Lasten - Anhang VII: IEC 61400-1 ed.4 (2019)

Zur deutschen Hauptseite | Alle deutschsprachigen Seiten

Ab windPRO-Version 3.3 unterstützt SITE COMPLIANCE die Edition 4 der IEC 61400-1 [24] (im Folgenden IEC Ed. 4), die im Februar 2019 veröffentlicht wurde. In weiten Teilen ist die Ed. 4 konsistent mit Ed. 3, es werden jedoch neue Auslegungsklassen und neue Prüfungen für die Extrembedingungen eingeführt. Zudem wurde die Prüfung der Geländekomplexität verändert, Ziel bleibt aber weiterhin die Festlegung, ob und in welchem Maß eine Korrektur der Turbulenzstruktur an den geplanten WEA-Positionen nötig ist. Eine Verbesserung in der Ed. 4 ist die übersichtliche Trennung der Prüfungen in Parameter, die auf die Ermüdungslasten einwirken und die der Extremereignisse, die zu den Extremlasten führen. Im Folgenden finden Sie die in SITE COMPLIANCE und LOAD RESPONSE relevanten Unterschiede der IEC Ed. 4 und Ed. 3 und kurz erläutert.

Auslegungsklassen

Die IEC Ed. 4 enthält die selben Standard-Auslegungsklassen wie IEC Ed. 3, die Windgeschwindigkeitsklassen I bis III und Turbulenzklassen A bis C, die Parameter I_ref, V_ref und V_ave bleiben unverändert. Zusätzlich ermöglicht die IEC Ed. 4 aber eine neue Klasse „A+“ für besonders hohe Turbulenz sowie die Option „Tropisch“ für alle Auslegungsklassen, die die Extremwindgeschwindigkeit V_ref durch eine erhöhte Extremwindgeschwindigkeit V_ref,T von 57 m/s ersetzt. Diese kann in Regionen genutzt werden, in denen Zyklone oder Taifune auftreten. Tabelle 1 der Richtlinie zeigt die Übersicht der Klassen.

Abschnitt 11.2 topographische Komplexität

Zur Beurteilung der Geländekomplexität wurde in Edition 4 auch für den Umkreis im Radius von 5x der Nabenhöhe (NH) die sektorielle Aufteilung eingeführt sowie die Option, die Sektoren um 2xNH in gegenüberliegender Richtung zu erweitern. Insgesamt 1+3x12 = 37 Ebenen müssen an die WEA-Position angenähert werden (in NH):

• 5xNH: 12 sektorielle Anpassungen & 1 omnidirektionale
• 10xNH: 12 sektorielle Anpassungen
• 20xNH: 12 sektorielle Anpassungen

Im Gegensatz zur IEC Ed. 3 müssen die Ebenen nicht mehr durch den Turmfuß gehen. Die zulässige Auflösung des Geländerasters wurde auf ≤50m verringert.

Für jede der 37 angenäherten Ebenen wird die Neigung (θ) der mittleren Linie des jeweiligen Sektors (oder Gradienten für die 360°-Anpassung) ermittelt sowie die Standardabweichung der Differenz zwischen der angenäherten Ebene und der tatsächlichen Geländehöhe der Rasterpunkte (D_TV). Über die Neigungen und die Standardabweichung werden dann gemäß Gleichung (34) der Richtlinie der „Terrain Slope Index“ (TSI) und „Terrain Variation Index“ (TVI) für die angenäherten Ebenen berechnet.

Gleichung (34) aus [24] IEC 61400-1 Ed. 4 (2019), TSI und TVI basierend auf sektoriellen (mit tiefgestellter 30) und omnidirektionaler (mit tiefgestellter 360) Geländeanpassung. f_energy ist der energetische Anteil jedes Sektors and der WEA-Position basierend auf den Weibull-Sektoren. R ist der Radius der Anpassung z.B. 5xNH und k₁=5/3 und k₂=3 sind Konstanten.

Basierend auf den Ergebnissen von TSI und TVI für jede Anlagenposition kann die Komplexitätskategorie der Tabelle 5 der IEC Ed. 4 entnommen werden. Der höchste TSI oder TVI einer WEA-Position legt die Kategorie fest, jede Kategorie wird über die unteren TSI- und TVI-Grenzen definiert. Die Kategorien “L”, “M” und “H” bedeuten low = niedrige, medium = mittlere und high = hohe Geländekomplexität. Unterhalb der niedrigen Komplexität (L) nutzen wir die Bezeichnung „Keine”. Im Gegensatz zu IEC Ed. 3 wird in Ed. 4 kein Komplexitäts-Index berechnet.

Aus [24] IEC 61400-1 Ed. 4 (2019): Tabelle 5 – Grenzwerte der Komplexitätskategorien L, M und H.

Der Parameter zur Korrektur der Turbulenzstruktur (C _ct) kann dann direkt aus der Komplexitätskategorie über Tabelle 7 der IEC Ed. 4 abgeleitet werden. In SITE COMPLIANCE wird dieser Parameter direkt an die relevanten Turbulenz-Prüfungen übergeben, wo er - falls verfügbar - durch die detaillierteren Ergebnisse aus WEng ersetzt werden kann.

Aus [24] IEC 61400-1 Ed. 4 (2019): Tabelle 7 – Werte für die Turbulenzstrukturkorrektur in Abhängigkeit der Geländekomplexitätskategorie L, M und H.

Abschnitt 11.9.2 Bewertung der Ermüdungslasten

Die IEC Ed. 4 teilt die Prüfungen der Windbedingungen auf bzgl. ihres Einflusses auf Ermüdungslasten oder Extremlasten. Diese fünf Prüfungen a) bis e), die die Ermüdungslasten beeinflussen, finden sich auch in IEC Ed. 3:

• a) Windverteilung
• b) Effektive Turbulenz
• c) Neigung der Anströmung
• d) Windshear
• e) Luftdichte

In diesem Bereich gibt es kleinere Änderungen der Prüfungen Windverteilung, Neigung der Anströmung, Windshear und Luftdichte.

In Prüfung (a) Windverteilung wird nun auch der k-Parameter der Weibullverteilung betrachtet, siehe Gleichung (35) und Abbildung 12 der IEC-Richtlinie. Der zulässige Bereich des k-Parameters hängt dabei vom Verhältnis der mittleren Windgeschwindigkeit am Standort und der der Auslegungsklasse ab. Ist das Verhältnis 1 oder liegt darüber, ist das Kriterium nicht erfüllt. Für Werte darunter erweitert sich der zulässige Wertebereich für k um den Auslegungswert von k=2 mit abnehmender mittlerer Windgeschwindigkeit am Standort. Der minimal zulässige k-Wert liegt bei k=1,4, unabhängig vom Windgeschwindigkeitsverhältnis. Verglichen mit Ed. 3 führt das zu einer restriktiveren Prüfung der Windverteilung.

Gleichung (35) und Abb. 12 der IEC 61400-1 Ed. 4 (2019), die die zusätzliche Prüfung des Weibull-k-Parameters beschreiben.

Für Prüfung (b) Effektive Turbulenz wird nun gemäß der Anforderung der Ed. 4 im Windgeschwindigkeitsbereich v_Ave bis 2* v_Ave geprüft. Ed. 3 enthielt das Intervall 60% Nennwindgeschwindigkeit bis Ausschaltwindgeschwindigkeit.

Prüfung (c) Neigung der Anströmung wird gemäß Ed. 4 als energiegewichteter Mittelwert der einzelnen Sektoren betrachtet. In Ed. 3 wurde die maximale Neigung der Anströmung verwendet. In SITE COMPLIANCE können dabei die Beträge der Winkel verwendet werden (Absolute Anströmneigung verwenden), um auszuschließen, dass sich positive und negative Anströmungsrichtungen ausgleichen. Dies ist auch konsistent mit Gleichung 34 aus der Geländekomplexitäts-Prüfung. Die energetische Häufigkeit wird aus den sektoriellen Weibullverteilungen ermittelt. IEC Ed. 4 erlaubt die Verwendung der Neigungen aus den angepassten Ebenen bei 5xNH als sektorielle Neigung der Anströmung. In Ed. 3 wurde die Neigung der omnidirektionalen Ebene betrachtet.

Bei Prüfung (d) Windshear wird nun wie bei der Neigung der Anströmung der energiegewichtete Mittelwert der einzelnen Sektoren betrachtet. Zusätzlich wurde der zulässige Bereich der Windscherung auf 0,05 bis 0,25 angepasst, in Ed. 3 war es 0,0 bis 0,2.

In Prüfung (e) Luftdichte ist es nun erlaubt, an Standorten mit Luftdichte von mehr als 1,225kg/m3 eine windgeschwindigkeitsabhängige Korrektur vorzunehmen. Diese Anpassung verringert die Luftdichte am WEA-Standort um das quadrierte Verhältnis der mittleren Windgeschwindigkeit am Standort und der Auslegungsklasse. Eine um 10% geringere Windgeschwindigkeit am WEA-Standort (Verhältnis von 0,9) führt zu einer Reduzierung der Standortluftdichte von 20%.

Gleichung (37) der IEC 61400-1 Ed. 4 (2019), Anpassungskriterium für die Luftdichte, wenn die Auslegungsluftdichte überschritten ist.

Abschnitt 11.9.3 Extrembedingungen

Die Liste der Prüfungen der Extrembedingungen wurde von einer Prüfung der Extremwindgeschwindigkeit in Ed. 3 auf vier in Ed. 4 erweitert. Die drei weiteren Prüfungen beziehen sich auf unterschiedliche Aspekte der extremen Turbulenz.

a) 90% Umgebungsturbulenz [NTM]

b) Extremwind

c) Extreme Umgebungsturbulenz [ETM]

d) Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte [ETM]

Die Prüfung (b) Extremwind wurde im Vergleich zu Ed. 3 nur geringfügig verändert. Die Annahme der extremen Windgeschwindigkeit muss mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor korrigiert werden, wenn der Koeffizient der Variation (COV) der extremen Gumbel-Verteilung 15% übersteigt. Die zweite Änderung ist, dass die 50-Jahres-Extremwindgeschwindigkeit der WEA gemäß der Gleichung (39) der Norm luftdichtekorrigiert werden darf. Dies reduziert die WEA-Extremwindgeschwindigkeit um die Quadratwurzel des Verhältnisses von Standort-Luftdichte und Auslegungsluftdichte.

Gleichung (39) aus [24] IEC 61400-1 Ed. 4 (2019), zulässige Luftdichtekorrektur für Extremwind.

Die neue Prüfung (a) 90% Umgebungsturbulenz [NTM], testet, ob die 90%-Umgebungsturbulenz der WEA-Positionen inklusive Turbulenzstrukturkorrektur (CCT) bei Windgeschwindigkeiten von 0,6 bis 1,6 mal Nennwindgeschwindigkeit innerhalb des normalen Turbulenzmodelles (NTM) liegt. Der Grund warum dieser nicht-extreme Parameter hier in den Extrembedingungen enthalten ist, liegt an der Verknüpfung mit dem Auslegungslastfall DLC 1.1, der die Extrapolation auf extreme Zustände beinhaltet. Schlägt die Prüfung fehl, müssen DLC1.1 und Lastextrapolation überprüft werden.

Die neue Prüfung (c) Extreme Umgebungsturbulenz [ETM], vergleicht die 50-Jahres-Extremturbulenz am Standort mit der Auslegungsturbulenz des extremen Turbulenzmodells (ETM). Dabei ist keine Turbulenzstruktur-Korrektur (CCT) erforderlich. Ein Windgeschwindigkeitsbereich ist hier nicht festgelegt. Da diese Prüfung aber zum Lastfall DLC1.3 der Gruppe „Produktionsbetrieb“ gehört, der für alle Windgeschwindigkeiten zwischen Einschalt- und Ausschalt-Windgeschwindigkeit besteht, wurde dieser Bereich in SITE COMPLIANCE übernommen.

Die neue Prüfung (d) Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte [ETM] vergleicht das 90%-Fraktil der Turbulenz am Standort inklusive der Wake-Turbulenz für die Richtung der größten Wakeeffekte mit der Auslegungsturbulenz des extremen Turbulenzmodells (ETM). Im Unterschied zur Prüfung der Effektiven Turbulenz im Bereich der Ermüdungslasten, die das Integral über die richtungsabhängige Turbulenz bildet, wird hier das Maximum der Wake-Turbulenz über alle Richtungen verwendet. Ein weiterer Unterschied ist, dass hier die Turbulenzstruktur-Korrektur (CCT) nicht angewendet wird. Ein Windgeschwindigkeitsbereich ist hier nicht explizit festgelegt, doch analog zu (c) wird der komplette Bereich des Produktionsbetriebs von Einschalt- zu Ausschalt-Windgeschwindigkeit übernommen.

Die beiden neuen Prüfungen (a) 90% Umgebungsturbulenz [NTM] und (c) Extreme Umgebungsturbulenz [ETM] beziehen sich beide auf die Umgebungsturbulenz. Da keine Wake-Effekte betrachtet werden, wird hier mit omnidirektionalen Werten gearbeitet, um eine stabilere Ausbreitungsrechnung auf die WEA-Positionen auch mit seltener auftretenden Windgeschwindigkeits-Bins zu erreichen. Die omnidirektionale Ausbreitung der Turbulenz wird mit der häufigkeitsgewichteten mittleren Windgeschwindigkeit und Turbulenz für Mast und WEA durchgeführt. Eine Ausnahme bildet die Verwendung von CFD/Flowres. Hier wird die ganze Zeitreihe für die Ausbreitungsrechnung von Mast zu WEA genutzt und dann am WEA-Standort zusammengeführt.

Einfluss von Curtailments auf die Bewertung von Ermüdungs- und Extrembedingungen

Werden bei einigen WEA eines Parks Curtailments durchgeführt, werden die Ergebnisse einiger Parameter-Prüfungen beeinflusst. Das Curtailment verändert nicht die Umgebungsturbulenz, wohl aber den Anteil der Nachlaufturbulenz. Der Effekt der Abregelung auf die WEA selbst, sollte dabei Anteil der Lastanalyse sein. In SITE COMPLIANCE werden sich also nur die Ergebnisse der Prüfungen ändern, die Wake-Effekte beinhalten, d.h. bei den Ermüdungs-Prüfungen (b) Effektive Turbulenz und bei den Prüfungen der Extrembedingungen die d) Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte [ETM].

Verknüpfung mit Auslegungs-Lastfällen

Die Bewertung der strukturellen Unversehrtheit basierend auf den klimatischen Parametern ist eng verknüpft mit speziellen Auslegungslastfällen (DLC). Für die Gruppe der Ermüdungslasten, die durch die mittleren klimatischen Parameter bestimmt werden, ist der relevante Lastfall DLC1.2 Produktionsbetrieb. Weniger bedeutsam sind DLC3.1 ‘Start-up ‘, DLC4.1 ‘Shut-down’ und DLC6.4 ‘Parked’.

Ermüdungsprüfung	Auslegungslastfall (DLC)
(a) Windverteilung	DLC1.2 + (DLC3.1,DLC4.1, DLC6.4)
(b) Effektive Turbulenz	DLC1.2 + (DLC3.1,DLC4.1, DLC6.4)
(c) Neigung der Anströmung	DLC1.2 + (DLC3.1,DLC4.1, DLC6.4)
(d) Wind Shear	DLC1.2 + (DLC3.1,DLC4.1, DLC6.4)
(e) Luftdichte	DLC1.2 + (DLC3.1,DLC4.1, DLC6.4)

Verknüpfung von mittleren klimatischen Bedingungen und Auslegungslastfällen.

Im Bereich der extremen klimatischen Parameter und Extremlasten ist die Verknüpfung mit den Auslegungslastfällen etwas komplexer.

Extremparameter	Auslegungslastfall (DLC)
(a) 90% Umgebungsturbulenz [NTM]	DLC1.1 + Lastextrapolation
(b) Extremwind	DLC6.1 + DLC6.2
(c) Extreme Umgebungsturbulenz [ETM]	DLC1.3
(d) Max. 90% Turbulenz Wake-Mitte [ETM]	DLC1.3 alternativ DLC1.6

Verknüpfung von extremen klimatischen Bedingungen und extremen Auslegungslastfällen.

DLC1.1 gehört zur Gruppe ‘Produktionsbetrieb’ bei mittleren klimatischen Bedingungen mit dem normalen Turbulenzmodell (NTM), aber mit dem Ziel, die Lasten aus normalem Produktionsbetrieb zu Extremlasten zu extrapolieren. DLC1.3 gehört auch zur Gruppe des Produktionsbetriebs, aber in Kombination mit dem extremen Turbulenzmodell (ETM). Der alternative DLC1.6 beinhaltet auch Wake-Effekte, umfasst aber nur ein eingeschränktes Windgeschwindigkeitsintervall. DLC6.1 und DLC6.2 beziehen sich beide auf die geparkte WEA unter Annahme des extremen Turbulenzmodells, DLC6.2 beinhaltet den Netzausfall.

Auslegungslasten

Für ein generisches Anlagenmodell gibt es nicht die konkret definierten Lasten einer Zertifizierung, daher werden die Auslegungslasten als die resultierenden Lasten angenommen, wenn das Lastmodell (aeroelastisches oder Response-Modell) mit den Auslegungswindbedingungen verwendet wird. Dabei legt IEC61400 Ed. 3 eindeutig fest, dass die Auslegungslasten die Anströmungsneigung mit der höchsten Lastauswirkung im Bereich von -8° bis +8° verwenden muss. In LOAD RESPONSE werden daher für -8°, 0° und +8° die Lasten ermittelt und die höchste als Auslegungslast angenommen. In IEC61400-1 Ed. 4 wird dies nicht erwähnt, wir gehen daher vom gleichen Ansatz aus.

Weibull-Anpassung der Turbulenz

Die Auslegungsturbulenzverteilung (Standardabweichung der Windgeschwindigkeit) ist in der IEC61400-1 Ed. 4 über eine zweiparametrige Weibullverteilung beschrieben, ähnlich der jährlichen Windgeschwindigkeitsverteilung. In Ed. 3 wurde dafür eine logarithmische Normalverteilung angenommen. In allen Berechnungen mit dem 90%-Quantil der Turbulenz wird dennoch in beiden Editionen 3 und 4 das 90%-Quantil basierend auf einer Normalverteilung verwendet, d.h. σ_90%=σ_μ+1.28σ_σ. In Ed. 4 werden die Weibull-Parameter der Auslegungsturbulenz (Normales Turbulenzmodell) so kalibriert, dass das Weibull-basierte 90%-Quantil der 90%-Auslegungsturbulenz NTM entspricht. Um der Ed. 4 zu entsprechen, ist es auch möglich, dass das Standort-90%-Quantil auf einer Weibull-Turbulenzverteilung in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten basiert. Da die Turbulenzdaten auch richtungsabhängig klassiert werden, können Bins mit einer sehr geringen Werteanzahl auftreten. Die Anpassung geschieht über eine Momentenmethode [25], um eine vernünftige Anpassung bei gleichzeitiger Konsistenz mit der Gleichung der Norm (basierend auf Mittelwert und Standardabweichung) zu erreichen. Dadurch können zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten (die Weibull-Parameter) gelöst werden, um eine Weibullverteilung mit gleichem Mittelwert und Standardabweichung wie in den Daten zu finden. Auch in Bins mit wenigen Werten kann so eine stabile Anpassungen gefunden werden.

Extreme Umgebungsturbulenz und die IFORM-Methode

Die IEC61400-1 Ed. 4 gibt zwei alternative Methoden, um die 50-Jahres-Turbulenz bei jeder Windgeschwindigkeit abzuschätzen. Eine Methode basiert auf Peak-Faktoren (k_p), die von der Windgeschwindigkeit abhängig sind. Diese werden, ähnlich wie zur Ermittlung des 90%-Quantils, bei jedem Windgeschwindigkeitsbin angewandt σ_50y=σ_μ+k_p. Eine Publikation dazu liegt nicht vor, die Methode stammt von Leo Thesbjerg, der Vestas in der IEC-Arbeitsgruppe TC88 vertritt.

Die alternative Methode ist die Inverse First Order Reliability Method (IFORM) [26], die eine schrittweise Abschätzung der windgeschwindigkeitsabhängigen 50-Jahres-Turbulenz durchführt. Zusammengefasst werden dazu folgende Schritte durchgeführt:

1. Berechnung des Normalquantils (x₁) für die kumulierte Häufigkeit der Windgeschwindigkeit

2. Berechnung des Ziel-Quantils (beta) für die angestrebte Überschreitungswahrscheinlichkeit bei 50 Jahren

3. Berechnung des Standardquantils der Turbulenz (x₂) aus x₁ und beta im Standard-2D-Bereich

4. Berechnung der 50-Jahres-Turbulenz aus CDF, so dass die gleiche kumulative Wahrscheinlichkeit erreicht wird wie bei x₂

IFORM ist sehr sensibel in Bezug auf die angenommene Standardabweichung der Turbulenz und wird dadurch im Vergleich zur oben beschriebenen Methode als weniger zuverlässig betrachtet. IFORM wird daher nur empfohlen, wenn Messdaten einer hohen Qualität über einen längeren Zeitraum vorliegen, so dass die Turbulenzverteilung für die meisten Windgeschwindigkeitsklassen definiert ist und nur geringfügige Anpassungen und Extrapolation auf höhere Windgeschwindigkeiten vorgenommen werden muss. IFORM bleibt in SITE COMPLIANCE deaktiviert, bis die Zuverlässigkeit dieser Methode durch ergänzende Untersuchungen und Publikationen oder Richtlinien verbessert und bestätigt wird.

SITE COMPLIANCE & LOAD RESPONSE
SITE COMPLIANCE: Überblick ♦ Schritt-für Schritt ♦ Berechnung ♦ Ergebnisse
Hauptprüfungen: Komplexität ♦ Extremwind ♦ Turbulenz ♦ Windverteilung ♦ Windshear ♦ Neigung der Anströmung♦ Luftdichte
Andere Prüfungen: Erdbebenrisiko ♦ Temperaturbereich ♦ Blitzrate
LOAD RESPONSE: Überblick ♦ Berechnung ♦ WEA-Modelle ♦ Ergebnisse
Anhang: Gumbel Theory of Extremes ♦ Frandsen-Modell ♦ Grenzen in SITE COMPLIANCE ♦ Theorie Ermüdungslasten ♦ Sektormanagement ♦ IEC 61400-1 Ed.2 ♦ IEC 61400-1 Ed.4 ♦ Weiterbetrieb ♦ Siteres ♦ Tropical Cyclone Analysis ♦ Downscaling, Offshore-Modus & Spektralkorrektur