風力發(fā)電機組雷電暫態(tài)效應的研究.pdf

1、隨著風力發(fā)電機組單機容量和風電場規(guī)模的增大，風電機組的安全運行問題日益受到重視。雷擊是影響風電機組安全運行的主要因素之一。當風電機組遭受雷擊時，巨大的雷電流通常由機組的槳葉葉尖注入，沿槳葉內(nèi)置導體注入葉尖根部，再經(jīng)滑環(huán)、電刷或放電器等環(huán)節(jié)流過主軸和機艙導流路徑進入塔筒頂部，由塔筒將雷電流導入接地裝置并最終散入大地。在此暫態(tài)過程中，由于接地電阻的存在，地電位將被抬高，有可能對設備造成反擊。同時，雷電流將在塔筒內(nèi)部空間產(chǎn)生電磁場，通過輻射、

2、感應和耦合等方式在塔內(nèi)的信號線與電力線上以及機組控制系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生干擾和電涌過電壓，損壞電力電子設備，對機組的安全可靠運行產(chǎn)生威脅。因此，本文旨在對風電機組遭受雷擊情況下的暫態(tài)特性進行仿真分析，以期為機組的防雷保護提供可信的設計依據(jù)，從而降低機組的雷害損失。
　　 本文根據(jù)雷電流的流動路徑，建立了包括雷擊、槳葉、機艙、塔筒及接地裝置在內(nèi)的一體化的風電機組暫態(tài)電路模型，計算了電路中的電阻、電感、電容、電導(R、L、C、G)參數(shù)，將風電

3、機組等效為由一系列π型電路組成的電網(wǎng)絡，雷擊被視為注入此電網(wǎng)絡的電流源。通過對機組電路方程的求解便可得到機組受直接雷擊時的暫態(tài)響應。文中考慮了土壤電離的非線性特征，將土壤電離的作用等效為接地導體尺寸的增加，在計算過程中根據(jù)土壤電離情況修正接地導體的電路參數(shù)，動態(tài)地求解電路響應。分別提出了計算理想大地情況下常參數(shù)電路的暫態(tài)響應和非理想大地條件下頻變參數(shù)電路的有效方法。論文考察了雷電流波形、耦合參數(shù)、計算步長、分段方式、雷擊方式和接地裝置參

4、數(shù)等因素對暫態(tài)響應的影響，設計了對實際風機按比例縮小模型的雷擊試驗。
　　 根據(jù)計算得到的塔筒上的暫態(tài)電流分布，采用偶極子法求解麥克斯韋方程，推導了塔筒內(nèi)部空間任意點處的電場和磁場分布的時域計算公式，通過對時間和空間的離散化處理，得到了電場和磁場的數(shù)值解法；分析了雷電流波形、雷電流注入方式等因素對電磁場的影響，根據(jù)電磁感應定律計算了回路感應電動勢。
　　 以塔內(nèi)空間的電磁場作為入射場，用暫態(tài)等值電路法求解傳輸線方程，對電

5、纜屏蔽層上的感應電壓和電流進行了數(shù)值計算。根據(jù)電路理論利用轉(zhuǎn)移阻抗計算了電纜芯線上的差模感應電涌過電壓，并考察了電纜屏蔽層在塔底長距離路徑上的單端與兩端接地方式、電纜轉(zhuǎn)移阻抗、雷電流波形及電纜敷設方式對過電壓的影響。文中的計算結(jié)果和分析結(jié)論為實際風電機組的雷電防護設計提供了很好的參考依據(jù)，根據(jù)文中所建立的模型及相應的求解方法，研究者可對不同的風電機組進行暫態(tài)分析，并對敏感設備、元件、電纜等采取適當?shù)谋Ｗo措施。更進一步，在本論文的指導下，