法及数据处理流程等方面亟需更新。为此，国际电工委员会（IEC）于2021年12月正式发布IEC61400-13:2015/AMD1:2021修改件。本报告系统梳理了该修改件的修订背景、主要技术变更内容及其对风力发电行业的影响，分析了参与修订的主要技术单位及其贡献，并对未来标准发展趋势进行了展望。该修改件的发布进一步完善了风力涡轮机机械载荷测量的国际标准体系，对提升全球风电装备设计验证水平和安全可靠性具有重要意义。关键词：风力涡轮机；机械载荷测量；IEC61400-13；标准修订；载荷测试；风电机组认证；不确定度评估Keywords:Windturbines;Mechanicalloadmeasurement;IEC61400-13;Standardamendment;Loadtesting;Windturbinecertification;Uncertaintyevaluation1引言1.1修订背景风力发电作为技术最成熟、开发成本最低的可再生能源形式之一，在全球能源结构中占据日益重要的地位。根据全球风能理事会（GWEC）发布的《全球风能报告2024》，截至2023年底全球风电累计装机容量已突破1021GW，年新增装机容量达117GW。与此同时，风电机组单机容量持续攀升，海上风电机组已从早期的兆瓦级发展到目前的16-18MW级别，叶轮直径突破260米，轮毂高度最高达170米。机组大型化带来的结构柔性增加、气动弹性耦合复杂化以及极端载荷工况多样化，对机械载荷测量的准确性和可靠性提出了更高要求。IEC61400-13:2015《风力涡轮机——第13部分：机械载荷的测量》是国际电工委员会风力发电系统技术委员会（IEC/TC88）制定的关于风力涡轮机机械载荷测量的基础性标准。该标准规定了风力涡轮机机械载荷测量的总体要求，包括测量目标定义、测量方法与程序、传感器标定方法、数据采集与验证、数据处理与评估以及结果报告格式等内容，是风电机组设计认证、型式认证和项目场址适用性评估的重要技术依据。1.2修订的必要性自2015版标准发布以来，风电行业发生了深刻的技术变革：-机组大型化趋势显著：单机容量从3-4MW发展到15MW以上，叶轮直径和轮毂高度大幅增加，传统的载荷测量方法在大柔度叶片和大直径主轴上出现适配性问题；-新型测量技术涌现：光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器、高精度GNSS位移测量、激光雷达（LiDAR）来流测量以及基于物联网的分布式数据采集系统等新技术逐步成熟，但原标准未涵盖这些新技术的应用要求；-不确定度评定需求增强：国际认证机构（如DNV、UL、TÜV等）在认证实践中对载荷测量的不确定度量化提出了更为严格的要求，原标准在不确定度评定方面的指导不够系统；-与相关标准的协调需求：IEC61400-1（设计要求）、IEC61400-12（功率性能测量）等同族标准均有更新，需要与本标准保持技术协调。因此，IEC/TC88决定对该标准进行局部修订，以修改件（Amendment）形式发布，以快速响应行业需求。2标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61400-13:2015/AMD1:2021||标准名称|修改件1.风力涡轮机.第13部分：机械载荷的测量||英文名称|Amendment1-Windturbines-Part13:Measurementofmechanicalloads||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||所属技术委员会|IEC/TC88（风力发电系统）||分类号|风力发电系统和其他能源||发布日期|2021年12月3日||国别|国际组织||语言|英语+法语||替代关系|对IEC61400-13:2015的补充修改||ICS分类号|27.180（风力发电系统和其他能源）|3标准修订的主要技术内容IEC61400-13:2015/AMD1:2021修改件在保持原标准总体框架的基础上，针对以下关键技术内容进行了修订和补充：3.1测量传感器技术的扩展修改件新增了对光纤应变传感器、无线遥测系统等新型测量设备的技术要求，包括安装方式、标定方法、温度补偿措施及数据同步要求。特别是针对大直径主轴上光纤光栅传感器的布置和信号解调方法给出了具体指导。同时，修改件对传统电阻应变片传感器的使用限制进行了重新评估，明确了其在长期疲劳载荷监测中的适用条件和校准周期。3.2不确定度评定的细化修改件大幅充实了测量不确定度评定内容。规定载荷测量不确定度应涵盖传感器标定误差、信号采集误差、数据换算误差及环境因素引入误差等主要分量，并推荐采用“测量不确定度表示指南”（GUM）框架进行不确定度合成与表达。修改件还引入了基于蒙特卡洛法的数值不确定度评定方法，作为解析法的补充手段，并给出了典型的载荷测量不确定度预算表格模板。3.3极端载荷工况的测量要求针对IEC61400-1:2019中新增的极端载荷工况（如极端方向变化（EDC）、极端相干阵风（ECG）等），修改件对相应工况下的载荷测量方案设计、触发条件设定和数据记录要求进行了补充规定，确保测量能够有效覆盖设计极限载荷工况。3.4数据处理与评估方法更新修改件进一步完善了数据的预处理方法，包括异常值识别与剔除的标准准则、数据平稳性检验方法，并推荐了与IEC61400-12-1:2017一致的雨流计数法实施程序。在载荷外推方面，修改件引入了基于全局极值模型的改进外推方法，作为传统峰值阈值法（POT）的补充手段，提高了设计载荷外推的精度与稳健性。3.5与IEC61400-1:2019的协调更新2019年发布的IEC61400-1第四版对载荷安全系数、极端载荷模型和疲劳载荷计算方法进行了多处修订。为保证标准体系的一致性，本修改件对相应条款进行了同步更新，明确了机械载荷测量结果应用于设计验证时的安全系数取值方法和转换关系。4标准修订过程IEC61400-13:2015/AMD1:2021的修订工作由IEC/TC88下设的项目组（PT61400-13）具体负责，修订过程遵循IEC标准制定的公开透明原则：|阶段|时间节点|主要内容||------|----------|----------||新工作项目提案（NP）|2018年|TC88成员体投票通过修订提案||工作组草案（WD）|2019年|项目组完成草案初稿||委员会草案（CD）|2019-2020年|分发给各国家委员会征求意见||委员会草案投票（CDV）|2020年|各国家委员会投票并提出修改意见||最终草案（FDIS）|2021年|根据投票意见完成终稿||正式发布|2021年12月3日|由IEC中央办公室正式出版发布|5主要参与修订的企事业单位或标委会5.1国际电工委员会风力发电系统技术委员会（IEC/TC88）IEC/TC88是国际电工委员会下设的专门从事风力发电系统标准化的技术委员会，秘书处设在丹麦标准协会（DanishStandards，DS）。TC88成立于1988年，是全球风电领域最重要的国际标准制定组织。截至2024年，TC88下设多个工作组（WG）和项目组（PT），负责制定和维护IEC61400系列标准（包含设计、安装、运维及测试评估等环节）。本修改件由IEC/TC88下属的PT61400-13项目组直接负责编制，项目组召集人由来自德国Fraunhofer研究所的专家担任。参与编制的专家来自全球主要风电设备制造商（维斯塔斯、西门子歌美飒、通用电气可再生能源、金风科技等）、认证机构（DNV、ULSolutions、TÜVNORD等）、研究机构（丹麦Risø国家实验室、德国FraunhoferIWES、美国国家可再生能源实验室（NREL）等）及各国标准化机构。5.2核心参与单位——德国弗劳恩霍夫风能系统研究所（FraunhoferIWES）FraunhoferIWES是全球风电领域具有重要影响力的应用研究机构，总部位于德国不来梅，拥有世界上最大的风电机组传动链测试台和叶片结构测试设施。在IEC61400-13:2015/AMD1:2021的修订过程中，FraunhoferIWES承担了以下核心技术工作：-主导修订了测量不确定度评定方法论框架，基于其多年积累的载荷测量实践经验，系统提出了涵盖整个测量链的误差分量分解方法；-牵头开展大叶片柔性变形条件下应变测量方法的对比实验，为修改件中传感器选型和安装的技术规范提供了实验依据；-参与极端载荷工况测量方案的编制；-为推动标准修订成果在工业界的应用验证，组织了多轮行业测试比对活动，协调了来自欧洲、北美和亚洲的多家企业和研究机构参与技术验证工作。FraunhoferIWES在风力涡轮机载荷测量技术领域拥有超过二十年的研究积累，其研究成果已被广泛应用于IEC61400系列多项标准。5.3中国参与情况中国作为IEC/TC88的重要成员体，在本次修改件编制过程中发挥了积极作用。中国电力科学研究院、金风科技、远景能源等单位参与了相关讨论。中国国家标准化管理委员会（SAC）组织国内相关单位对CDV稿提出了多项技术意见，部分意见被采纳。6标准实施与应用6.1在国际风电认证体系中的地位IEC61400-13是国际风电认证体系的基础标准之一。IECRE（国际可再生能源设备认证体系）将其列为风电机组型式认证的必用标准。修改件发布后，各主要认证机构（DNV、UL、TÜV等）已将其纳入认证技术规范。在实际载荷测试项目中，新修订内容已被逐步采用，特别是在传感器选型和不确定度评定环节，修改件提供的系统框架和细化要求已开始在实际项目中发挥指导作用。6.2对风电行业的影响（1）对整机制造商的影响：修改件对传感器精度、安装工艺和数据质量的更高要求，促使整机制造商升级测试设备和数据处理流程。（2）对第三方检测机构的影响：修改件细化了不确定度评定的技术要求，对第三方检测机构的测试能力和数据处理水平提出了更高要求。（3）对风电场开发运营方的影响：修改件强化了载荷测量的规范性，使得风电场场址适用性评估中的载荷验证环节更为严谨可靠。7结论与展望IEC61400-13:2015/AMD1:2021修改件的发布是风力涡轮机机械载荷测量标准化工作的重要阶段性成果。该修改件系统回应了风电行业近年来在机组大型化、新技术应用和不确定度精细管理等方面的标准化需求，进一步完善了IEC61400标准族对于机械载荷测量的技术规范体系。从标准内容看，修改件在传感器技术、不确定度评定和数据处理方法等方面的更新，体现了国际风电测试技术从经验型向数据驱动型的转变趋势。修改件与IEC61400-1:2019的协调更新，保障了标准体系内部的一致性和可操作性，为全球风电行业的设计验证和型式认证提供了更为坚实的技术基础。展望未来，随着风电技术持续向深远海、大容量和智能化方向发展，IEC61400-13标准仍将面临持续的修订需求。值得关注的潜在方向包括：适用于15MW以上超大型机组的载荷测量方法优化、基于数字孪生和机器学习的数据分析与外推技术、海上浮式风力涡轮机的载荷测量特殊要求、以及与IEC61400-1下一阶段修订工作的协同推进等。参考文献[1]IEC61400-13:2015/AMD1:2021,Amendment1-Windturbines-Part13:Measurementofmechanicalloads.Geneva:IEC,2021.[2]IEC61400-13:2015,Windturbines-Part13:Measurementofmechanicalloads.Geneva:IEC,2015.[3]IEC61400-1:2019,Windenergygenerationsystems-Part1:Designrequirements.Geneva:IEC,2019.[4]IEC61400-12-1:2017,Windenergygenerationsystems-Part12-1:Powerperformancemeasurementsofelectricityproducingwindturbines.Geneva:IEC,2017.[5]GlobalW