CN115864347A - 风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及避雷设计技术领域，公开一种风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法，以确保风机运行的可靠性。方法包括：通过估计法或回路感应电流有限元仿真计算法获得风力发电机电子电气系统电路回路中感应电压电流的数值；然后建立以所述感应电压电流为激励的风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型，对各个关键节点处电压波形进行分析以确定浪涌保护器是否符合需求。进一步地，还可以在模型中新增所选浪涌保护器模型，重新计算增加所选浪涌保护器后的电磁响应情况，依据浪涌保护器的能量吸收情况判断得出所选浪涌保护器是否符合要求。

Description

风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法

技术领域

本发明涉及避雷设计技术领域，尤其涉及一种风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法。

背景技术

风力发电机最高可达几十上百米，且风电场往往位于空旷的平原、山顶、沿海等地区，极易遭受雷击，导致设备损坏、停机，造成重大损失。据统计，因雷击造成的风力发电机组损坏可分为两类，一类是风机叶片由雷电直击造成；一类是电子电气系统，主要由雷电感应过电压和过电流引起，且其占比高达70％。为了保护风力发电机的电子电气控制系统，目前采取的主要措施是安装浪涌保护器(SPD)，但据统计，风机内部电子电气系统雷击损坏概率依然比较高，其主要原因为选用的浪涌保护器性能不能满足实际需求。因此，很有必要在进行风力发电机组电子电气系统防雷浪涌保护器选择前进行理论计算，确定所需性能参数指标。

发明内容

本发明目的在于公开一种风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法，以确保风机运行的可靠性。

为达上述目的，本发明风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法包括：

通过估计法或回路感应电流有限元仿真计算法获得风力发电机电子电气系统电路回路中感应电压电流的数值；

建立以所述感应电压电流为激励的风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型，对各个关键节点处电压波形、浪涌保护器导通及能量吸收情况进行分析以确定浪涌保护器是否符合需求。

优选地，所述估算法的具体步骤包括：

假设所有电路回路中的感应电压U都一样，并等于当雷电流I平行流过长为l，宽为h的矩形回路的短边时的矩形框回路的感应电压；其中，雷电流距矩形框距离d等于发电机到低速轴承雷电流传到电刷之间的水平距离，矩形回路长l为机舱轮毂面到对面的长度减去d，l>h，矩形回路宽h为机舱高度的一半；

然后通过电磁耦合方程可获得回路感应电压值。

优选地，所述回路感应电流有限元仿真计算法的具体过程包括：

基于有限元仿真软件，依据实际风力发电机机舱、塔筒及电子电气系统的布线位置关系，以及实际雷电流泄放通道情况，建立感应电流仿真计算模型对感应电流进行计算。

优选地，建立风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型的具体过程包括：

根据求解得到的所述感应电流，在模型各个回路中设置电流激励；

计算获得各个设备两端端口处对地电压数据，并根据对地电压数据选择浪涌保护器；

在模型中新增所选浪涌保护器模型，重新计算增加所选浪涌保护器后的电磁响应情况，获得经过浪涌保护器抑制后各个设备两端的电压情况、浪涌保护器的动作情况及能量吸收情况，判断得出所选浪涌保护器是否符合要求。

本发明具有以下有益效果：

分析过程科学合理，逻辑严谨且便于实施，能便于用户快速的筛选出对应的浪涌保护器，并可通过对所选择的浪涌保护器加载到风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型中进行再校验，确保了风机运行的可靠性。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的估计法计算回路感应电压示意图。

图2是本发明实施例公开的仿真计算法计算回路感应电流示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法，包括以下主要步骤：

一、风力发电机电子电气系统电路回路中感应电压电流数值的确定：

1)估计法：首先假设所有电路回路中的感应电压U都一样，并等于当雷电流I平行流过长为l，宽为h(l>h)的矩形回路的短边时的矩形框回路的感应电压。如图1所示，雷电流距矩形框距离d等于发电机到低速轴承雷电流传到电刷之间的水平距离，矩形回路长l为机舱轮毂面到对面的长度减去d，矩形回路宽h机舱的高度一半。

本实施例中，感应电压U的计算公式如下所示：

其中，μ0为磁导率。

2)仿真计算法：如图2所示，其中，各数字标与器件名称的对应关系分别为：1、机舱；2、发电机；3、轮毂；4、电刷及其导流体；5、机舱底座；6、塔筒；7、发电回路等效导体；8、变压器；9、变流器。该计算法本质即：

基于有限元仿真软件，依据实际风力发电机机舱、塔筒及电子电气系统的布线位置关系，以及实际雷电流泄放通道情况，建立感应电流仿真计算模型，主要步骤包括：建立雷电流泄放通道以及所需计算的电气系统电路回路的几何模型，其中雷电泄放通道几何模型参考实际几何进行建模，电气系统的导线电缆、铜排等用与导线截面相等的圆柱代替，发电机、主变流器、变压器、励磁线圈等设备均用长度等于原设备导线进出两端口之间距离的圆柱导体替代。对于可以划分开的不同的电路回路可分开建模计算。

二、感应电压电流作用下风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算及浪涌保护器能量吸收情况分析。

1)建立风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型。主要包括：发电机、主变流器、变压器、励磁线圈、励磁回路变流器、低压配电回路和控制回路、连接各个部分的线缆以及进行等电位连接的线缆。

2)依据上一步求解得到的感应电流，在模型各个回路中设置电流激励。计算获得各个设备两端端口处对地电压数据，以此为据，选择浪涌保护器。

3)在步骤1)模型中增加浪涌保护器模型，重新进行计算，获得经过浪涌保护器抑制后各个设备两端的电压情况，以及浪涌保护器的动作情况及能量吸收情况，据此判断浪涌保护器是否损坏，所选浪涌保护器是否符合要求。

综上，本发明实施例所公开的方法，分析过程科学合理，逻辑严谨且便于实施，能便于用户快速的筛选出对应的浪涌保护器，并可通过对所选择的浪涌保护器加载到风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型中进行再校验，确保了风机运行的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风力发电机电子电气系统用浪涌保护器的选择分析方法，其特征在于，包括：

通过估计法或回路感应电流有限元仿真计算法获得风力发电机电子电气系统电路回路中感应电压电流的数值；

建立以所述感应电压电流为激励的风力发电机电子电气系统的电磁暂态仿真计算模型，对各个关键节点处电压波形、浪涌保护器导通及能量吸收情况进行分析以确定浪涌保护器是否符合需求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估算法的具体步骤包括：

假设所有电路回路中的感应电压U都一样，并等于当雷电流I平行流过长为l，宽为h的矩形回路的短边时的矩形框回路的感应电压；其中，雷电流距矩形框距离d等于发电机到低速轴承雷电流传到电刷之间的水平距离，矩形回路长l为机舱轮毂面到对面的长度减去d，l>h，矩形回路宽h为机舱高度的一半；

然后通过电磁耦合方程可获得回路感应电压值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，感应电压U的计算公式如下所示：

其中，μ₀为磁导率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回路感应电流有限元仿真计算法的具体过程包括：

基于有限元仿真软件，依据实际风力发电机机舱、塔筒及电子电气系统的布线位置关系，以及实际雷电流泄放通道情况，建立感应电流仿真计算模型对感应电流进行计算。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，对各个关键节点处电压波形、浪涌保护器导通及能量吸收情况进行分析以确定浪涌保护器是否符合需求的具体过程包括：

根据求解得到的所述感应电流，在模型各个回路中设置电流激励；

计算获得各个设备两端端口处对地电压数据，并根据对地电压数据选择浪涌保护器；

在模型中新增所选浪涌保护器模型，重新计算增加所选浪涌保护器后的电磁响应情况，获得经过浪涌保护器抑制后各个设备两端的电压情况、浪涌保护器的动作情况及能量吸收情况，判断得出所选浪涌保护器是否符合要求。

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