CN112796958B - 一种用于提高风电机组防雷系统优化设计的方法 - Google Patents

一种用于提高风电机组防雷系统优化设计的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于提高风电机组防雷系统优化设计的方法，其核心是一种风电机组正负极性雷击综合风险的评估方法，将正极性雷击纳入防雷系统性能评估考量，通过计算正极性雷击和负极性雷击作用下风电机组雷击风险系数，考虑目标风机周围环境中自然雷电正负极性比例，对不同极性下雷击风险系数进行折算，得到风机任意位置的综合雷击风险，本发明给出的评估方法，可更为准确全面反映风电机组所处雷暴环境的综合特征，弥补了此前分析方法只能给出负极性雷击下雷击风险的不足，为风机防雷系统设计提供了分析工具与检验手段。

Description

一种用于提高风电机组防雷系统优化设计的方法
技术领域
本发明属于风力发电雷击防护领域，涉及一种风电机组综合雷击风险评估方法，尤其涉及一种提高风电机组防雷系统优化设计的方法。
背景技术
随着风电机组容量的快速发展，塔筒高度不断增加，叶片长度不断增大，雷击事故愈加突出，严重威胁了风机的正常运行。风电机组遭受的雷击根据其自身特点可分为负极性与正极性两种，不同极性雷击所占比例受风电场地理位置、季节变化等因素影响。其中约90％的雷击为负极性，具有相对较小的雷电流峰值及释放电荷，正极性雷击虽然占比仅10％左右，但其具有较大的雷电流峰值并会释放大量电荷，一旦造成雷击事故，将会引发风电机组严重的损伤。此外，正负极性雷击作用下，上行迎面先导的物理发展机制不同，风电机组防雷系统的保护效果不同，正极性雷击下防雷系统更易失效。现有风电机组防雷系统设计多依靠传统经验与半经验分析方法，主要针对负极性雷击进行评估，未充分考虑正极性雷击的作用，同时由于忽略上行先导起始，未能完整反映雷击接闪物理过程，使得防雷系统设计存在一定缺陷。因此，为提升风电机组雷电屏蔽分析能力，更好的服务于防雷系统优化设计，建立综合考虑正负极性雷击作用的风电机组雷击风险评估方法显得极其重要。
发明内容
本发明的目的是针对风电机组雷击防护的极性效应，即正、负极性雷击接闪物理过程中，风电机组上行拦截先导的起始-发展物理机制不同，导致防雷系统防护性能存在差异，造成正极性下雷击事故更易发生；充分考虑不同极性雷击接闪物理机制，以及自然雷电正负极性雷电发生频率，同时网格化表征风机不同位置处雷击情况，建立一种能够综合正负极性雷击作用的风电机组雷击风险评估方法，为防雷系统优化设计提供分析工具。
第一步，对风电机组进行三维建模，利用目标风电机组参数以及待分析工况建立的三维模型，根据计算精度要求对风电机组模型各处进行几何结构网格化处理，形成待分析节点网络并且进行获取。
第二步，根据目标风机所处位置雷电特征，考虑雷背景电场以及雷电下行先导电荷，利用有限元法分别计算典型参数正极性和负极性雷电作用下风电机组附近空间电势时空分布，并按照节点网络给出各个待分析位置的电势曲线簇Ubackground。
第三步，根据所在地区正负极性雷击典型参数，利用正极性和负极性上行先导起始判据，计算雷电下行先导作用下，风机不同位置节点上行先导起始时刻，以此时对应雷电下行先导头部距地净高度为指标，表征各个节点最终引发主回击的能力；先导起始判据为：初始流注区域长度超过临界值时，判定上行先导起始；计算初始流注区域长度的方法为：作以Estr为斜率的过原点直线，与背景电势曲线焦点的横坐标Xstr为初始流注长度；其中对于正极性雷击，Estr取值范围750kV/m-1000kV/m；对于负极性雷击，Estr取值范围300kV/m-600kV/m；对于正极性雷击，临界值Lcrit取值为1.5m；对于负极性雷击，临界值Lcrit取值为：
Lcrit＝K×5.2192
Figure BDA0002874235950000031
其中，a＝0.5662，b＝0.1329，c＝0.5664。
第四步，利用先导起始判据，计算正负极性雷击情况下，雷电下行先导头部距地净高度
Figure BDA0002874235950000032
将计算得到的不同极性雷击作用下，各节点上行先导起始时刻对应下行先导距地高度，进一步减去节点距离高度得到下行先导距地净高度，即引发主回击能力，进行归一化处理；定义被分析节点距地净高度与距地净高度最大值之比为雷击风险系数，分别获得正极性、负极性雷击时雷击风险系数分布。利用先导起始判据，正负极性雷击风险系数计算公式如下式所示：
正极性雷击：
Figure BDA0002874235950000033
负极性雷击：
Figure BDA0002874235950000034
第五步，利用被分析风电机组所处位置雷暴天气历史数据，主要是所在地区正负极性来雷击比例，获得正极性雷击比例Rpositive，负极性雷击比例Rnegative，将正负极性雷击风险系数按照该比例折算，得到雷击综合风险系数Pi。系数Pi所计算如下：
Figure BDA0002874235950000041
根据各节点位置坐标与雷击综合风险系数，即可获得风电机组雷击综合风险分布情况。
技术效果
利用目标风机所在地正负极性雷击比例，对不同极性雷击作用下雷击风险系数进行折算，获得雷击综合风险系数分布，将正极性雷击对风电机组雷击风险的影响纳入考虑范畴，更为全面的反映了风电机组雷击风险情况。
给出了正极性雷击作用下，风电机组任意位置雷击风险计算方法，弥补了此前正极性雷击风险评估的空白。
本发明根据不同地区正负极性雷电比例的不同，综合考虑了不同极性雷击对风电机组雷击风险的作用，给出了雷击风险评估方法，更为真实的反映了风机雷击情况，能够提供更为准确的雷电屏蔽结果。
利用正、负极性先导发展模型及判据，充分反映了雷击接闪过程中防雷系统上行先导起始-发展以及对雷电下行先导的拦截过程，改进了现有方法忽略上行先导的不足，使得分析结果更贴近物理事实。
利用网格化划分，以百分比的形式给出了风电机组任意位置雷击风险分布，相较于传统方法只能给出风电机组外轮廓的雷电屏蔽结果，本发明能够提供雷击风险系数更为详细的空间分布与更为精确的数值程度。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为一种风电机组正负极性雷击综合风险的评估方法流程图；
图2为正负极性雷击接闪物理过程示意图；
图3为先导起始判据原理图；
图4为一种实例公开的风电机组典型姿态下雷击综合风险分布图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
随着风电机组容量的快速发展，塔筒高度不断增加，叶片长度不断增大，雷击事故愈加突出，严重威胁了风机的正常运行。风电机组遭受的雷击根据其自身特点可分为负极性与正极性两种，不同极性雷击所占比例受风电场地理位置、季节变化等因素影响。其中约90％的雷击为负极性，具有相对较小的雷电流峰值及释放电荷，正极性雷击虽然占比仅10％左右，但其具有较大的雷电流峰值并会释放大量电荷，一旦造成雷击事故，将会引发风电机组严重的损伤。此外，正负极性雷击作用下，上行迎面先导的物理发展机制不同，风电机组防雷系统的保护效果不同，正极性雷击下防雷系统更易失效。现有风电机组防雷系统设计多依靠传统经验与半经验分析方法，主要针对负极性雷击进行评估，未充分考虑正极性雷击的作用，同时由于忽略上行先导起始，未能完整反映雷击接闪物理过程，使得防雷系统设计存在一定缺陷。因此，为提升风电机组雷电屏蔽分析能力，更好的服务于防雷系统优化设计，建立综合考虑正负极性雷击作用的风电机组雷击风险评估方法显得极其重要。
本发明的目的是针对风电机组雷击防护的极性效应，即正、负极性雷击接闪物理过程中，风电机组上行拦截先导的起始-发展物理机制不同，导致防雷系统防护性能存在差异，造成正极性下雷击事故更易发生；充分考虑不同极性雷击接闪物理机制，以及自然雷电正负极性雷电发生频率，同时网格化表征风机不同位置处雷击情况，建立一种能够综合正负极性雷击作用的风电机组雷击风险评估方法，为防雷系统优化设计提供分析工具。
第一步，对风电机组进行三维建模，利用目标风电机组参数以及待分析工况建立的三维模型，根据计算精度要求对风电机组模型各处进行几何结构网格化处理，形成待分析节点网络并且进行获取。
第二步，根据目标风机所处位置雷电特征，考虑雷背景电场以及雷电下行先导电荷，利用有限元法分别计算典型参数正极性和负极性雷电作用下风电机组附近空间电势时空分布，并按照节点网络给出各个待分析位置的电势曲线簇Ubackground。
第三步，根据所在地区正负极性雷击典型参数，利用正极性和负极性上行先导起始判据，计算雷电下行先导作用下，风机不同位置节点上行先导起始时刻，以此时对应雷电下行先导头部距地净高度为指标，表征各个节点最终引发主回击的能力；先导起始判据为：初始流注区域长度超过临界值时，判定上行先导起始；计算初始流注区域长度的方法为：作以Estr为斜率的过原点直线，与背景电势曲线焦点的横坐标Xstr为初始流注长度；其中对于正极性雷击，Estr取值范围750kV/m-1000kV/m；对于负极性雷击，Estr取值范围300kV/m-600kV/m；对于正极性雷击，临界值Lcrit取值为1.5m；对于负极性雷击，临界值Lcrit取值为：
Lcrit＝K×5.2192
Figure BDA0002874235950000071
其中，a＝0.5662，b＝0.1329，c＝0.5664。
第四步，利用先导起始判据，计算正负极性雷击情况下，雷电下行先导头部距地净高度
Figure BDA0002874235950000081
将计算得到的不同极性雷击作用下，各节点上行先导起始时刻对应下行先导距地高度，进一步减去节点距离高度得到下行先导距地净高度，即引发主回击能力，进行归一化处理；定义被分析节点距地净高度与距地净高度最大值之比为雷击风险系数，分别获得正极性、负极性雷击时雷击风险系数分布。利用先导起始判据，正负极性雷击风险系数计算公式如下式所示：
正极性雷击：
Figure BDA0002874235950000082
负极性雷击：
Figure BDA0002874235950000083
第五步，利用被分析风电机组所处位置雷暴天气历史数据，主要是所在地区正负极性来雷击比例，获得正极性雷击比例Rpositive，负极性雷击比例Rnegative，将正负极性雷击风险系数按照该比例折算，得到雷击综合风险系数Pi。系数Pi所计算如下：
Figure BDA0002874235950000084
根据各节点位置坐标与雷击综合风险系数，即可获得风电机组雷击综合风险分布情况。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
(1)以某型号风电机组为例，分析在给定雷电活动特征条件下，该机组雷击综合风险系数分布。风机参数为：塔筒高度100m，叶片长度50m，防雷系统由每只叶片上的3只接闪器及其引下线、塔筒引下线及接地网构成。给定正负极性雷电比例为1:9，正极性雷击典型峰值电流为50kA，负极性雷击典型峰值电流为30kA。
(2)根据(1)中给出的参数，建立风电机组三维模型，并对风机几何结构进行网格化处理，获取待分析节点构成的网络。
(3)利用有限元法计算风机附近空间电势时空分布，获得节点网络中每一节点对应的电势变化曲线簇。
(4)分别利用先导起始判据，计算各个节点初始流注区域长度，并与临界值进行比较，通过时间迭代获得上行先导起始时刻，进一步得到正、负极性雷击时，雷电下行先导头部距地净高度。通过比较不同节点据地高度数值，分别得到正、负极性雷击风险系数。
(5)根据给出的正负极性雷击比例，对雷击风险系数进行折算，得到各个节点的雷击综合风险系数。将节点三维坐标与风险系数进行可视化处理，得到该风机在给定雷电环境下的雷击综合风险系数分布，如图4所示。
技术效果
利用目标风机所在地正负极性雷击比例，对不同极性雷击作用下雷击风险系数进行折算，获得雷击综合风险系数分布，将正极性雷击对风电机组雷击风险的影响纳入考虑范畴，更为全面的反映了风电机组雷击风险情况。
给出了正极性雷击作用下，风电机组任意位置雷击风险计算方法，弥补了此前正极性雷击风险评估的空白。
本发明根据不同地区正负极性雷电比例的不同，综合考虑了不同极性雷击对风电机组雷击风险的作用，给出了雷击风险评估方法，更为真实的反映了风机雷击情况，能够提供更为准确的雷电屏蔽结果。
利用正、负极性先导发展模型及判据，充分反映了雷击接闪过程中防雷系统上行先导起始-发展以及对雷电下行先导的拦截过程，改进了现有方法忽略上行先导的不足，使得分析结果更贴近物理事实。
利用网格化划分，以百分比的形式给出了风电机组任意位置雷击风险分布，相较于传统方法只能给出风电机组外轮廓的雷电屏蔽结果，本发明能够提供雷击风险系数更为详细的空间分布与更为精确的数值程度。

Claims (4)

1.一种用于提高风电机组防雷系统优化设计的方法，其特征在于，所述方法包括:
利用目标风电机组参数以及待分析工况建立三维模型，根据计算精度要求对机组模型各处进行几何结构网格化处理，形成待分析节点网络并且进行获取；
根据目标风电机组所处位置雷电特征，考虑雷背景电场以及雷电下行先导电荷，利用有限元法分别计算典型参数正极性和负极性雷电作用下风电机组附近空间电势时空分布，并按照节点网络给出各个待分析位置的电势曲线簇Ubackground；
利用正极性和负极性上行先导起始判据，计算雷电下行先导作用下，风电机组不同位置节点上行先导起始时刻，以此时对应雷电下行先导头部距地净高度为指标，表征各个节点最终引发主回击的能力；先导起始判据为：初始流注区域长度超过临界值时，判定上行先导起始；
将计算得到的不同极性雷击作用下，各节点上行先导起始时刻对应下行先导距地高度，进一步减去节点距地高度得到下行先导距地净高度，即引发主回击能力，进行归一化处理；定义被分析节点距地净高度与距地净高度最大值之比为雷击风险系数，分别获得正极性、负极性雷击时雷击风险系数分布；
利用被分析风电机组所处位置雷暴天气历史数据，获得正极性雷击比例Rpositive，负极性雷击比例Rnegative，将正负极性雷击风险系数按照正极性雷击比例及负极性雷击比例折算，得到雷击综合风险系数Pi；
根据各节点位置坐标与雷击综合风险系数，即可获得风电机组雷击综合风险分布情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算初始流注区域长度的方法为：作以Estr为斜率的过原点直线，以背景电势曲线焦点的横坐标Xstr为初始流注长度；其中对于正极性雷击，Estr取值范围750kV/m-1000kV/m；对于负极性雷击，Estr取值范围300kV/m-600kV/m；对于正极性雷击，临界值Lcrit取值为1.5m；对于负极性雷击，临界值Lcrit取值为：
Lcrit＝K×5.2192
Figure FDA0004041506190000021
其中，a＝0.5662，b＝0.1329，c＝0.5664。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据定义被分析节点距地净高度与距地净高度最大值之比为雷击风险系数，分别获得正极性、负极性雷击时雷击风险系数分布，包括，正负极性雷击风险系数计算公式如下式所示：
正极性雷击：
Figure FDA0004041506190000022
负极性雷击：
Figure FDA0004041506190000031
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据利用被分析风电机组所处位置雷暴天气历史数据，获得正极性雷击比例Rpositive，负极性雷击比例Rnegative，将正负极性雷击风险系数按照该比例折算，得到雷击综合风险系数Pi，还包括，系数Pi计算如下：
Figure FDA0004041506190000032
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