ГОСТ Р 54418.1-2012 (МЭК 61400-1:2005) Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 1. Технические требования

Приложение F
(справочное)

Статистическая экстраполяция нагрузок для расчета по предельным нагрузкам

F.1 Основные положения

Отказ элемента конструкции возникает, когда напряжение в критическом сечении превышает несущую способность материала рассматриваемого элемента. Предполагая, что местные напряжения связаны с внешней нагрузкой таким образом, что напряжение пропорционально растет с ее увеличением, прочность элемента конструкции может быть определена через предельную нагрузку, вызывающую отказ (разрушение). Соответствие конструкции условиям прочности может быть проверено для различных случаев рабочих нагрузок на основе сравнения экстремальных величин возникающих нагрузок с предельной прочностью, используя соответствующие коэффициенты безопасности.

Для ветроустановок нагрузка зависит от турбулентности набегающего воздушного потока, которая изменяется в зависимости от параметров ветра. Таким образом, необходимо рассчитать экстремальные значения статических нагрузок для определения соответствующей расчетной номинальной нагрузки.

Для рассматриваемого состояния ветрового потока целесообразно использовать модель ответной реакции как статический случайный процесс. Учитывая это, нагрузки могут быть представлены в виде таких процессов. Методы, изложенные далее, используются для извлечения данных для экстраполяции и экстраполяции нагрузок. Также предложены критерии сходимости и приведен альтернативный вариант для оценки длительно действующих нагрузок, использующий обратный первого порядка метод надежности (IFORM).

Данные методы были проверены для 3-х лопастных ветроустановок с горизонтальной осью вращения, расположенных по набегающему воздушному потоку перед башней. Для других конструкций ВЭУ и/или схем управления, включая обратную связь по нагрузкам, может потребоваться особое внимание. Большее количество информации и руководство приведено в F 6.

F.2 Извлечение данных для выполнения экстраполяции

Данные, используемые при экстраполяции, извлекаются из временных рядов моделирования, соответствующих рабочему состоянию ВЭУ в установленном диапазоне параметров набегающего воздушного потока.

Данные могут быть извлечены на основе выбора отдельных глобальных экстремальных реакций из каждого моделирования или некоторого подмножества, созданного разделением данных моделирования в блоки, имеющие одинаковые временные интервалы, или обеспечением минимального временного разделения между экстремальными значениями.

Установление независимости между отдельными экстремальными реакциями является важным для некоторых методов экстраполяции. При извлечении данных проектировщик должен учесть эффект взаимонезависимости между пиками на экстраполяцию и минимизировать зависимость, когда это возможно. Если выбранный для экстраполяции метод чувствителен в отношении допущения о независимости (например, метод привлекает функции вероятности преобразования между базами времени), то проектировщик должен попытаться выполнить статистическую проверку на независимость.

Простой подход, гарантирующий независимость, состоит в предположении, что глобальный экстремум в каждом десятиминутном моделировании или локальные экстремумы, находящиеся в интервалах не короче чем три цикла реакций, являются независимыми. Таким образом, они требуют разделения минимальными интервалами времени между отдельными экстремальными реакциями в циклах, содержащих по три реакции (определенных тремя средними пересечениями в блоке). Если желательно применение систематического статистического подхода, то проектировщик может осуществить проверку на независимость, используя стандартные методы оценки (например, F.6. [5], [6]) и затем минимизировать зависимость контролируемым методом.

Методы пороговых пиков могут также использоваться, но проектировщик должен проявить внимательность, чтобы ошибки усечения и корреляции, введенные порогом, не повлияли существенным образом на форму эмпирического распределения.

F.3 Методы экстраполяции нагрузок

F.3.1 Основные положения

Предлагаемые методы определения нагрузки, вызванной воздействием ветрового потока, возникающим один раз в 50 лет, на основе экстраполяции экстремальных случаев нагружения ветроустановки могут быть представлены в виде следующих процедур:

а) Параметрическая подгонка с последующим объединением

Деление рабочего диапазона ветроустановки на дискретные скорости ветра и выполнение во временной области моделирования при нормальном уровне турбулентности (НМТ). Расчет экстремального значения (параметрического) распределения [2] для каждой взятой скорости ветра. Объединение всех распределений в функцию распределения средней скорости ветра на большом интервале времени. Прогнозирование величины скорости ветра, возникающей один раз в 50 лет, на основе объединенной функции распределения. Для глобального экстремума из 10-минутных моделирований вероятность 50-летней нагрузки составляет 3,8·10.

b) Объединение данных с последующей подгонкой

Деление рабочего диапазона ветроустановки на дискретные скорости ветра и выполнение во временной области моделирования при нормальном уровне турбулентности (НМТ). Объединение всех соответствующих экстремальных значений из всех временных областей моделирования в функцию распределения средней скорости ветра на большом интервале времени для рабочего диапазона ветроустановки. Определение всех экстремумов для одной (объединенной) функции распределения. Прогнозирование величины скорости ветра, возникающей один раз в 50 лет, на основе полученной функции распределения. Для выбранного периода наблюдения Т, чтобы получить эмпирическую функцию распределения для этого же большого периода времени, рассматриваются два различных способа объединения экстремумов смоделированных распределений на малых временных интервалах: экстраполяция на основе глобальных и локальных экстремумов

F.3.2 Глобальные экстремумы

Глобальные экстремумы распределения для малых временных интервалов для выбранного периода наблюдения Т, обозначены

,                                                              (F.1)

где s - реакция, возникающая в результате воздействия нагрузки.

Из этого, на основе применения распределения для средних скоростей ветра на большом интервале времени, получаем функцию распределения экстремальных значений на большом интервале времени

.                                       (F.2)

Величина экстремальной реакции s для желаемого периода повторения Т может быть получена из следующего равенства