基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，给出了风机叶片动态击距的计算方法。将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，给出了叶片防雷系统的防护范围，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。该方法可整体上减少风电场的雷击次数，对为风电场的稳定运行有一定积极作用。

Space optimal layout method of large-scale wind farm based on Lightning Protection

The invention discloses a large-scale wind farm optimization layout method based on lightning protection, and based on the physical model of the lightning pilot development, gives the calculation method of the fan blade dynamic striking distance. The physical process of the electrical geometry method and the combination of lightning leader development, establish electrical geometry for fan blade model, using wind turbine electric geometry model, lightning protection system gives the leaf protection range of lightning scale between the wind field mutual shielding calculation, determine pitch wind turbine layout of wind farm from the angle of lightning protection. This method can reduce the lightning stroke number of the wind farm on the whole, and has a certain positive effect on the stable operation of the wind farm.

【技术实现步骤摘要】
基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法
本专利技术涉及一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法。
技术介绍
风电作为清洁能源的重要组成部分，其大规模发展可有效促进世界能源体系改革。然而，鉴于风电场所处的环境及风机自身特殊结构，极易遭受大气雷击。在风电场雷击事故中叶片的损伤占到雷击损伤总数的40％以上，且多数为不可修复性损伤，风机叶片的成本、吊装、维修等高额费用已严重影响到风电场的经济稳定运行。然而现今风电场的布置主要以发电效益为目标，从风电场防雷角度对风电场布置优化的研究很少。因此，寻找一个兼顾风机发电效益与防雷优化的可靠方法对风电场的空间布置进行防雷优化，对促进风电场的经济稳定运行具有重要意义。现有的风电场风机优化布置理论基本属于经验性结论，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。如图1所示，箭头所指方向为风电场所处地区的盛行风向。现有技术中存在文献曾根据实际运行经验提出，风机布置的最优距离为在垂直于盛行风向上风机间隔Lv为3R—6R(R为风机叶片长度)，在盛行风向上风机间隔Lp为16R—24R，建议Lv取值为6R—10R，Lp取值为10R—18R。为了寻找能对不同风况、不同区域边界的风电场进行了风机最优布置的计算方法，现有技术中也存在文献提出了利用遗传算法，以风电场总投资成本和发电效益作的比值作为目标参数，计算风机间的布置间距，或在遗传算法基础上，对风电场最优布置的一般性规律进行系统的探讨分析和论证研究，给出了在风电场区域没有限制的条件下，风机间距的范围Lv为4R—10R，Lp要在20R以上。从上述研究发现，现有的风电场的布置都未从防雷的角度进行分析，而风电场遭受雷击所带来的经济损失一直居高不下，从雷电防护的角度寻找一个风电场优化布置的方法，与现有风电场的设计方法相互补充，对风电的安全经济运行具有一定的参考意义。而在风机防雷方面，多是基于实验研究，其对象多为单个叶片或单个风机，不适用于对规模化风电场各风机间的布置优化的分析研究，同时在仿真建模方面，现有的仿真研究依旧是以单个风机为研究对象，并没有对整个风电场的防雷优化布置进行研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，本专利技术以雷电先导发展的物理模型为基础，引入风机叶片动态击距的概念及分析方法；并与传统的电气几何法相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型，并通过风机叶片长间隙击穿实验验证了该方法的有效性。利用新提出的风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行了研究，从雷电防护的角度给出了风电场风机布置的间距的分析方法。新提出的风机布置方法对整个风电场的防雷设计以及风电场的经济稳定运行具有重要的参考意义。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。进一步的，假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注头部的高度定为击距。进一步的，风机叶片上不同位置具有不同的击距，风机叶片所处位置的变化会引起击距的变化。以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程。当雷云产生下行先导并随之向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕；雷云和下行先导在空间产生的电位分布分别由简化的带电圆盘模型和先导通道电荷分布模型计算得到。初始电晕产生后，在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，与根部气体分子发生碰撞，当流注区域的空间电荷大于设定值时，则认为满足流注向先导转化的条件。进一步的，根据得到的风机叶片的动态击距，与电气几何模型相结合，得到整个叶片的动态击距的包络范围，以得到风机叶片雷电防护的电气几何模型。进一步的，风机叶片雷电防护的电气几何模型上包括叶片接闪器的击距、叶片叶身处的击距和风机叶片与水平方向的夹角，在雷电流确定时，可得到叶片的击距对应的暴露弧和屏蔽弧的范围。进一步的，将风机叶片电气几何模型应用在多风机之间，可得到叶尖接闪器在一定雷电流、不同旋转角度下的击距圆，其圆心所在位置位于叶尖旋转所画出的圆上，半径为叶尖接闪器的击距,当两风机之间的击距包络弧相交时，此时两风机之间存在屏蔽效果，对风电场的防雷有积极促进作用。根据动态击距计算方法和式(10)，求在固定雷电流下击距包络的水平距离的最大值Lfmax和最小值Lfmin，若两风机之间的距离D>2Lfmax，则在该雷电流下，风机之间不能相互屏蔽；若两风机之间的距离2Lfmin<D<2Lfmax，两风机在某些角度下相互屏蔽；若两风机之间的距离D<2Lfmin，两风机对叶片旋转的任何角度下都有屏蔽作用。分析得到1.2-1.7MW风机组成的风电场在垂直于盛行风向上的布置间距为4R-6R，R为风机叶片的长度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术通过雷电上行先导的物理发展模型，给出了动态击距的计算方法，并依此提出了风机叶片的电气几何模型，该模型将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，使得击距的物理概念更加清晰，并给出了叶片防雷系统的防护范围；根据击距包络弧的最大水平距离，从风电场防雷的角度分析了风电场的布置间距，发现在垂直于盛行风向上间距相对于传统方法确定的间距范围有进一步减小；在盛行风向上的布置间距仍需以发电效率为主来分析，保证效率的基础上以减小间距。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术中规则性的行列布置图；图2为本专利技术的上行先导发展过程示意图；图3为本专利技术的风机叶片雷电防护的电气几何模型图；图4为本专利技术的风机群中两风机间的布置间距图；图5为本专利技术的风机叶片叶尖接闪器的击距随雷电流幅值和叶片旋转角度的变化关系的示意图；图6为本专利技术的两风机的击距包络线线相交图；图7为本专利技术的两风机间屏蔽曲线。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在风电场布置的研究多是基于风电场发电的经济效益，很少考虑雷电所带来的损害的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于风电机组防雷保护的多风机布置优化方法，该方法首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。

【技术特征摘要】
1.一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：以雷电先导发展的物理模型为基础，利用风机叶片动态击距方法，建立针对风机叶片的电气几何分析模型，利用风机叶片电气几何模型，对规模化风电场风机之间的雷电相互屏蔽进行计算，从雷电防护的角度确定风电场风机布置的间距。2.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：假定雷电下行先导竖直向下发展，当上、下行先导的流注相遇时发生雷击，将发生雷击时上行先导流注本身的高度定为击距。3.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：风机叶片上不同位置具有不同的击距，风机叶片所处位置的变化会引起击距的变化。4.如权利要求2所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：以负极性雷击描述雷击过程，将负极性雷击分为三个阶段，下行先导向下发展，上行先导起始，上下行先导连接过程。5.如权利要求1所述的一种基于雷电防护的规模化风电场空间优化布置方法，其特征是：雷云和下行先导在空间产生的电位分布分别由简化的带电圆盘模型和先导通道电荷分布模型计算得到；当雷云产生下行先导并随之向下发展，地面物体表面电场增加，由于碰撞电离和附着作用产生了正极性空间电荷区域，当正极性空间电荷大于一定值时产生初始电晕；或，初始电晕产生后，在放电间隙中形成流注区，流注区产生的自由电子汇集到流注的根部，与根部气体分子发生碰撞，当流注区域的空间电荷大于设定值时，则认为满足流注向先导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张黎，王国政，李庆民，张瑶，赵彤，邹亮，方致阳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37