CN111931351B - 一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备，本发明考虑了风电机组的各个部件的电路特性，通过对雷电流、风电机组叶片、风电机组塔筒、风电机组塔筒内电缆以及风电机组电力设备进行准确建模，将风电机组叶片和风电机组塔筒转换成R‑L‑C等效模型，将风电机组塔筒内电缆根据电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型，从而考虑不同了规模的风电场作为冲击性和波动性电源在并网时对电磁暂态过程的影响，使得风电外部过电压计算更加准确，提高电网运行安全性和可靠性。

Description

一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及过电力领域，尤其涉及一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备。

背景技术

由于海上风电场交、直流接入方式均采用海底电缆传输，故不考虑雷击线路侵入波的影响。海上风电场风电机组雷电过电压主要是由雷击风电机组叶片产生，即当叶片遭受雷击时，雷电流经风电机组叶片闪接器及引下线、轮毂、轴承电刷、机舱、偏航滑动触点、塔筒，最后到风电机组接地装置入地。雷电流在机舱、塔筒的传播过程中，会在其本身及其内部设备之间产生电磁耦合，形成较高的雷电过电压。

目前，在对雷电过电压的研究中，将接入的风电场机组简化等效为单一无限大容量交流电源，未考虑不同规模的海上风电场作为冲击性和波动性电源在并网时对电磁暂态过程的影响，使得外部过电压计算结果精确度较差，可能导致绝缘配合出现偏差，威胁海上风电的安全稳定运行。

综上所述，现有技术中在对雷电过电压的研究中，将接入的风电场机组简化等效为单一无限大容量交流电源，导致存在着外部过电压计算结果精确度较差的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备，用于解决现有技术中在对雷电过电压的研究中，将接入的风电场机组简化等效为单一无限大容量交流电源，导致存在着外部过电压计算结果精确度较差的技术问题。

本发明提供的一种风电机组外部过电压计算方法，包括以下步骤：

S1：获取雷电流参数以及风电机组结构参数；

S2：根据雷电流参数建立雷电流模型，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度；

S3：根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；

S4：根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；

S5：根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

S6：获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；

S7：根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；

S8：根据风电机组系统模型计算风电机组并网时的外部过电压。

优选的，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度的具体过程为：

从雷电流模型中提取出雷电流波形参数；

从雷电流波形参数中提取雷电流波形上限截止频率，获取雷电流波形上限截止频率所对应的波长；

将雷电流波形上限截止频率所对应的波长的1/10作为分段导体的最大长度。

优选的，在步骤S3中，将风电机组叶片在雷电流作用下形成的引下线分成N段π型R-L-C等效电路，每段π型R-L-C等效电路的长度小于分段导体的最大长度，得到风电机组叶片分段R-L-C等效模型。

优选的，在步骤S4中，将风电机组塔筒转换成空心圆截面直导体，再将空心圆截面直导体分成N段π型R-L-C等效电路，每段π型R-L-C等效电路的长度小于分段导体的最大长度，得到风电机组塔筒分段R-L-C等效模型。

优选的，将风电机组塔筒转换成空心圆截面直导体的过程中，利用表面积等效方式，将风电机组塔筒的中间截面半径作为空心圆截面直导体的等效外半径。

优选的，电缆屏蔽层包括电缆钢丝铠装、电缆三相合金铅套以及电缆外层钢丝铠装。

优选的，在步骤S5中，考虑在雷电流作用下，电缆钢丝铠装与风电机组塔筒之间的耦合电容、电缆三相合金铅套与电缆外层钢丝铠装之间的耦合电容、电缆线芯与电缆三相合金铅套之间的耦合电容以及电缆三相合金铅套相互之间的耦合电容建立塔筒内电缆耦合等效模型。

优选的，风电机组的电力设备参数包括集电线路参数、变压器参数、塔底开关柜参数以及避雷器参数。

一种风电机组外部过电压计算系统，包括数据获取模块、分段导体最大长度计算模块、风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块、风电机组电力设备模型模块、风电机组系统模型模块以及外部过电压计算模块；

所述数据获取模块用于获取雷电流参数以及风电机组结构参数；

所述分段导体最大长度计算模块用于根据雷电流参数建立雷电流模型，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度；

所述风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块用于根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块用于根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块用于根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

所述风电机组电力设备模型模块用于获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；

所述风电机组系统模型模块用于根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；

所述外部过电压计算模块根据风电机组系统模型计算风电机组并网时的外部过电压。

一种风电机组外部过电压计算设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1～8任一项所述一种风电机组外部过电压计算方法。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例考虑了风电机组的各个部件的电路特性，通过对雷电流、风电机组叶片、风电机组塔筒、风电机组塔筒内电缆以及风电机组电力设备进行准确建模，将风电机组叶片和风电机组塔筒转换成R-L-C等效模型，将风电机组塔筒内电缆根据电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型，从而考虑不同了规模的海上风电场作为冲击性和波动性电源在并网时对电磁暂态过程的影响，使得海上风电外部过电压计算更加准确，提高电网运行安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的方法流程图。

图2为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组叶片引下线的模型示意图。

图3本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组塔筒的结构示意图。

图4本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的电缆结构示意图。

图5塔本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组塔筒内电缆耦合等效模型示意图。

图6为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组升压变压器高频等效模型示意图。

图7为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组系统模型。

图8为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的风电机组塔筒内电缆的接地方式，图8(a)为电缆两端接地方式；图8(b)为电缆单端接地方式。

图9为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的电缆钢丝铠装-风电机组塔筒最大雷电过电压波形示例图。

图10为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的电缆三相合金铅套-电缆钢丝铠装最大雷电过电压波示例图

图11为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的电缆线芯-电缆三相合金铅套最大雷电过电压波形示例图。

图12为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的系统结构图。

图13为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的设备框架图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备，用于解决现有技术中在对雷电过电压的研究中，将接入的风电场机组简化等效为单一无限大容量交流电源，导致存在着外部过电压计算结果精确度较差的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法、系统及设备的方法流程图。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法，包括以下步骤：

S1：从气象观测站中获取雷电流参数，从风电机组的后台系统中获取风电机组结构参数，通过事先获取雷电流参数和风电机组结构参数为后续构建各个模型做好准备；

S2：根据雷电流参数建立雷电流模型，由于雷电流在导体传播的雷电波与导体长度有紧密联系，雷电波的上限截止频率决定了分段导体长度最大值，因此，根据雷电流模型来计算分段导体的最大长度；

S3：根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；考虑某一风电机组叶片旋转位置恰好处于垂直水平地面情况，当雷电击中风电机组叶片的尖部接闪器时，电流通过完整的引下线到达叶根，由于从风电机组叶片叶尖到叶根的引流路径较长，因此，将风电机组叶片引下线采用分段R-L-C等效模型进行等效；

S4：根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；由于雷电流流经风电机组的叶片闪接器及引下线后，会流经风电机组塔筒，因此，需要分析雷电流作用下的风电机组塔筒进行建模；风电机组的塔筒一般为“上小下大”的空心圆截面钢质金属结构，将在雷电流作用下的风电机组塔筒采用分段R-L-C等效模型进行等效；

S5：根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；考虑到雷电流流经风电机组塔筒时，电缆屏蔽层与电缆线芯之间会产生电磁耦合，形成感应雷电过电压，因此，需要对风电机组塔筒内电缆耦合情况进行分析，在风电机组塔筒分段R-L-C等效模型的基础上构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

S6：获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；由于雷电流在流经风电机组时会与风电机组的电力设备产生电磁耦合，因此，需要同时考虑电力设备对外部过电压的影响，通过构建风电机组电力设备模型对电力设备的电磁耦合情况进行分析；

S7：根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；由于风电机组雷电过电压主要是由雷击风电机组叶片产生，即当叶片遭受雷击时，雷电流经风电机组叶片的闪接器及引下线、轮毂、轴承电刷、机舱、偏航滑动触点、塔筒，最后到风电机组接地装置入地。雷电流在风电机组叶片、机舱以及塔筒的传播过程中，会在其本身及其内部设备之间产生电磁耦合，形成较高的雷电过电压。所以雷电过电压分析中需对雷电流、风电机组叶片、风电机组塔筒、塔筒内电缆、风电机组的电力设备进行建模，再根据上述所构建的模型形成风电机组系统模型；

S8：根据风电机组系统模型，对风电机组并网情况下的外部过电压进行计算，得到外部过电压的计算结果。

实施例2

如图1所示，如图1所示，本发明实施例提供的一种风电机组外部过电压计算方法，包括以下步骤：

S1：从气象观测站中获取雷电流参数，从风电机组的后台系统中获取风电机组结构参数，通过事先获取雷电流参数和风电机组结构参数为后续构建各个模型做好准备；

S2：根据雷电流参数建立雷电流模型，由于雷电流在导体传播的雷电波与导体长度有紧密联系，雷电波的上限截止频率决定了分段导体长度最大值，因此，根据雷电流模型来计算分段导体的最大长度，其具体过程如下：

从雷电流模型中提取出雷电流波形参数；国内外雷电流波形参数的观测数据表明，雷电流波头时间大多为1～5μs，平均为2～2.6μs，波长20～350μs。本实施例中根据我国规程规定选取典型的负极性2.6/50μs双指数雷电波，其中雷电通道等值波阻抗取300Ω；

从雷电流波形数据中提取雷电流波形上限截止频率，获取雷电流波形上限截止频率所对应的波长；

将雷电流波形上限截止频率所对应的波长的1/10作为分段导体的最大长度，由于2.6/50μs双指数雷电波上限截止频率为7.7×10-6rad/s，相对应波长为244.8m，即分段导体的最大长度应小于上限截止频率对应波长的1/10，约为24.48m。

S3：根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片1引下线2的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；考虑某一风电机组叶片1旋转位置恰好处于垂直水平地面情况，当雷电击中风电机组叶片1的尖部接闪器时，电流通过完整的引下线2到达叶根，由于从风电机组叶片1叶尖到叶根的引流路径较长，因此，将风电机组叶片1引下线2采用分段R-L-C等效模型进行等效，其中引下线2参考标准规范GB50057-2010选取截面为Φ10mm的圆钢雷电引下线2，其相对磁导率μ_r为200。

如图2所示，将风电机组叶片1在雷电流作用下形成的引下线2分成N段，每一段引下线2采用π型R-L-C等效电路进行等效，每段引下线2的长度l₁小于分段导体的最大长度，得到风电机组叶片分段R-L-C等效模型。

风电机组叶片1每段引下线2的R-L-C等效电路的参数由相关公式可计算得出，每段R-L-C等效电路的电阻R_y的计算公式如下：

R_y＝ρ·l₁/S_y

其中，R_y单位为Ω；S_y为每段引下线2的有效截面积，单位mm²，ρ为电阻率。

每段R-L-C等效电路的电感L_y计算公式如下：

其中，L_y单位为H；μ₀为真空磁导率；r_y为每段引下线2的截面的半径，单位m。

每段R-L-C等效电路的对地电容C_y计算公式如下：

其中，C_y单位F，ε₀为空气介电常数，h_y为引下线2的下端离地高度，单位m；r_y为每段引下线2的半径，单位m。

S4：根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；由于雷电流流经风电机组的叶片闪接器及引下线2后，会流经风电机组塔筒3，因此，需要分析雷电流作用下的风电机组塔筒3进行建模；如图3所示，风电机组塔筒3一般为“上小下大”的空心圆截面钢质金属结构，将在雷电流作用下的风电机组塔筒3采用分段R-L-C等效模型进行等效；

需要具体说明的是，将风电机组塔筒3转换成空心圆截面直导体，再将空心圆截面直导体分成N段π型R-L-C等效电路，每段π型R-L-C等效电路的长度小于分段导体的最大长度，得到风电机组塔筒分段R-L-C等效模型，其中，将风电机组塔筒3转换成空心圆截面直导体的过程中，利用表面积等效方式，将风电机组塔筒3的中间截面半径作为空心圆截面直导体的等效外半径。

每段风电机组塔筒3的R-L-C等效电路的电阻R_t通过下式计算得到：

R_t＝ρ·l₂/S_t

其中，R_t单位为Ω；S_t为每段风电机组塔筒3的有效截面积，单位mm²，ρ为电阻率。

每段风电机组塔筒3的R-L-C等效电路的电容C_t通过下式计算得到：

其中，C_t单位F，ε₀为空气介电常数，h_t为风电机组塔筒3的下端离地高度，单位m；r_t为每段风电机组塔筒3的半径，单位m。

由于风电机组塔筒3材质通常为钢材质(电阻率ρ＝9.78×108Ω·m，相对磁导率μ_r＝200)，其磁导率μ_r≠μ₀，圆截面空心直导体的电感L_t计算方法下所示：

其中，L_t单位为H，其中c为根据圆截面空心直导体的内半径和外半径之比所确定的参数。

S5：根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯7形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒3内电缆耦合等效模型；考虑到雷电流流经风电机组塔筒3时，电缆屏蔽层与电缆线芯7之间会产生电磁耦合，形成感应雷电过电压，因此，需要对风电机组塔筒3内电缆4耦合情况进行分析，在风电机组塔筒分段R-L-C等效模型的基础上构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

如图4所示，风电机组塔筒3内电缆4的包括电缆屏蔽层和电缆线芯7，电缆屏蔽层包括电缆钢丝铠装8、电缆三相合金铅套9以及电缆外层钢丝铠装10。其中r₁为电缆线芯7的铜导体截面的外半径，r₂为电缆三相合金铅套9的截面外半径，r_g为电缆外层钢丝铠装10的外半径，a为每相电缆之间中心距离。

当雷电流流经塔筒时，将会在电缆屏蔽层与电缆线芯7上形成感应雷电过电压，因此，在考虑电缆钢丝铠装8与风电机组塔筒3之间耦合电容(C₀)、电缆三相合金铅套9与电缆外层钢丝铠装10之间耦合电容(C_A1、C_B1、C_C1)、电缆线芯7与电缆三相合金铅套9之间耦合电容(C_A2、C_B2、C_C2)以及电缆三相合金铅套9之间耦合电容(C_AB、C_BC、C_AC)的情况下建立风电机组塔筒3内每段电缆4耦合等效电路模型，如图5所示。其中，L_g1、R_g1为每段风电机组塔筒3所对应的每段电缆钢丝铠装8的电感和电阻，L_A1、R_A1、L_B1、R_B1、L_C1、R_C1为每段风电机组塔筒3所对应的每段电缆三相合金铅套9A相、B相以及C相的电感和电阻，L_A2、R_A2、L_B2、R_B2、L_C2、R_C2为每段风电机组塔筒3所对应的每段三相电缆线芯7的A相、B相以及C相的电感和电阻。

风电机组塔筒3内电缆耦合等效电路模型参数中R_g1、R_A1、R_B1、R_C1、R_A2、R_B2以及R_C2参照每段风电机组塔筒3的R-L-C等效电路的电阻公式进行计算得到，在分别求出电缆线芯7、电缆三相合金铅套9以及电缆外层钢丝铠装10的有效截面积后，即可计算出R_g1、R_A1、R_B1、R_C1、R_A2、R_B2以及R_C2。

由于每段电缆外层钢丝铠装10为圆截面空心直导体且为钢材质(电阻率ρ＝9.78×108Ω·m，相对磁导率μ_r＝200)，其磁导率μ_r≠μ₀，其电感L_g1计算方法下所示：

但由于电缆三相合金铅套9为圆截面空心直导体且导体磁导率μ_r＝μ₀，故电缆三相合金铅套9的电感参数L_A1、L_B1、L_C1由的电感L₁下式计算：

其中，L单位为H，c为根据电缆三相合金铅套9的内半径和外半径之比确定的参数。

由于电缆线芯7为圆截面直导体且导体磁导率μ＝μ₀，故电缆线芯7电感参数L_A2、L_B2、L_C2由的电感L₂下式计算：

另外，由于风电机组塔筒3的半径远大于电缆4的外半径，在计算电缆钢丝铠装8与风电机组塔筒3之间耦合电容(C₀)时可将风电机组塔筒3作为平面进行处理，C₀通过下式计算得到：

其中，C₀单位为F，式(7)中ε_r为电缆钢丝铠装8与塔筒之间介质相对介电常数；r_t为对应风电机组塔筒3分段的等效外半径，单位m；D为电缆钢丝铠装8与风电机组塔筒3之间距离，为0.053m。

电缆三相合金铅套9与电缆外层钢丝铠装10之间耦合电容(C_A1、C_B1、C_C1)、电缆线芯7与电缆三相合金铅套9之间的耦合电容(C_A2、C_B2、C_C2)均采用C_x的计算公式计算得到：

其中，C_x指代C_A1、C_B1、C_C1、C_A2、C_B2、C_C2，其单位为F，式中ε_r为电缆三相合金铅套9与电缆外层钢丝铠装10之间介质相对介电常数；R为电缆钢丝铠装8的外半径r_g或者电缆三相合金铅套9的外半径r₂，单位m，r分段电缆三相合金铅套9的外半径r₂或者电缆线芯7的外半径r₁，单位m。

电缆三相合金铅套9每一相之间的耦合电容(C_AB、C_BC、C_CA)由下式计算得到：

其中，C_z指代C_AB、C_BC、C_CA，其单位F，ε_r为电缆三相合金铅套9每一相之间的介质相对介电常数。

S6：获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；由于雷电流在流经风电机组时会与风电机组的电力设备产生电磁耦合，因此，需要同时考虑电力设备对外部过电压的影响，通过构建风电机组电力设备模型对电力设备的电磁耦合情况进行分析；需要进一步说明的是，风电机组的电力设备参数包括集电线路参数、变压器参数、塔底开关柜11参数以及避雷器参数。

(1)集电线路

风电机组集电线路的电缆4采用型号为HYJQF41-26/35-3*95、HYJQF41-26/35-3*185、HYJQF41-26/35-3*400电缆4，海底电缆4在仿真建模中采用PSCAD/EMTDC中三芯电缆4模型，其中电缆4的三相合金铅套和电缆钢丝铠装8两端分别接地。

(2)变压器

雷电流在流经机舱5板过程中，会在其本身与风电机组升压变压器6之间形成较高的雷电耦合过电压，因此需要考虑风电机组升压变压器6的杂散电容，其仿真模型如图6所示。

(3)塔底开关柜11

由于雷电流为高频率冲击电流波，即可将塔底开关柜11等效为设备对地电容，保守考虑塔底开关柜11对地电容约为100pF。

(4)避雷器

风电机组升压变压器6塔上布置时，通常在塔顶机舱5内的风电机组升压变压器6的高压侧安装一组避雷器，另外在塔底开关柜11内安装另外一组避雷器。

S7：根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒3内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；由于风电机组雷电过电压主要是由雷击风电机组叶片1产生，即当叶片遭受雷击时，雷电流经风电机组叶片1的闪接器及引下线2、轮毂、轴承电刷、机舱5、偏航滑动触点、风电机组塔筒3，最后到风电机组接地装置入地。雷电流在风电机组叶片1、机舱5以及风电机组塔筒3的传播过程中，会在其本身及其内部设备之间产生电磁耦合，形成较高的雷电过电压；因此，雷电过电压分析中需对雷电流、风电机组叶片1、风电机组塔筒3、塔筒内电缆4、风电机组的电力设备进行建模，再根据上述所构建的模型形成风电机组系统模型；

S8：根据风电机组系统模型，对风电机组并网情况下的外部过电压进行计算，得到外部过电压的计算结果。

需要进一步说明的是，在构建风电机组系统模型的过程中，考虑风电机组分布及排列方式，在PSCAD/EMTDC建立风电机组雷击过电压仿真程序以及风带机组系统模型，如图7所示。其中连接#1-#2、#2-#3、#5-#6、#6-#8、#9-#10、#10-#11风电机组的电缆型号为HYJQF41-26/35-3*95，除连接#6-#8电缆长度为2km，其余均为1km；连接#3-#4、#7-#8、#11-#12风电机组的电缆型号为HYJQF41-26/35-3*185，电缆长度为1.25km；连接母线的电缆型号为HYJQF41-26/35-3*400，电缆长度为2.4km。

风电机组的升压变压器6在风电机组塔筒3上的机舱5内布置时，机舱5内的升压变压器6通过风电机组塔筒3内电缆4与风电机组塔筒3底部的开关柜相连，风电机组塔筒3内的电缆三相合金铅套9和电缆钢丝铠装8两端接地的方式有两种，一种是电缆4底端经风电机组塔筒3接地，塔顶一端不接地，另外一种是两端均通过风电机组塔筒3接地，如图8所示。

由于雷电流在风电机组塔筒3传播过程中会在电缆钢丝铠装8、电缆三相合金铅套9以及电缆线芯7之间的绝缘介质层形成较大的耦合过电压，可能会对电缆4绝缘形成威胁。表1给出了不同接地方式下A相电缆410段中电缆外层钢丝铠装-风电机组塔筒、电缆三相合金铅套-电缆外层钢丝铠装及电缆线芯-电缆三相合金铅套的最大雷电过电压幅值，并给出各介质绝缘层近似击穿电压。其中，PE绝缘材料击穿场强约取60kV/mm，PP材料击穿场强约取24.6kV/mm，空气击穿场强约取3kV/mm，不同介质绝缘层击穿电压近似按照叠加方式求取。

表1#1风电机组塔筒3内电缆4最大雷电过电压

由表1可知，单端接地的电缆4雷电过电压远高于两端接地，且两端接地中的电缆钢丝铠装-风电机组塔筒间的过电压277.38kV也超出了其绝缘击穿电压224kV。因此，风电机组塔筒3内的电缆4建议采用两端接地方式；且考虑到避雷器对电缆钢丝铠装-风电机组塔筒的雷电过电压限制作用较小，应同时增大电缆4与塔筒之间距离以防止电缆钢丝铠装-风电机组塔筒的绝缘层击穿。后续仿真中均采用两端接地方式。当风电机组塔筒3内的电缆4采用两端接地方式时，对风电机组并网情况下外部过电压进行计算，得到两端接地时电缆4最大雷电过电压波形，包含电缆钢丝铠装-风电机组塔筒最大雷电过电压波形、电缆三相合金铅套-电缆钢丝铠装最大雷电过电压波形以及电缆线芯-电缆三相合金铅套最大雷电过电压波形，分别如图9-图11所示。

实施例3

如图12所示，一种风电机组外部过电压计算系统，包括数据获取模块201、分段导体最大长度计算模块202、风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块203、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块204、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块205、风电机组电力设备模型模块206、风电机组系统模型模块207以及外部过电压计算模块208；

所述数据获取模块201用于获取雷电流参数以及风电机组结构参数；

所述分段导体最大长度计算模块202用于根据雷电流参数建立雷电流模型，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度；

所述风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块203用于根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块204用于根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块205用于根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

所述风电机组电力设备模型模块206用于获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；

所述风电机组系统模型模块207用于根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；

所述外部过电压计算模块208根据风电机组系统模型计算风电机组并网时的外部过电压。

如图13所示，一种风电机组外部过电压计算设备30，所述设备包括处理器300以及存储器301；

所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；

所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种风电机组外部过电压计算方法中的步骤。

示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。

所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammaBle GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取雷电流参数以及风电机组结构参数；

S2：根据雷电流参数建立雷电流模型，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度；

S3：根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；

S4：根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；

S5：根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

S6：获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；

S7：根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；

S8：根据风电机组系统模型计算风电机组并网时的外部过电压；

所述根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型具体包括：

每段R-L-C等效电路的电阻R_y的计算公式如下：

R_y＝ρ·l₁/S_y

其中，R_y单位为Ω；S_y为每段引下线的有效截面积，单位mm²，ρ为电阻率，l₁为每段引下线的长度；

每段R-L-C等效电路的电感L_y计算公式如下：

其中，L_y单位为H；μ₀为真空磁导率；r_y为每段引下线的截面的半径，单位m，μ_r为每段引下线的相对磁导率；

每段R-L-C等效电路的对地电容C_y计算公式如下：

其中，C_y单位F，ε₀为空气介电常数，h_y为引下线的下端离地高度，单位m；r_y为每段引下线的半径，单位m。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度的具体过程为：

从雷电流模型中提取出雷电流波形参数；

从雷电流波形参数中提取雷电流波形上限截止频率，获取雷电流波形上限截止频率所对应的波长；

将雷电流波形上限截止频率所对应的波长的1/10作为分段导体的最大长度。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，在步骤S3中，将风电机组叶片在雷电流作用下形成的引下线分成N段π型R-L-C等效电路，每段π型R-L-C等效电路的长度小于分段导体的最大长度，得到风电机组叶片分段R-L-C等效模型。

4.根据权利要求2所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，在步骤S4中，将风电机组塔筒转换成空心圆截面直导体，再将空心圆截面直导体分成N段π型R-L-C等效电路，每段π型R-L-C等效电路的长度小于分段导体的最大长度，得到风电机组塔筒分段R-L-C等效模型。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，将风电机组塔筒转换成空心圆截面直导体的过程中，利用表面积等效方式，将风电机组塔筒的中间截面半径作为空心圆截面直导体的等效外半径。

6.根据权利要求1所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，电缆屏蔽层包括电缆钢丝铠装、电缆三相合金铅套以及电缆外层钢丝铠装。

7.根据权利要求5所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，在步骤S5中，考虑在雷电流作用下，电缆钢丝铠装与风电机组塔筒之间的耦合电容、电缆三相合金铅套与电缆外层钢丝铠装之间的耦合电容、电缆线芯与电缆三相合金铅套之间的耦合电容以及电缆三相合金铅套相互之间的耦合电容建立塔筒内电缆耦合等效模型。

8.根据权利要求1所述的一种风电机组外部过电压计算方法，其特征在于，风电机组的电力设备参数包括集电线路参数、变压器参数、塔底开关柜参数以及避雷器参数。

9.一种风电机组外部过电压计算系统，其特征在于，包括数据获取模块、分段导体最大长度计算模块、风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块、风电机组电力设备模型模块、风电机组系统模型模块以及外部过电压计算模块；

所述数据获取模块用于获取雷电流参数以及风电机组结构参数；

所述分段导体最大长度计算模块用于根据雷电流参数建立雷电流模型，根据雷电流模型计算分段导体的最大长度；

所述风电机组叶片分段R-L-C等效模型模块用于根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒分段R-L-C等效模型模块用于根据风电机组结构参数以及分段导体的最大长度，构建风电机组塔筒分段R-L-C等效模型；

所述风电机组塔筒内电缆耦合等效模型模块用于根据风电机组结构参数、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型以及雷电流作用下电缆屏蔽层与电缆线芯形成感应雷电过电压的特性，构建风电机组塔筒内电缆耦合等效模型；

所述风电机组电力设备模型模块用于获取风电机组的电力设备参数，根据电力设备参数建立风电机组电力设备模型；

所述风电机组系统模型模块用于根据风电机组叶片分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒分段R-L-C等效模型、风电机组塔筒内电缆耦合等效模型以及风电机组电力设备模型构建风电机组系统模型；

所述外部过电压计算模块根据风电机组系统模型计算风电机组并网时的外部过电压；

所述根据风电机组结构参数、分段导体的最大长度以及雷电流作用下风电机组叶片引下线的电路特性，构建风电机组叶片分段R-L-C等效模型具体包括：

每段R-L-C等效电路的电阻R_y的计算公式如下：

R_y＝ρ·l₁/S_y

其中，R_y单位为Ω；S_y为每段引下线的有效截面积，单位mm²，ρ为电阻率，l₁为每段引下线的长度；

每段R-L-C等效电路的电感L_y计算公式如下：

其中，L_y单位为H；μ₀为真空磁导率；r_y为每段引下线的截面的半径，单位m，μ_r为每段引下线的相对磁导率；

每段R-L-C等效电路的对地电容C_y计算公式如下：

其中，C_y单位F，ε₀为空气介电常数，h_y为引下线的下端离地高度，单位m；r_y为每段引下线的半径，单位m。

10.一种风电机组外部过电压计算设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1～8任一项所述一种风电机组外部过电压计算方法。

Images