CN109241664A - 一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，它包括：步骤1、建立雷电流的模型；步骤2、对风力发电机部件组成的叶片、机舱、塔筒、传输电缆和变压器进行建模；步骤3、根据风力发电机各部件模型，将单台风力发电机等效为由RLC元件组成的等值网络，采用电磁仿真软件搭建风力发电机雷电暂态仿真模型；步骤4、根据电磁仿真软件搭建的风力发电机雷电暂态仿真模型来实现风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算；解决了现在风机防护中由于缺乏雷电对过电压数值上的精确计算，采取的防护措施在较大程度上难以发挥可靠的限压抑制效果，存在比较大误差的技术问题。

Description

一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法

技术领域

本发明属于风力发电机雷击电磁暂态计算领域，尤其涉及一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法。

背景技术

随着风力发电技术的发展，风机容量不断扩大，风机高度不断増加，大容量MW级风机整机高度己超过100m，其结构在地面上高耸突出，这导致其极易遭受雷击。机组受雷击的概率增大，导致机组设施的雷电损坏事故率大幅度增大，由此所造成的经济损失问题也日趋严重。

风机叶片是风机系统中最易遭受雷击的部分，当叶片遭受雷击后，雷电流经叶片和机舱向塔筒传播，最终通过接地装置泄散入大地。在此暂态过程中，雷电流将在塔筒内部空间产生电磁场，通过辐射、感应和耦合等方式在塔内电力线上以及在机组控制系统中产生干扰和电涌过电压等雷电电磁效应。当雷电流流经塔筒时，它会在塔筒内部电缆上产生过电压。风电场是由多台风力发电机组并联而成的，当风机遭遇雷击后，不仅损害该台机组自身，还会威胁风场内其它并联机组的安全运行。雷击事故不仅会威胁风力发电机组的安全运行，更会造成严重的经济损失，因此保护风机免受雷击事故需要重视的一个工作。

现在的工程情况是当雷电事故发生后，由于缺乏雷电对过电压数值上的精确计算，使得所采取的雷电过电压及电涌防护措施在较大程度上难以发挥可靠的限压抑制效果。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，以解决现有技术在风机防护中由于缺乏雷电对过电压数值上的精确计算，采取的防护措施在较大程度上难以发挥可靠的限压抑制效果及存在比较大误差等技术问题。

本发明技术方案：

一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，它包括：

步骤1、建立雷电流的模型；

步骤2、对风力发电机部件组成的叶片、机舱、塔筒、传输电缆和变压器进行建模；

步骤3、根据风力发电机各部件模型，将单台风力发电机等效为由RLC元件组成的等值网络，采用电磁仿真软件搭建风力发电机雷电暂态仿真模型；

步骤4、根据电磁仿真软件搭建的风力发电机雷电暂态仿真模型来实现风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算。

步骤1所述的雷电流的模型为双指数模型和Heidler模型。

步骤2所述的对风力发电机部件组成的叶片、机舱、塔筒和传输电缆进行建模的方法包括：

步骤2.1、风机叶片建模：将风机叶片等效为一段以上π型RLC电路串联组成的等值电路，Z为每段叶片的等效阻抗，R为每段叶片的等效电阻，L为每段叶片的等效电感，C为每段叶片的等效对地电容；模型表达式为：

式中：D₁为叶片等效高度；μ₀为真空磁导率；l₁为导体的长度；r为导体的半径；h为导体中心对地高度；ρ₁为大地土壤电阻率；ε₀为真空介电常数；

步骤2.2、对机舱的主轴承进行建模：风机机舱轴承在雷电环境下近似等效为电容C₀与电阻R₀的并联体，C₀表示风机滚子与内、外轴承圈之间的电容，R₀表示风机电刷在雷电暂态过程中的集中电阻，β为电容C₀计算的参数，模型表达式为：

式中：ε是润滑油的介电常数；l₂为主轴承的长度；D₂为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；r₁为滚子半径；r₂为轴承环的半径；

步骤2.3、对风机的塔筒建模，将塔筒分段进行建模，每段最大允许长度取决于雷电波的上限截止频率，每一段塔筒的电阻R_i、等效电感L_i以及对地分布电容C_i(i为风机塔筒的段数序号)，由下式计算得出：

式中：ρ₂为塔筒电阻率；H为每段塔筒的长度；A_i为第i段塔筒的截面积；μ₀为真空磁导率；μ为介质绝对磁导率；ε₀为真空介电常数；c为根据塔筒内半径r_in与外半径r_out之比(r_in/r_out)而确定的参数；r_eq为每段塔筒的等效外半径；

式中：H为每段塔筒的长度；H₁、H₂为每段塔筒上半段和下半段的高度；D₃、D₄、D₅分别每段塔筒为上、中、下截面的外直径；

步骤2.4、对于传输电缆进行建模，塔筒内电缆平行于塔筒敷设，电缆与塔筒之间存在耦合电容，实际中使用三相电缆，参数为：C₀₁(塔筒对地电容)、R₁(塔筒电阻)、L₁(塔筒电感)、C₁₁(电缆屏蔽层对塔筒等效电容)、R₂(电缆屏蔽层电阻)、L₂(电缆屏蔽层电感)、C₂₁(电缆线芯对屏蔽层间等效电容)、C₃₁(电缆相间等效电容)、R₃(电缆线芯电阻)、L₃(电缆线芯电感)；

电缆屏蔽层对塔筒等效电容C₁₁计算公式为：

式中：ε₀为真空介电常数；ε_r为空气相对介电常数；l₃为导线长度；r_eq为每段塔筒的等效外半径；r₃为电缆外半径；d₁₂为电缆与塔筒的间距；

电缆线芯与电缆屏蔽层间的电容C₂₁计算公式为：

式中：r为绝缘材料相对介电常数；D₂₃为电缆线芯与电缆屏蔽层间的距离；r₄为电缆线芯内径。

电缆芯线之间的电容C₃₁可由下式计算得出：

式中：S为单芯电缆中心之间的距离；r₄为电缆线芯内径。

本发明有益效果：

本发明根据对风力发电机组雷电暂态效应模型的研究，建立风力发电机组遭受雷击之后的暂态模型，包含风机叶片、塔筒、机舱和变压器的单台风机系统一体化的电路暂态仿真模型以及整个风电场电路暂态模型，通过建立的暂态模型，在电磁仿真软件中搭建风力发电机组的相关电路，从而进一步地实现对风力发电机组雷电暂态特性的精确分析计算，提高了计算结果的精确度；解决了现在风机防护中由于缺乏雷电对过电压数值上的精确计算，采取的防护措施在较大程度上难以发挥可靠的限压抑制效果，存在比较大误差的技术问题。

附图说明：

图1为风机叶片等值电路模型示意图；

图2为风机机舱主轴承与电刷等值电路模型示意图；

图3为塔筒-三相电缆模型示意图；

图4为单相变压器模型示意图。

具体实施方式：

本发明包括以下步骤：

(1)建立雷电流的模型，这是进行风力发电机雷电电磁暂态特性分析计算的基础；

(2)对风力发电机主要部件组成的叶片、机舱、塔筒、传输电缆和变压器进行建模，通过建模能更好地实现对风力发电机主要部件的雷电暂态分析；

(3)根据风力发电机各部件模型的建立方法，将单台风力发电机等效为由RLC元件组成的等值网络，采用电磁仿真软件搭建风力发电机雷电暂态仿真模型；

(4)根据电磁仿真软件搭建的风力发电机雷电暂态仿真模型来实现风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算。

下面对上述方法进行详细说明：

1、对雷电流进行建模

目前常用的雷电流模型有两种，分别是双指数模型和Heidler模型，根据实际工况进行选择相应的雷电流模型。

2、对风力发电机的叶片、机舱、塔筒、传输电缆和变压器这些部件组成进行建模：

(1)风机叶片是风机各部件中离地面最高的部分，在雷电环境下最容易遭受雷击，其是细长型结构，可以等效为多段π型RLC电路串联组成的等值电路，如图1所示：Z为每段叶片的等效阻抗，R为每段叶片的等效电阻，L为每段叶片的等效电感，C为每段叶片的等效对地电容，RLC的数值可由下式求得：

式中：D₁为叶片等效高度；μ₀为真空磁导率；l₁为导体的长度；r为导体的半径；h为导体中心对地高度；ρ₁为大地土壤电阻率；ε₀为真空介电常数。

(2)对于机舱的建模主要是对机舱的主轴承进行建模，风机机舱轴承在雷电环境下可近似等效为电容C₀与电阻R₀的并联体，C₀表示风机滚子与内、外轴承圈之间的电容，R₀表示风机电刷在雷电暂态过程中的集中电阻，β为电容C₀计算的参数，电容C₀的计算如下式所示：

式中：ε是润滑油的介电常数；l₂为主轴承的长度；D₂为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；r₁为滚子半径；r₂为轴承环的半径。

(3)对于风机的塔筒，将其分成若干段进行建模，每段最大允许长度取决于雷电波的上限截止频率，每一段塔筒的电阻R_i、等效电感L_i以及对地分布电容C_i(i为风机塔筒的段数序号)，可由下式计算得出：

式中：ρ₂为塔筒电阻率；H为每段塔筒的长度；A_i为第i段塔筒的截面积；μ₀为真空磁导率；μ为介质绝对磁导率；ε₀为真空介电常数；c为根据塔筒内半径r_in与外半径r_out之比(r_in/r_out)而确定的参数；r_eq为每段塔筒的等效外半径，可求得：

式中：H为每段塔筒的长度；H₁、H₂为每段塔筒上半段和下半段的高度；D₃、D₄、D₅分别每段塔筒为上、中、下截面的外直径。

(4)对于传输电缆，塔筒内电缆平行于塔筒敷设，电缆与塔筒之间存在一定大小的耦合电容，实际中使用三相电缆，需考虑：C₀₁(塔筒对地电容)、R₁(塔筒电阻)、L₁(塔筒电感)、C₁₁(电缆屏蔽层对塔筒等效电容)、R₂(电缆屏蔽层电阻)、L₂(电缆屏蔽层电感)、C₂₁(电缆线芯对屏蔽层间等效电容)、C₃₁(电缆相间等效电容)、R₃(电缆线芯电阻)、L₃(电缆线芯电感)，塔筒-三相电缆模型如图3所示。

电缆屏蔽层对塔筒等效电容C₁₁可由下式计算得出：

式中：ε₀为真空介电常数；ε_r为空气相对介电常数；l₃为导线长度；r_eq为每段塔筒的等效外半径；r₃为电缆外半径；d₁₂为电缆与塔筒的间距。

电缆线芯与电缆屏蔽层间的电容C₂₁可由下式计算得出：

式中：ε_r为绝缘材料相对介电常数；D₂₃为电缆线芯与电缆屏蔽层间的距离；r₄为电缆线芯内径。

电缆芯线之间的电容C₃₁可由下式计算得出：

式中：ε₀为真空介电常数；ε_r为绝缘材料相对介电常数；S为单芯电缆中心之间的距离；r₄为电缆线芯内径。

(5)对于变压器，在雷电过电压的低频部分，雷电波通过绕组以电压比关系传递过电压，变压器绕组体现为电感特性；在雷电流高频部分，绕组体现的电感呈高阻抗，阻止电流流通，电磁耦合效应很小，此频率下雷电过电压应该按照电容分压，即电容耦合，构建的模型需体现变压器的这两种关系。

图4为雷电暂态计算下单相变压器模型。其中，C₁为低压侧对地电容，R₁为低压侧绕组电阻，L₁为低压侧绕组漏电感，C₂为低、高压侧绕组间的电容，R₂为高压侧绕组电阻，L₂为高压侧绕组漏电感，C₃为高压侧对地电容。可以根据相关经验计算各个参数值。

3、根据风力发电机各部件模型的建立方法，将单台风力发电机等效为由RLC元件组成的等值网络，采用电磁仿真软件搭建风力发电机雷电暂态仿真模型，仿真软件诸如EMTP-ATP等电磁暂态仿真软件；

4、根据电磁仿真软件搭建的风力发电机雷电暂态仿真模型，来实现风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算。

Claims (3)

1.一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，它包括：步骤1、建立雷电流的模型；

步骤2、对风力发电机部件组成的叶片、机舱、塔筒、传输电缆和变压器进行建模；

步骤3、根据风力发电机各部件模型，将单台风力发电机等效为由RLC元件组成的等值网络，采用电磁仿真软件搭建风力发电机雷电暂态仿真模型；

步骤4、根据电磁仿真软件搭建的风力发电机雷电暂态仿真模型来实现风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算。

2.根据权利要求1所述的一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，其特征在于：步骤1所述的雷电流的模型为双指数模型和Heidler模型。

3.根据权利要求1所述的一种关于风力发电机雷电电磁暂态特性的分析计算方法，其特征在于：步骤2所述的对风力发电机部件组成的叶片、机舱、塔筒和传输电缆进行建模的方法包括：

步骤2.1、风机叶片建模：将风机叶片等效为一段以上π型RLC电路串联组成的等值电路，Z为每段叶片的等效阻抗，L为每段叶片的等效电感，C为每段叶片的等效对地电容；模型表达式为：

式中：D₁为叶片等效高度；μ₀为真空磁导率；l₁为导体的长度；r为导体的半径；h为导体中心对地高度；ρ₁为大地土壤电阻率；ε₀为真空介电常数；

步骤2.2、对机舱的主轴承进行建模：风机机舱轴承在雷电环境下近似等效为电容C₀与电阻R₀的并联体，C₀表示风机滚子与内、外轴承圈之间的电容，R₀表示风机电刷在雷电暂态过程中的集中电阻，β为电容C₀计算的参数，模型表达式为：

式中：ε是润滑油的介电常数；l₂为主轴承的长度；D₂为主轴承环轴线到滚子轴线的距离；r₁为滚子半径；r₂为轴承环的半径；

步骤2.3、对风机的塔筒建模，将塔筒分段进行建模，每段最大允许长度取决于雷电波的上限截止频率，每一段塔筒的电阻R_i、等效电感L_i以及对地分布电容C_i(i为风机塔筒的段数序号)，由下式计算得出：

式中：ρ₂为塔筒电阻率；H为每段塔筒的长度；A_i为第i段塔筒的截面积；μ₀为真空磁导率；μ为介质绝对磁导率；ε₀为真空介电常数；c为根据塔筒内半径r_in与外半径r_out之比(r_in/r_out)而确定的参数；r_eq为每段塔筒的等效外半径；

式中：H为每段塔筒的长度；H₁、H₂为每段塔筒上半段和下半段的高度；D₃、D₄、D₅分别每段塔筒为上、中、下截面的外直径；

步骤2.4、对于传输电缆进行建模，塔筒内电缆平行于塔筒敷设，电缆与塔筒之间存在耦合电容，实际中使用三相电缆，参数为：C₀₁(塔筒对地电容)、R₁(塔筒电阻)、L₁(塔筒电感)、C₁₁(电缆屏蔽层对塔筒等效电容)、R₂(电缆屏蔽层电阻)、L₂(电缆屏蔽层电感)、C₂₁(电缆线芯对屏蔽层间等效电容)、C₃₁(电缆相间等效电容)、R₃(电缆线芯电阻)、L₃(电缆线芯电感)；

电缆屏蔽层对塔筒等效电容C₁₁计算公式为：

式中：ε₀为真空介电常数；ε_r为空气相对介电常数；l₃为导线长度；r_eq为每段塔筒的等效外半径；r₃为电缆外半径；d₁₂为电缆与塔筒的间距；

电缆线芯与电缆屏蔽层间的电容C₂₁计算公式为：

式中：r为绝缘材料相对介电常数；D₂₃为电缆线芯与电缆屏蔽层间的距离；r₄为电缆线芯内径。

电缆芯线之间的电容C₃₁可由下式计算得出：

式中：S为单芯电缆中心之间的距离；r₄为电缆线芯内径。