一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法及其系统

摘要

本发明公开了一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法及其系统，属于风电机组领域，包括：以风机中心为极点，获得坐标集合A；步骤S2，获取风机D所处位置的地形数据、IPy、H1；并获得两个电位分布曲线1、2；步骤S3，将点X位置下的下行先导头部到雷击目标点的直线距离记为H2，若H2＜H1，进入S4；若H2≥H1，则判定在点X位置处的下行先导无法击中风机D，进入S5；步骤S4，判断雷击目标点是否有稳定迎面先导：若判断下行先导击中风机D，否则降低高度H1，并返回步骤S2；步骤S5，计算雷击截收区域SD’和雷击截收区域的高度HD。本发明考虑了地形因素的影响，可体现风电场中每台风力发电机机在不同地形结构下接闪的物理过程，结果更加准确。

说明书

技术领域

本发明涉及风电机组领域，尤其涉及一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法及其系统。

背景技术

风电作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。然而，随着风电机组的装机容量逐年上升和机身高度的持续增加，雷击风电机组的风险随之增大，雷击故障造成的停机时间与经济损失已成为制约风电发展的关键问题。因此，为减小雷电灾害的危害，促进风电场的经济稳定运行，寻找一个兼顾风机发电效益与防雷优化的风电场空间布置方法，并针对风机所处的极易遭受雷击的环境，分析环境因素对风电场防雷布置的影响，具有十分重要的现实意义。现有的风电场风机之间距离的确定还属于经验性结论，布置方式也基本为规则性的行列布置，且布置规划的出发点主要是风电场发电的经济效益，国内外已经对此展开了相应的研究。

不过对现有的研究进行调研后发现，风电场目前的布置既没有从防雷的角度进行分析，也没有分析环境因素对风电场防雷的影响。近年来，国内外学者关于风机及风电场的雷击风险评估研究主要围绕风力发电机雷击接闪的物理过程，目的是希望通过仿真建模的手段对风机雷击截收区域的分布进行评估，进而实现对风机的接闪防护系统的等级和位置的优化设计。在这方面丹麦技术大学S.Madsen团队以及瑞典M.Becerra团队基于传统电气几何模型(EGM)和先导发展模型(LDM)开展了大量的研究工作，提出了自洽式先导发展模型(self-consistent leader inception and propagation model,SLIM)既不存在电气几何模型无法考虑迎面先导的问题，又克服了电气结合模型和基于先导法建立的截收体积模型无法反映目标物的几何形状对雷击接闪过程影响的缺点。由于物理意义明确，SLIM得到了学术界和工业界的普遍认可，曾成功应用于我国特高压输电工程线路防雷设计的校核。瑞典皇家理工学院的Becerra和龙梦妮等基于SLIM计算了Vestas V90 机组在直蹿下行先导作用下叶片雷击附着点分布情况，以指导叶片雷击防护系统的设计；华北电力大学的李庆民等人将SLIM方法与EGM结合，提出了“动态击距”的概念，计算分析了叶片雷击保护系统对下行先导的拦截效率。以上研究改变了以往只能根据电场分布特征间接获得风机叶片下行雷击附着点分布的局面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法及其系统，本发明的方法通过逐点判断每个坐标位置的下行先导是否能击中某台风电力发电机，然后计算该风力发电机雷击截收面积，本发明在计算雷击目标点与下行先导头部之间的电位分布时，考虑了地形因素的影响，可以体现风电场中每台风力发电机机在不同地形结构下接闪的物理过程，结果更加准确。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法，包括如下步骤：

步骤S1，计算参数的设定：在待评估的风电场风力发电机组中任选一台风力发电机，记为风机D，以风机D的中心为起点，在水平方向上选取 F×M个点；以风机中心为极点，记录F×M个点的极坐标，并组成一个下行先导所在位置的极坐标集合，记为集合A；

步骤S2，获取风机D所处位置的地形数据；在步骤S1得到的集合A 中任取一个点记为点X，将在点X位置下的下行先导头部到大地的垂直距离记为下行先导头部对地高度H1；并取雷电流幅值为I

步骤S3，将点X位置下的下行先导头部到雷击目标点的直线距离记为下行先导头部对目标点距离H2，若H2＜H1，进入步骤S4；若H2≥H1，则判定在点X位置处的下行先导无法击中风机D，进入步骤S5；

步骤S4，基于步骤S2获得的电位分布曲线1和电位分布曲线2，判断雷击目标点是否有稳定迎面先导：若有稳定迎面先导则判定点X位置下的下行先导击中风机D，否则降低高度H1，并返回步骤S2；

步骤S5，按照步骤S2至步骤S4的方法逐点判断集合A中每一个点所在位置的下行先导在雷电流幅值I

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S6，选取距离风机D最近的一台风机E，按照步骤S1至步骤S5 的方法，得到雷电流幅值为I

步骤S7，判断H

进一步地，所述步骤S1中，F×M个点选取方法为：以风机D的中心为起点，在水平方向上构造等角度射线，设两条相邻射线的角度均为β，共得到F条射线；在F条射线中的每条射线上，自起点向外按等值间距j 取点，一条射线得到M个点，F条射线共得到F×M个点；以风机中心为极点，记录F×M个点的极坐标，并组成一个下行先导所在位置的极坐标集合，记为集合A：

A＝{(r

式(1)中，r

进一步地，所述步骤S2中，电位分布曲线1、2的获得方式为：

采用有限元方法，计算得到风机D在所述地形数据及雷电流幅值I

进一步地，所述步骤S2中，所述高度H1的取值范围为0-1000m。

进一步地，所述步骤S2中，所述雷击目标点有流注产生时取发生流注的空间内的场强为E＝450KV/m。

进一步地，所述步骤S2中，所述地形数据包括风力发电机所处地形的高度、风力发电机所处地面的倾角和风力发电机所在位置；其中：

所述风力发电机所处地形高度的变化范围为0—100m；

所述风力发电机所处地面的倾角的变化范围为0°-45°；所述风力发电机所处地面的倾角为该风力发电机所处地面与水平面形成的倾角；

所述风力发电机所在位置包括风机位于山顶和山坡两种情况；所述风力发电机所处地形的高度获取方法为：以该台风力发电机为圆心，以R为半径画圆，获取圆形区域内最低处与该台风力发电机的海拔高度差，所述海拔高度差为风力发电机所处地形的高度。

进一步地，所述步骤S4中，判断雷击目标点是否有稳定迎面先导的方法为：

步骤S41：先判断雷击目标点是否有流注产生，若有流注产生则进入步骤S 42，否则降低高度H1，并返回步骤S2；其中，判断雷击目标点有流注产生的依据是步骤S2中电位分布曲线1和电位分布曲线2有交点；

步骤S42，判断步骤S41中产生的流注是否向先导转化，若流注向先导转化则进入步骤S43，否则降低高度H1，并返回步骤S2；其中，流注向先导转化的要求为：判断流注内产生的空间电荷量ΔQ≥1μC时，则认为所述流注向先导转化；

步骤S43，判断步骤S42中先导是否发展为稳定迎面先导，若先导发展为稳定迎面先导，则判定点X位置下的下行先导击中风机D，进入步骤S5，否则降低高度H1，并返回步骤S2；

所述先导发展为稳定迎面先导的要求为：通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

进一步地，所述步骤S42中流注内产生的空间电荷量ΔQ的计算公式为：

式(2)中，K

进一步地，所述步骤S43中通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

步骤S43.1，利用式(3)计算第n次迭代后的流注产生的空间电荷量 Q

式(3)中，L

步骤S43.2，通过式(4)计算通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

L

式(4)中，q

另一方面，提供一种风电场中风力发电机的雷击风险评估系统，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的风电场中风力发电机的雷击风险评估方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明的方法通过逐点判断每个坐标位置的下行先导是否能击中某台风电力发电机，然后计算该风力发电机雷击截收面积，本发明在计算雷击目标点与下行先导头部之间的电位分布时，考虑了地形因素的影响，可以体现风电场中每台风力发电机机在不同地形结构下接闪的物理过程，结果更加准确。

(2)本发明以自洽式先导发展模型为基础，结合单台风机的雷击风险评估方法，同时考虑多风机之间的雷电屏蔽效应，用来评估风电场中各台风力发电机机在不同地形因素下的雷击风险，找到风电场中雷击风险最高的风机，以找出遭受雷击薄弱点，提出风力发电机组最具经济性的雷击防护措施方案。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的风电场中风力发电机的雷击风险评估方法的流程图。

图2为本发明中发生流注和未发生流注时，雷击目标点与下行先导头部之间电位分布图；

图3为本发明中等角F条射线分布及风力发电机雷击截收面积平面示意图；

图4为复杂地形下风力发电机雷击截收区域立体示意图；

图5为考虑地形因素下，两台风力发电机机之间的雷击屏蔽区域示意图；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本发明提供一种风电场中风力发电机的雷击风险评估方法的实施例，如图1至图5所示，包括如下步骤：

步骤S1，计算参数的设定：在待评估的风电场风力发电机组中任选一台风力发电机，记为风机D，以风机D的中心为起点，在水平方向上选取 F×M个点；以风机中心为极点，记录F×M个点的极坐标，并组成一个下行先导所在位置的极坐标集合，记为集合A；

步骤S2，获取风机D所处位置的地形数据；在步骤S1得到的集合A 中任取一个点记为点X，将在点X位置下的下行先导头部到大地的垂直距离记为下行先导头部对地高度H1；并取雷电流幅值为I

步骤S3，将点X位置下的下行先导头部到雷击目标点的直线距离记为下行先导头部对目标点距离H2，若H2＜H1，进入步骤S4；若H2≥H1，则判定在点X位置处的下行先导无法击中风机D，进入步骤S5；

步骤S4，基于步骤S2获得的电位分布曲线1和电位分布曲线2，判断雷击目标点是否有稳定迎面先导：若有稳定迎面先导则判定点X位置下的下行先导击中风机D，否则降低高度H1，并返回步骤S2；

步骤S5，按照步骤S2至步骤S4的方法逐点判断集合A中每一个点所在位置的下行先导在雷电流幅值I

本发明通过逐点判断每个坐标位置的下行先导是否能击中某台风电力发电机，然后计算该风力发电机雷击截收面积，本发明在计算雷击目标点与下行先导头部之间的电位分布时，考虑了地形因素的影响，可以体现风电场中每台风力发电机机在不同地形结构下接闪的物理过程，结果更加准确。

进一步地，为了使评估更加准确，还包括如下步骤：

步骤S6，选取距离风机D最近的一台风机E，按照步骤S1至步骤S5 的方法，得到雷电流幅值为I

步骤S7，判断H

进一步地，步骤S1中，F×M个点选取方法为：以风机D的中心为起点，在水平方向上构造等角度射线，设两条相邻射线的角度均为β，共得到F条射线；在F条射线中的每条射线上，自起点向外按等值间距j取点，一条射线得到M个点，F条射线共得到F×M个点；以风机中心为极点，记录F×M个点的极坐标，并组成一个下行先导所在位置的极坐标集合，记为集合A：

A＝{(r

式(1)中，r

相应的，步骤S5中，在集合A中所有的点判断完成后，将F条射线上下行先导击中风机D的所有点中最外侧的点连接起来形成一个封闭的边界，该边界所围成的区域记为雷击截收区域，其面积记为S

进一步地，步骤S2中，地形数据包括风力发电机所处地形的高度、风力发电机所处地面的倾角和风力发电机所在位置；其中：

风力发电机所处地形高度的变化范围为0—100m；

风力发电机所处地面的倾角的变化范围为0°-45°；风力发电机所处地面的倾角为该风力发电机所处地面与水平面形成的倾角；

风力发电机所在位置包括风机位于山顶和山坡两种情况；风力发电机所处地形的高度获取方法为：以该台风力发电机为圆心，以R为半径画圆，获取圆形区域内最低处与该台风力发电机的海拔高度差，海拔高度差为风力发电机所处地形的高度。

进一步地，步骤S2中，电位分布曲线1、2的获得方式为：

采用有限元方法，计算得到风机D在地形数据及雷电流幅值I

上述实施例中，I

进一步地，步骤S2中，高度H1的取值范围为0-1000m。

进一步地，步骤S2中，雷击目标点有流注产生时取发生流注的空间内的场强为E＝450KV/m。

进一步地，步骤S4中，判断雷击目标点是否有稳定迎面先导的方法为：

步骤S41：先判断雷击目标点是否有流注产生，若有流注产生则进入步骤S 42，否则降低高度H1，并返回步骤S2；其中，判断雷击目标点有流注产生的依据是步骤S2中电位分布曲线1和电位分布曲线2有交点；

步骤S42，判断步骤S41中产生的流注是否向先导转化，若流注向先导转化则进入步骤S43，否则降低高度H1，并返回步骤S2；其中，流注向先导转化的要求为：判断流注内产生的空间电荷量ΔQ达到1μC，即若ΔQ≥1μC时，则认为流注向先导转化；

步骤S43，判断步骤S42中先导是否发展为稳定迎面先导，若先导发展为稳定迎面先导，则判定点X位置下的下行先导击中风机D，进入步骤S5，否则降低高度H1，并返回步骤S2；

先导发展为稳定迎面先导的要求为：通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

进一步地，步骤S42中流注内产生的空间电荷量ΔQ的计算公式为：

式(2)中，K

进一步地，步骤S43中通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

步骤S43.1，利用式(3)计算第n次迭代后的流注产生的空间电荷量 Q

式(3)中，L

步骤S43.2，通过式(4)计算通过n次迭代得到的迎面先导的长度L

L

式(4)中，q

另一方面，提供一种风电场中风力发电机的雷击风险评估系统，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现上述的风电场中风力发电机的雷击风险评估方法。

本发明采用有限元的方法逐点判断每个坐标位置的下行先导是否能击中某台风电力发电机，然后计算该风力发电机雷击截收面积，并考虑风力发电机之间的屏蔽效应，将两台相邻的风力发电机的雷击截收面积进行比较得到风力发电机的有效雷击截收面积。本发明在计算雷击目标点与下行先导头部之间的电位分布时，考虑了地形因素的影响，可以体现风电场中每台风力发电机机在不同地形结构下接闪的物理过程，结果更加准确。同时又考虑了风力发电机之间的屏蔽效应，为分析风力发电机在复杂环境下的雷击风险提供理论分析方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。