CN115983680A - 一种风力发电机雷击风险评估方法及系统 - Google Patents

一种风力发电机雷击风险评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机雷击风险评估方法及系统，获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。本申请通过雷云信息、风机信息和环境信息确定空间电场，根据空间电场得到雷电截收区域，从而得到初始雷击风险，并根据对应数据修正初始雷击风险，评估准确性高，能够有效预防雷电对风机的打击，保证风电机组安全运行。

Description

一种风力发电机雷击风险评估方法及系统
技术领域
本申请涉及风力发电预测技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机雷击风险评估方法及系统。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。广义地说，风能也是太阳能，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。
现有技术中，风力发电机经常遭受雷电影响，产生雷击现象，损坏风机。因为，影响雷电因素较多，没有能够准确预测或评估雷击的手段存在。
因此，如何提高雷击风险评估的准确性，是目前有待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种风力发电机雷击风险评估方法，用以解决现有技术中雷击预测准确性低的技术问题。所述方法包括：
获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；
获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；
根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
本申请一些实施例中，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险，包括：
获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：
风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；
根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：
风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；
根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；
根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，还包括；
根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
对应的，本申请还提供了一种风力发电机雷击风险评估系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；
确定模块，用于获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；
修正模块，用于根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
本申请一些实施例中，所述确定模块，具体用于：
获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块，具体用于：
风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；
根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块，具体用于：
风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；
根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；
根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块，具体用于：
根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
通过应用以上技术方案，获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。本申请通过雷云信息、风机信息和环境信息确定空间电场，根据空间电场得到雷电截收区域，从而得到初始雷击风险，并根据对应数据修正初始雷击风险，评估准确性高，能够有效预防雷电对风机的打击，保证风电机组安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提出的一种风力发电机雷击风险评估方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例提出的一种风力发电机雷击风险评估系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供一种风力发电机雷击风险评估方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息。
本实施例中，雷云信息包括雷电强度、雷电位置等相关信息，首先确定风机区域内未来的雷电情况。
步骤S102，获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险。
本实施例中，当发生下行负极性雷击时，梯级先导向下发展到一定区域内，风机叶片尖端等曲率半径较小的地方可以产生稳定发展的迎面上行正极性先导，最终下行梯级先导与迎面先导相连，雷电击中风机，将这个区域定义为风机的雷击截收区域。风机的雷电截收区域由雷云、下行梯级先导、大地和风机形成的空间电场决定。回击电流幅值决定了梯级先导通道总的电荷量，从而影响空间电场的大小。而地形结构的不同使风机附近的空间电场有不同程度的畸变，同时大地对雷电的截收距离也会发生改变。
需要说明的是，环境信息包括海拔高度、地形情况等表征环境结构的信息。风机信息包括风机高度，叶片高度等。利用有限元法对雷云、梯级先导、风机和大地构成的空间电场进行求解，得到雷电截收区域。具体计算过程属于本领域常规技术，在此不再赘述。
为了提高雷击风险的准确性，本申请一些实施例中，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险，包括：获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
本实施例中，本方案用一段预设时间内遭受的雷击次数表征雷击风险。
公式如下：
A＝BS；
其中，A为风机遭受的雷击次数，B为风机所在地的地闪密度，S为风机雷电截收区域对地投影面积。风机所在地的地闪密度可以通过观测数据得到。也可以利用利用所在地的雷暴日进行计算。
步骤S103，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
本实施例中，风机叶片情况同样能影响雷击风险，因此需要根叶片情况进行修正，降低干扰，提高准确率。
为了进一步提高雷击风险的准确性，本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
本实施例中，风机叶片角度不同，遭雷击的概率不同，在某个范围内雷击概率较大，例如15度-45度之间。
设定风机叶片角度为C，预设风机叶片角度区间值数组C0(C1，C2，C3，C4)，其中，第一预设风机叶片角度区间值为C1，第二预设风机叶片角度区间值为C2，第三预设风机叶片角度区间值为C3，第四预设风机叶片角度区间值为C4，且C1＜C2＜C3＜C4；
预设第一修正系数数组F0(F1，F2，F3，F4)，其中，第一预设第一修正系数为F1，第二预设第一修正系数为F2，第三预设第一修正系数为F3，第四预设第一修正系数为F4，且F1＜F2，F3＞F4；0.8＜F0＜1.2；设定初始雷击风险为P；
根据风机叶片角度与各个预设风机叶片角度区间值之间的关系，确定第一修正系数，根据第一修正系数修正初始雷击风险；
若C＜C1，确定第一预设第一修正系数F1作为第一修正系数，修正后的，一修雷击风险为P*F1；
若C1≤C＜C2，确定第二预设第一修正系数F2作为第一修正系数，修正后的，一修雷击风险为P*F2；
若C2≤C＜C3，确定第三预设第一修正系数F3作为第一修正系数，修正后的，一修雷击风险为P*F3；
若C3≤C＜C4，确定第四预设第一修正系数F4作为第一修正系数，修正后的，一修雷击风险为P*F4。
为了进一步提高雷击风险的准确性，本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
本实施例中，一般来说，雷击是从叶片上传递下来的，如果叶片上的湿度过大，会影响导电率，从而影响雷击风险。叶片湿度根据环境湿度紧密相关，需要修正。
设定叶片湿度为V，预设叶片湿度数组V0(V1，V2，V3，V4)，其中，第一预设叶片湿度为V1，第二预设叶片湿度为V2，第三预设叶片湿度为V3，第四预设叶片湿度为V4，且V1＜V2＜V3＜V4；
设定风机叶片周围环境湿度为W，预设风机叶片周围环境湿度数组W0(W1，W2，W3，W4)，其中，第一预设风机叶片周围环境湿度为W1，第二预设风机叶片周围环境湿度为W2，第三预设风机叶片周围环境湿度为W3，第四预设风机叶片周围环境湿度为W4，且W1＜W2＜W3＜W4；
预设叶片湿度修正系数数组T0(T1，T2，T3，T4)，其中，第一预设叶片湿度修正系数为T1，第二预设叶片湿度修正系数为T2，第三预设叶片湿度修正系数为T3，第四预设叶片湿度修正系数为T4，且0.8＜T1＜T2＜T3＜T4＜1.2；
根据风机叶片周围环境湿度与各个预设风机叶片周围环境湿度之间的关系，确定叶片湿度修正系数，修正风机叶片湿度；
若W＜W1，确定第一预设叶片湿度修正系数T1作为叶片湿度修正系数，修正后的风机叶片湿度为V*T1；
若W1≤W＜W2，确定第二预设叶片湿度修正系数T2作为叶片湿度修正系数，修正后的风机叶片湿度为V*T2；
若W2≤W＜W3，确定第三预设叶片湿度修正系数T3作为叶片湿度修正系数，修正后的风机叶片湿度为V*T3；
若W3≤W＜W4，确定第四预设叶片湿度修正系数T4作为叶片湿度修正系数，修正后的风机叶片湿度为V*T4。
预设第二修正系数数组L0(L1，L2，L3，L4)，其中，第一预设第二修正系数为L1，第二预设第二修正系数为L2，第三预设第二修正系数为L3，第四预设第二修正系数为L4，且0.8＜L1＜L2＜L3＜L4＜1.2；
根据风机叶片湿度与各个预设叶片湿度之间的关系，确定第二修正系数，修正初始雷击风险；
若V*T0＜V1，确定第一预设第二修正系数L1作为第二修正系数，修正后的二修雷击风险为P*L1；
若V1≤V*T0＜V2，确定第二预设第二修正系数L2作为第二修正系数，修正后的二修雷击风险为P*L2；
若V2≤V*T0＜V3，确定第三预设第二修正系数L3作为第二修正系数，修正后的二修雷击风险为P*L3；
若V3≤V*T0＜V4，确定第四预设第二修正系数L4作为第二修正系数，修正后的二修雷击风险为P*L4。
为了进一步提高雷击风险的准确性，本申请一些实施例中，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，还包括；根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
本实施例中，风机叶片角度和风机叶片湿度对雷击风险影响程度不同，因此需要根据权重值得到最终雷击风险。预设权重表中存在多个一修雷击风险范围、二修雷击风险范围和两者分别对应的权重值。每个一修雷击范围及二修雷击风险范围均对应有一个权重值。根据一修雷击风险、二修雷击风险在表中所处范围，得到对应权重，从而得到风机的雷击风险。
风机的雷击风险＝N1*P*F0+N2*P*L0。
其中，N1为一修雷击对应的权重，N2为二修雷击对应的权重。
为了提高本方案的可靠性，本申请还有一些额外方案如下：
当2台风力发电机组之间距离较近，雷电截收区域有交叠时，下行雷击的先导头部进入到交叠的雷电截收区域，雷击中2台风机的概率相同，因此2台风机的等效截收区域面积减少，这就是风机之间的屏蔽效应。
因此，计算雷电截收区域时，需要考虑风机间的距离，以此减小误差。
根据风机的间距修正雷电截收区域，得到修正后的初始雷击风险；
设定风机间距为X，预设风机间距数组X0(X1，X2，X3，X4)，其中，第一预设风机间距为X1，第二预设风机间距为X2，第三预设风机间距为X3，第四预设风机间距为X4，且X1＜X2＜X3＜X4；
预设雷电截收区域修正系数数组R0(R1，R2，R3，R4)，其中，第一预设雷电截收区域修正系数为R1，第二预设雷电截收区域修正系数为R2，第三预设雷电截收区域修正系数为R3，第四预设雷电截收区域修正系数为R4，且0.8＜R1＜R2＜R3＜R4＜1.2；
根据风机间距与各个预设间距之间的关系，确定雷电截收区域修正系数，修正雷电截收区域；
若X＜X1，确定第一预设雷电截收区域修正系数R1作为雷电截收区域修正系数，修正后的雷电截收区域为S*R1；
若X1≤X＜X2，确定第二预设雷电截收区域修正系数R2作为雷电截收区域修正系数，修正后的雷电截收区域为S*R2；
若X2≤X＜X3，确定第三预设雷电截收区域修正系数R3作为雷电截收区域修正系数，修正后的雷电截收区域为S*R3；
若X3≤X＜X4，确定第四预设雷电截收区域修正系数R4作为雷电截收区域修正系数，修正后的雷电截收区域为S*R4。
通过应用以上技术方案，获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。本申请通过雷云信息、风机信息和环境信息确定空间电场，根据空间电场得到雷电截收区域，从而得到初始雷击风险，并根据对应数据修正初始雷击风险，评估准确性高，能够有效预防雷电对风机的打击，保证风电机组安全运行。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)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场景所述的方法。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
对应的，本申请还提供了一种风力发电机雷击风险评估系统，如图2所示，所述系统包括：
获取模块201，用于获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；
确定模块202，用于获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；
修正模块203，用于根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
本申请一些实施例中，所述确定模块202，具体用于：
获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块203，具体用于：
风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；
根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块203，具体用于：
风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；
根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；
根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
本申请一些实施例中，所述修正模块203，具体用于：
根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
本领域技术人员可以理解实施场景中的系统中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的系统中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个系统中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：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，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机雷击风险评估方法，其特征在于，所述方法包括：
获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；
获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；
根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险，包括：
获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：
风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；
根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，包括：
风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；
根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；
根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，还包括；
根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
6.一种风力发电机雷击风险评估系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于获取气象台发布风机区域内的未来雷电信息，所述未来雷电信息包括雷云信息；
确定模块，用于获取风机周边环境信息，根据雷云信息、环境信息和风机信息确定空间电场，根据空间电场得到风机的雷电截收区域，根据风机的雷电截收区域确定初始雷击风险；
修正模块，用于根据风机叶片信息对初始雷击风险进行修正，得到风机的雷击风险。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述确定模块，具体用于：
获取风机周边的地闪密度，根据风机的雷电截收区域和风机周边的地闪密度得到初始雷击风险。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述修正模块，具体用于：
风机叶片信息包括风机叶片角度，未来雷电信息还包括雷电时间；
根据雷电时间获取风机叶片角度，根据风机叶片角度对初始雷击风险进行第一次修正，得到一修雷击风险。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述修正模块，具体用于：
风机叶片信息还包括风机叶片湿度，环境信息还包括风机叶片周围环境湿度；
根据雷电时间获取风机叶片湿度，根据风机叶片周围环境湿度修正风机叶片湿度，得到修正后的风机叶片湿度；
根据修正后的风机叶片湿度对初始雷击风险进行第二次修正，得到二修雷击风险。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述修正模块，具体用于：
根据一修雷击风险、二修雷击风险和预设权重表得到风机的雷击风险。
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