CN107451329A - 基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，给出了风机叶片动态击距的计算方法。将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，给出了叶片防雷系统的防护范围，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。该方法可整体上减少风电场的雷击次数，对为风电场的稳定运行有一定积极作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法。
背景技术
风电作为清洁能源的重要组成部分，其大规模发展可有效促进世界能源体系改革。然而，鉴于风电场所处的环境及风机自身特殊结构，极易遭受大气雷击。在风电场雷击事故中叶片的损伤占到雷击损伤总数的40％以上，且多数为不可修复性损伤，风机叶片的成本、吊装、维修等高额费用已严重影响到风电场的经济稳定运行。然而现今风电场的布置主要以发电效益为目标，从风电场防雷角度对风电场布置优化的研究很少。因此，寻找一个兼顾风机发电效益与防雷优化的可靠方法对风电场的空间布置进行防雷优化，对促进风电场的经济稳定运行具有重要意义。
现有的风电场风机优化布置理论基本属于经验性结论，布置方式也基本为规则性的行列布置，且布置规划的出发点主要是风电场发电的经济效益。如图1所示，箭头所指方向为风电场所处地区的盛行风向。现有技术中存在文献曾根据实际运行经验提出，风机布置的最优距离为在垂直于盛行风向上风机间隔Lv为3R—6R(R为风机叶片长度)，在盛行风向上风机间隔Lp为16R—24R，建议Lv取值为6R—10R，Lp取值为10R—18R。为了寻找能对不同风况、不同区域边界的风电场进行了风机最优布置的计算方法，现有技术中也存在文献提出了利用遗传算法，以风电场总投资成本和发电效益作的比值作为目标参数，计算风机间的布置间距，或在遗传算法基础上，对风电场最优布置的一般性规律进行系统的探讨分析和论证研究，给出了在风电场区域没有限制的条件下，风机间距的范围Lv为4R—10R，Lp要在20R以上。
从上述研究发现，现有的风电场的布置都未从防雷的角度进行分析，而风电场遭受雷击所带来的经济损失一直居高不下，从雷电防护的角度寻找一个风电场优化布置的方法，与现有风电场的设计方法相互补充，对风电的安全经济运行具有一定的参考意义。
而在风机防雷方面，多是基于实验研究，其对象多为单个叶片或单个风机，不适用于对规模化风电场各风机间的布置优化的分析研究，同时在仿真建模方面，现有的仿真研究依旧是以单个风机为研究对象，并没有对整个风电场的防雷优化布置进行研究。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，本发明以雷电先导发展的物理模型为基础，引入风机叶片动态击距的概念及分析方法；并与传统的电气几何法相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型，并通过风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。利用新提出的风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行了研究，从雷电防护的角度给出了风电场风机布置的间距的分析方法。新提出的风机布置方法对整个风电场的防雷设计以及风电场的经济稳定运行具有重要的参考意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。
进一步的，假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注头部的高度定为击距。
进一步的，风机叶片上不同位置具有不同的击距，风机叶片所处位置的变化会引起击距的变化。
以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程。
当雷云产生下行先导并随之向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕；雷云和下行先导在空间产生的电位分布分别由简化的带电圆盘模型和先导通道电荷分布模型计算得到。
初始电晕产生后，在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，与根部气体分子发生碰撞，当流注区域的空间电荷大于设定值时，则认为满足流注向先导转化的条件。
进一步的，根据得到的风机叶片的动态击距，与电气几何模型相结合，得到整个叶片的动态击距的包络范围，以得到风机叶片雷电防护的电气几何模型。
进一步的，风机叶片雷电防护的电气几何模型上包括叶片接闪器的击距、叶片叶身处的击距和风机叶片与水平方向的夹角，在雷电流确定时，可得到叶片的击距对应的暴露弧和屏蔽弧的范围。
进一步的，将风机叶片电气几何模型应用在多风机之间，可得到叶尖接闪器在一定雷电流、不同旋转角度下的击距圆，其圆心所在位置位于叶尖旋转所画出的圆上，半径为叶尖接闪器的击距,当两风机之间的击距包络弧相交时，此时两风机之间存在屏蔽效果，对风电场的防雷有积极促进作用。
根据动态击距计算方法和式(10)，求在固定雷电流下击距包络的水平距离的最大值Lfmax和最小值Lfmin，若两风机之间的距离D>2Lfmax，则在该雷电流下，风机之间不能相互屏蔽；若两风机之间的距离2Lfmin<D<2Lfmax，两风机在某些角度下相互屏蔽；若两风机之间的距离D<2Lfmin，两风机对叶片旋转的任何角度下都有屏蔽作用。
分析得到1.2-1.7MW风机组成的风电场在垂直于盛行风向上的布置间距为4R-6R，R为风机叶片的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过雷电上行先导的物理发展模型，给出了动态击距的计算方法，并依此提出了风机叶片的电气几何模型，该模型将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，使得击距的物理概念更加清晰，并给出了叶片防雷系统的防护范围；
根据击距包络弧的最大水平距离，从风电场防雷的角度分析了风电场的布置间距，发现在垂直于盛行风向上间距相对于传统方法确定的间距范围有进一步减小；在盛行风向上的布置间距仍需以发电效率为主来分析，保证效率的基础上以减小间距。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明中规则性的行列布置图；
图2为本发明的上行先导发展过程示意图；
图3为本发明的风机叶片雷电防护的电气几何模型图；
图4为本发明的风机群中两风机间的布置间距图；
图5为本发明的风机叶片叶尖接闪器的击距随雷电流幅值和叶片旋转角度的变化关系的示意图；
图6为本发明的两风机的击距包络线线相交图；
图7为本发明的两风机间屏蔽曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在风电场布置的研究多是基于风电场发电的经济效益，很少考虑雷电所带来的损害的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于风电机组防雷保护的多风机布置优化方法，该方法首先从雷电先导发展的物理模型出发，与传统电气几何模型相结合，提出了利用动态击距分析风机叶片防雷效果的电气几何模型。利用该方法对规模化风电场各风机间的雷电屏蔽进行研究，并针对1.5MW风机组成的风电场的行列布置间距进行计算。计算表明，两风机在垂直于盛行风向上的布置间距建议为4R—6R(R为风机叶片的长度)，可对大部分幅值的雷电流具有屏蔽效果，在盛行风向上的布置应主要考虑风机发电效率的影响，间距要在保证效率的基础上尽可能减小间距。
如图2所示，本发明以雷电先导发展的物理模型为基础，引入风机叶片动态击距的概念及分析方法；并与传统的电气几何法相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型，并通过风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。利用新提出的风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行了研究，从雷电防护的角度给出了风电场风机布置的间距的分析方法。新提出的风机布置方法对整个风电场的防雷设计以及风电场的经济稳定运行具有重要的参考意义。
电气几何法通过击距将雷电流参数同被研究物体的几何结构联系起来，利用击距描述地面物体的引雷能力，认为雷电下行先导先到达哪个物体的击距便向哪个物体放电。传统电气几何法的击距计算中，并不能考虑叶身不同位置和叶片不同旋转角度对击距的影响。本发明从雷电先导发展的物理过程出发，引入风机叶片动态击距的概念及分析方法，并进一步构建了风机叶片电气几何分析模型。
由于自然界90％为负极性雷，本发明以负极性雷击说明雷击过程。大多数负极性雷击可分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程。当雷云产生下行先导并随之向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕：
式中α和η为碰撞电离系数，R0为电极曲率半径，R为碰撞电离区边界，x为电子崩头部到电极距离，Ncri可取为0.55×108。雷云和下行先导在空间产生的电位分布可分别由简化的带电圆盘模型和先导通道电荷分布模型计算得到。
初始电晕产生后，会在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，与根部气体分子发生碰撞，传递给气体分子能量(平动能、旋转能、电子激发能和振动能等)，当流注底部温度达到1500K时电导率明显增大，先导开始形成。可认为当流注区域的空间电荷大于1μC时，满足流注向先导转化的条件。
上行先导起始后，认为下行先导以一定速度呈阶梯状向下发展，对应的上行先导发展过程如图2所示。上行先导头部的电位为：
式中E∞为准静态先导场强稳态值，3×104V/m；Estr为流注区电场近似于恒定值，4.5×104V/m；x0为长度系数，0.75m.
当下行先导发展到i-1步，不考虑流注区域空间电荷时，背景电位为U1 i-1，考虑流注区空间电荷后电位畸变为U2 i-1。当下行先导发展到i步时，假设上行先导没有发展，背景电位变为Ui，此时考虑到第i-1步的空间电荷，电位畸变为UT i。在先导头部从li-1发展到li的过程中，流注头部发展到ls i，流注区域的电位变为U2 i。图2中阴影面积可表示该过程中新产生的电荷ΔQi，可近似用下式计算：
式中KQ为环境因子，取值为3.5×10-11C/(V·m)。下一步先导的增长量可表示为：
式中qL为满足流注向先导转化时，单位长度先导所需要的电量，对于自然界雷电取值约为65×10-6C/m。则下一步上行先导头部位置为：
li+1＝li+Δli (5)
本发明通过雷电先导的物理发展模型，假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击。将发生雷击时上行先导流注头部的高度定为击距。为了更好地适应风机复杂的机械结构和旋转特性，为此，本发明引入了动态击距的概念，其“动态”主要包括两层含义：第一，风机叶片上不同位置(如接闪器和叶身)具有不同的击距；第二，风机叶片所处位置(如角度和高度)的变化会引起击距的变化。
根据上述风机叶片的动态击距概念，可得到整个叶片的动态击距的包络范围，从而推导了风机叶片雷电防护的电气几何模型，如图3所示。其中，Rp为叶片接闪器的击距，Rb为叶片叶身处的击距，θ为风机叶片与水平方向的夹角，取逆时针方向为正。当雷电流幅值为Ik时，叶片的击距对应于弧其中弧为暴露弧，为屏蔽弧，A点为所研究叶片部分(可以是叶片一部分)对应击距包络线的起始点。当雷电下行先导到达暴露弧时，则表示叶身遭受雷击，防雷系统接闪失败。
随着雷电流的增加，Rp和Rb也随之增大，当雷电流增加到Im时，击距范围增加到可以看到暴露弧相对于雷电流I时的暴露弧 明显减小，当雷电流幅值继续增大，暴露弧会继续减小至消失，叶片得到完全屏蔽，此时所对应的雷电流幅值为叶片可能接闪失败的最大雷电流Imax。当雷电流的幅值大于Imax时，叶片的防雷系统能够对叶片完全屏蔽，Imax主要与叶片所处位置及叶片防雷系统的设计有关。对于一个已经设计好的风机叶片防雷系统，其不能有效屏蔽的雷电流的幅值范围是Imin<I<Imax，其中Imin为使叶片击穿时材料不受损伤的最大雷电流幅值，Imin主要与叶片所用材料及加工工艺有关。若叶片防雷系统设计的防护能力足够强，使得Imax<Imin，则该叶片防雷系统能够对所有幅值的雷电流有屏蔽作用。风机叶片接闪成功率可以通过下式进行计算：
Ei＝1-lMN/lMO (6)
当风机叶片旋转到固定角度θ时，对应的风机叶片的接闪成功率可由下式计算：
式中Es为风机防雷系统的分级效率，当认为防雷系统泄流容量足够大时，只要接闪器接闪成功则不会对叶片造成损伤，Es取值为1。f(I)为关于雷电流幅值的概率函数。
随着风电大规模应用，风机集群化发展已成为主流。本发明利用新提出的风机叶片电气几何模型，对风机群中两风机间的布置间距进行了计算。如图4所示，彩色圆圈代表叶尖接闪器在一定雷电流、不同旋转角度下的击距圆，其圆心所在位置位于叶尖旋转所画出的圆上，半径为叶尖接闪器的击距Rp。图5为风机叶片叶尖接闪器的击距Rp随雷电流幅值和叶片旋转角度的变化关系，随着雷电流幅值和风机角度(0-90°内)的增加，叶尖接闪器击距呈现明显上升趋势，这是由于叶片尖端接闪器周围的空间电场强度增加，更容易产生上行先导。
假设风机叶片轴对称运行，当两风机的击距包络线线相交时，如图6所示。lM1N1和lM1O1分别表示其中一个叶片的暴露距离与总距离，lO1O2为两叶片击距包络弧的重叠距离。由式(7)得在旋转角度为θ时两叶片整体的防雷效率为
防雷效率的大小与包络弧的重叠距离lO1O2有关。对式(8)求导可得
可以看出关于lO1O2的导数恒大于零，即随着lO1O2的增大，风机叶片的防雷效率会随之增加。故当两风机间存在相互屏蔽，对风机群的整体防雷效率的提升有促进作用。以图4中风机A为研究对象，其击距包络弧的水平距离为Lf，根据图中所示几何关系可得：
Lf＝Rcosθ+RP (10)
根据动态击距计算方法和式(10)，可求在固定雷电流下击距包络的水平距离的最大值Lfmax和最小值Lfmin。若两风机之间的距离D>2Lfmax，则在该雷电流下，风机之间不能相互屏蔽；若两风机之间的距离2Lfmin<D<2Lfmax，两风机在某些特定的角度下可以相互屏蔽；若两风机之间的距离D<2Lfmin，两风机对叶片旋转的任何角度下都有屏蔽作用。
本发明以1.5MW风机组成的风电场为例，介绍利用风机叶片电气几何法对规模化风电场进行空间布置的方法。1.5MW风机模型参数为：塔筒高70m，叶片长40m，叶片内引下线半径0.01m，塔筒半径2.5m，只存在叶尖接闪器。利用式(10)，计算得到击距包络的水平距离Lf在不同叶片旋转角度下随雷电流幅值的变化关系，如图7所示。若两风机之间的距离为4R时(R为叶片长度)，当雷电流I<26kA，两风机间不能相互屏蔽，当雷电流26kA<I<40kA，两风机之间在某些叶片角度下存在屏蔽效果，当雷电流I>40kA，两风机可以对0-90°任一角度起到屏蔽效果。因此，上部的包络虚线为可能屏蔽的最大距离随雷电流幅值变化情况，下部包路线为可能屏蔽的最小距离随雷电流幅值的变化情况。两条虚线将坐标图分成了3个区域Zone1、Zone2和Zone3，其中Zone1和Zone3分别表示非屏蔽区域和全屏蔽区域，Zone2表示可能屏蔽区域，即在该区域中只有部分旋转角度下有屏蔽效果。
考虑到盛行风向，风机的叶片大多数时间处在垂直于盛行风向的方向上，因此保证在垂直于盛行风向上各风机之间的雷电屏蔽，对整个风电场的防雷安全贡献最大。根据前人研究，在垂直于盛行风向上的建议距离不超过10R。根据两风机间屏蔽曲线图7，并考虑到气流对两风机的影响，对于1.5MW风机的风电场，两风机在垂直于盛行风向上的布置间距最好是4R-6R，此时可对大部分的雷电流幅值(26kA-60kA以上)都有一定的屏蔽作用，这对传统的风机布置方法是一种补充。而叶片处在盛行风向上的时间相对较短，即便风机在盛行风向上间距增加，对整个风电场的防雷安全影响也不会太大。所以风电场在盛行风向布置间距的确定首先应保证前排风机的尾流不会对后排风机有影响，使风电场的发电效益尽可能大，在保证效率的基础上以减小间距，所以其间距可大于垂直于盛行风向的最大建议间距，即Lp>6R。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。
2.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注本身的高度定为击距。
3.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：风机叶片上不同位置具有不同的击距，风机叶片所处位置的变化会引起击距的变化。
4.如权利要求2所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程。
5.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：雷云和下行先导在空间产生的电位分布分别由简化的带电圆盘模型和先导通道电荷分布模型计算得到；当雷云产生下行先导并随之向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕；或，
初始电晕产生后，在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，与根部气体分子发生碰撞，当流注区域的空间电荷大于设定值时，则认为满足流注向先导转化的条件。
6.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：根据得到的风机叶片的动态击距，得到整个叶片的动态击距的包络范围，以得到风机叶片雷电防护的电气几何模型。
7.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：风机叶片雷电防护的电气几何模型上包括叶片接闪器的击距、叶片叶身处的击距和风机叶片与水平方向的夹角，在雷电流确定时，可得到叶片的击距对应的暴露弧和屏蔽弧的范围。
8.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：将风机叶片电气几何模型应用到多风机之间，可得到叶尖接闪器在一定雷电流、不同旋转角度下的击距圆，其圆心所在位置位于叶尖旋转所画出的圆上，半径为叶尖接闪器的击距。
9.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：根据动态击距计算方法求在固定雷电流下击距包络的水平距离的最大值Lfmax和最小值Lfmin，若两风机之间的距离D>2Lfmax，则在该雷电流下，风机之间不能相互屏蔽；若两风机之间的距离2Lfmin<D<2Lfmax，两风机在某些角度下相互屏蔽；若两风机之间的距离D<2Lfmin，两风机对叶片旋转的任何角度下都有屏蔽作用。
10.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：1.2-1.7MW风机组成的风电场在垂直于盛行风向上的布置间距为4R-6R，R为风机叶片的长度。
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