风力发电机叶片雷击接闪特性研究综述

风力发电已成为全球领域推荐能源转型的核心技术和应对气候变化的重要途径。雷击是造成风力发电机损坏的主要原因之一。由于风电机结构和机组位置的特殊性,其雷击特性和防护措施与普通雷击目标物具有明显差异。该文对近年来风电场雷击自然观测、雷击风机模拟试验、雷击风机接闪过程数值计算以及接闪失效和系统优化设计等方面的研究前沿进展进行了总结和分析。主要结论为:1)由于风机尺寸越来越大,风力发电机雷击风险与上行先导关系更紧密,不同极性的雷电引发风机上行先导能力存在差异,进而影响到风机的接闪特性。2)由于风机长时间处于旋转状态,叶片旋转会影响风力发电机的引雷能力和接闪位置,但目前研究对旋转影响风机接闪放电过程机理的阐释仍未完善。3)风机数量、安装位置、外部环境等对风电机组雷击风险有较大影响,风电机组群多先导相互竞争的接闪机制以及雷击风险评估方法还有待深入研究。4)目前叶片接闪系统设计简单,设计未能充分考虑风力发电机实际接闪过程和雷击机理,接闪系统的科学性有待进一步论证。     

一次自然雷击过程的光学观测分析

雷击过程光学观测是研究雷击放电物理过程最直观的手段,长期坚持开展自然雷击放电光学观测有助于改善我国雷击光学观测数据匮乏的现状。鉴于此,分析了一次下行先导并未与迎面先导相连接的雷击放电过程的光学观测结果。根据观测结果,获取了下行先导和迎面先导的发展轨迹,计算得到了先导发展的特征参数,包括:负极性下行先导2维发展速度为(1.98~7.28)×105 m/s,平均值为3.78×105 m/s;正极性迎面先导2维尺度达到56.99m,2维发展速度为4.8×104~3.08×105 m/s,持续时间为(462.5±18.5)μs。由于观测对象高度接近我国特高压同塔双回输电线路杆塔高度,观测的迎面先导发展过程可为这类线路的防雷设计提供参考。对下行先导未与迎面先导相连接的原因进行了初步分析,证实了在下行先导发展随机性的影响下,迎面先导起始并不能保证成功拦截下行先导。最后对未来开展自然雷电光学观测研究应采用的观测方法提出了建议。     

雷击引起风电场的地电位升高问题

雷击是影响风力发电场运行安全的主要因素之一。在雷击过程中 ,雷电流沿塔筒注入风电场接地网 ,将会引起接地网的地电位升高。这些暂态过电压将对风力发电机组及其输变电设备的正常运行造成影响。通过建立相关的风电场接地网模型 ,对雷击暂态过电压进行了计算分析     

负极性雷击下地面物体上行先导稳定起始的初始流注动态临界长度判据

厘清雷击作用下地面物体上行先导的起始物理机制,是防雷系统分析设计以及提升防护性能的重要基础。在现有先导发展模型基础上,该文纳入雷电下行先导发展速度对上行先导起始的影响作用,给出单位长度上行先导发展所需电荷量与先导发展速度的关系,并改进稳定先导的起始条件,建立负极性雷击下的上行先导发展模型。通过模拟风电机组不同位置的上行先导起始情况,指出稳定上行先导起始时,其初始流注长度存在某个临界值。由此提出判别稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据,即地面物体附近空间背景电势曲线和流注区域电势曲线的交点横坐标(初始流注长度)超过临界值时,稳定上行先导起始。长间隙放电与实际雷电观测结果验证了该判据的有效性和正确性。该判据显著简化了上行先导起始的判断过程,拓展了现有平均背景电场判据和临界长度判据的概念,并指出动态临界长度受雷电下行先导发展速度和雷电流峰值的共同影响。通过与已有上行先导起始判据的交互比较发现,所提判据能更好地模拟地面高大物体(如风电机组)的上行先导起始过程,可为雷击防护系统优化设计提供理论和方法依据。     

输电线路雷击仿真模型

基于对下行雷闪物理过程的认识和对输电线路绕击分散性的研究,建立了考虑放电分散性的输电线路雷屏蔽性能的雷击仿真模型。仿真计算结果表明,该模型与现场运行经验相符,并成功地解释了ＥＧＭ难以解释的现场事故。     

玉门风电机组雷电致灾机理与接地探讨

雷击是影响风电机组乃至整个风电系统安全运行的主要因素之一,风电机组的防雷技术研究,对保护风电系统的安全运行具有重要意义。针对玉门地区的气候环境条件与高土壤电阻率特点,结合实际施工经验,对风力发电机组的雷击致灾机理、防护措施、接地方案设计与施工进行了全面的阐述。最后得出:(1)风电机组的雷击致灾机理主要与峰值电流I_m、转移电荷Q、雷电流波头陡度di/dt等参数密切相关;(2)风电机组的雷电防护首先应对防雷区(LPZ)进行划分,并加强控制与信息系统的过电压防护;(3)给出了高土壤电阻率地区电解离子接地极接地电阻的计算方法。同时接地设计与施工应充分考虑地网的稳定性与持久性。     

风力发电系统雷击模型建立与仿真分析

将风力发电系统遭受雷击过电压的整个过程划分为风力发电机组、雷电流、接地系统分别进行研究,介绍搭建的风力发电系统的雷击数学模型,并利用专业计算软件进行仿真计算,总结风力发电系统雷击过电压规律,为风力发电系统防雷设计提供理论依据。     

风力发电机组雷电防护的两个主要观点

风力发电机组可靠性中关键的一个问题是雷电防护。由于风轮叶片处于风力发电机组的最高位置,因此风力发电机组部件中最易遭到雷击的是风轮叶片,但据相关资料显示,在风力发电机组的雷击故障中却只有7％～10％与叶片损坏有关,     

风力发电机组故障分析与智能诊断

随着中国风力发电的比重及机组容量的不断增大,机组一旦发生故障,不仅影响风电场自身的安全,而且对电网的稳定运行造成重大影响。故障分析与智能诊断技术是降低大型风力发电机组故障率与运维费用的主要手段之一。文中详细分析了风力发电机组主要部件的故障,在对风力发电机组状态监测和故障诊断技术深入研究的基础上,提出了基于小波包和BP神经网络的智能诊断方法,以此开发了风力发电机组状态监测与故障诊断系统,通过系统在大型风力发电场的成功应用,验证了其对风电机组故障诊断的有效性。     

考虑电压分布的风电场短路电流计算方法

风电场的风力发电机组最常见的连接方式为链式连接,在对风电场进行短路电流等值计算时,往往不考虑链式连接对短路电流的影响。针对此,首先介绍IEC标准及直驱型和双馈型两类风力发电机单机的短路电流计算方法。然后在考虑链式连接型式以及风电场风电机机端电压分布问题的基础上,在风电场短路回路中利用两类风力发电机短路时电压电流的特性关系求解出风电场各台风力发电机的机端电压,以及风电场的短路电流。通过算例比较分析IEC标准与考虑电压分布的风电场短路电流计算方法不同的原因,并利用PSCAD/EMTDC仿真软件对所提的考虑电压分布的短路电流计算方法进行验证。结果表明:考虑电压分布后所得的短路电流比IEC标准计算所得结果更准确更可靠,该方法经济性更好。     

大型风电机组安全控制保护测试研究

提出了风电机组控制保护(别称:状态码、故障码)设计和一致性测试方法,规范和保证了风电机组的安全。通过测试的模块化、表单化以及既定的测试方法,使产品模块的测试效果和一致性得到了保证,便于测试经验的积累,对风电机组控制系统设计也有一定的指导作用。风力发电机组控制系统是国内风电设备的薄弱环节,风力发电机组测试及质量控制更是风电领域的难题,各个厂家风力发电机组控制差异大,相关IEC标准未得到实际采用,一致性测试无法开展,工     

CDEGS软件在风力发电机组地网设计中的应用

由于风电场风力发电机组安装位置的特殊性,使得风力发电机组地网降阻问题越来越受到关注。针对目前风力发电机组地网设计主要是依靠经验公式或设计者的经验水平,所以使用CDEGS软件进行辅助设计已逐渐成为一种非常有效的方法;结合工程实际案例,利用接地软件计算风力发电机组接地网的工频接地电阻和雷击下的风力发电机组地网的暂态电位变化情况,提出风力发电机组地网降阻设计中应该注意的问题,为风力发电机组接地网的优化设计提供理论支持,减少设计的盲目性。     

风电机组的雷击过电压分析

雷击是影响风力发电场运行安全的主要因素之一。在雷击过程中,雷电流流过机架和塔筒时会对其中的传感器件、通信线路甚至电力线路产生感应过电压,这些暂态过电压将对风电机组的正常运行造成影响。该文建立了相关的风电机组模型,对雷击引起的暂态过电压进行了计算分析。计算结果表明：塔筒与传输线间的过电压在传输线的上下两端达到最大;设置金属屏蔽层能有效地降低电容耦合过电压;屏蔽层还能使电压波动趋于平坦。     

兆瓦级直驱风力发电机组可靠性增长预测

针对试运行阶段的兆瓦级风力发电机组,提出基于广义伽玛分布的系统可靠性增长预测方法。根据随机过程和可靠性增长预测理论,阐明风电机组试运行过程中伴随维修的故障次数遵从非齐次泊松过程的规律,分析了机组未来故障时间分布,预测机组未来故障时间及故障时刻平均无故障工作时间的点估计及区间估计,引入方差系数,讨论了未来故障时间的预测精度。最后用机组试运行数据验证该方法的有效性。研究表明,该方法可以准确预测试运行阶段的风电机组可靠性。     

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明:接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。     

风力发电机组运行状态的混沌特性识别及其趋势预测

通过对风力发电机组运行状态参数时间序列进行非线性动力学建模,解析了机组运行状态的动力特征,验证了风力发电机组运行状态的混沌特性。在此基础上,根据混沌时间序列的相空间重构理论,应用加权一阶局域预测方法对风电机组运行状态进行混沌预测研究,采用某风场风电机组实际运行数据对预测方法进行检验。计算结果表明,应用混沌预测方法对风力发电机组运行状态进行预测是可行的,具有较高的精度,为风电机组状态预测提供了新的思路。     

叶片转动对风机引雷能力影响的模拟试验研究

风力发电机组与其它地面雷击目标物相比,最显著的特征是其叶片在遭受雷击时一般处于转动状态。为了研究叶片转动对风机引雷能力的影响机理,该文设计选取了适用于研究风机接闪试验的圆弧形高压电极,施加负极性250/2500μs标准操作波,对典型2MW风机的1:30微缩模型进行了叶片静止和旋转等不同状态下的接闪放电比对试验。采用升降法获取50%放电电压,并进行放电过程观测,结果表明:在1和1.3m间隙条件下,击穿电压随着叶片转速的提升而提升,先导连接位置随着转速的提升更加接近叶尖,叶片转动导致风机的引雷能力降低。分析认为叶片的旋转改变了叶尖区域的电荷分布,使叶尖上行先导发展不充分,从而影响了放电发展过程。所得结果可为风电机组的防雷保护提供参考借鉴。     

风机并网与解裂对电力系统的影响及应对策略

并网型风力发电机组由于受其固有功率特性的影响,启停时会对电力系统产生较大的冲击电流,引起系统电压跌落,影响系统功率平衡。以异步风力发电机组为例,在常规研究的基础上,提出在风力发电机组出口端加延迟控制器,构建风力发电机组并网模型,分析风电机组并网与解列对电力系统的影响,合理安排各台机组的最佳并网时间,避免多台风力发电机组同时并网,减小风电启动对电力系统安全运行的影响。选取中型规模风电场为例,构建内部接线图及并网模型,并仿真验证。该研究成果对风电并网运行具有一定的工程借鉴意义。     

风力发电机组功率特性结果分析方法改进

风力发电机组的功率特性是评价风电机组运行的重要指标之一,能够客观反映出风电场的整体经济性。本文以IEC61400-12-1测试标准中的bin法为结果分析基础,针对当前的风电机组功率特性测试结果分析方法中所存在的无法在现场对测试数据进行自动筛选,自动计算等不足,以某风电场中的风电机组的试验数据为例,提出一种对风力发电机组功率特性测试数据在现场结果分析的改进方法,利用Matlab软件及其GUI控件模块编写出测试程序,在测试现场进行数据处理和分析以得到被测的风电机组功率曲线,改进了传统分析方法的不足,提高了风电功率测试效率,缩短了测试周期。     

风力发电机组固有频率与自振周期的确定

本文采用代替质体法对风力发电机组进行合理的简化。然后应用机械能守恒原理，推导出机组固有频率与自振周期的计算方法。此法简便、实用，且能获得罗为满意的精度。