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风力发电机组雷电瞬态模拟的研究

作　者: 刘成华
导　师: 张小青
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 风电机组 雷电 倾斜导体 耦合电气参数 EMTP 电流分布 电压抬升 模拟试验
分类号: TM862
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近十几年来,随着风力发电机组装机容量的不断增加和风电场建设规模的不断扩大,风力发电机组的安全可靠运行问题正凸显出重要性。据国际电工委员会所颁布的IEC/TR61400-24的数据显示：在瑞典、丹麦这些北欧国家,雷电活动相当的频繁,每100台风电机组年雷电损坏率基本上维持在4%-8%,而在我国某些地区的风电场的年雷电损坏率要远大于这一数值。作为影响风电机组安全可靠运行的实际因素,雷电对机组的灾害性越来越受到人们的关注。本课题通过对风电机组的雷电瞬态过程进行研究,对风电机组进行建模,将机组遭受雷击时其本体结构上各部位的电流分布和雷电过电压危害程度定量的计算出来,为机组的防雷保护设计提出可供参考的量化指标和可靠地参考依据,进而指导雷电防护人员采取相对应的防雷措施。当风力发电机组遭受雷击时,强大的雷电流通常是从机组的桨叶叶尖注入,雷电流会沿机组的叶片、滑环、电刷,流过主轴承,进入塔体顶部,然后经塔体导入接地装置散入大地。本文通过选取合适的算法,详细的介绍了如何对雷电放电、塔体、叶片、机舱、接地装置建立模型,然后将整个导流路径转化成由π型电路单元组成的电网络。由于用“网格”划分风电机组塔体后,所等效出的导体在空间内的相对位置较为复杂,其中大部分为倾斜导体,目前国内外文献对于空间内相对位置较为复杂的导体之间的电气参数的计算鲜有报道。因此,本文重点推导了空间内含倾斜导体的电气参数(电感和电容)的计算公式。利用MATLAB编写计算电气参数的程序,然后将其输入到电磁暂态计算软件EMTP中,运用EMTP软件对机组的雷电瞬态过程进行仿真,分别计算出了机组的叶片、机舱、塔体、接地装置上的雷电流分布和电压抬升情况。另外,本文还分析了雷电流波形,耦合电气参数,“网格结构”模型划分,雷击地点,接地电阻对雷电瞬态数值计算的影响。本文设计并搭建了2.5MW级大容量机组的缩小比例试验模型,并且制作了模拟冲击电流发生器来模拟雷电流,在实验室内进行机组雷电瞬态模拟试验,利用试验结果校验所建模型与数值计算方法的正确性。

全文目录


致谢  4-5
中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 课题研究的意义  10-12
  1.2 国内外研究状况  12-13
  1.3 现有研究的不足和缺陷  13-14
  1.4 本文的主要研究内容  14-16
第二章 风力发电机组雷电瞬态计算模型  16-26
  2.1 雷电放电的计算模型  16-20
    2.1.1 风电机组的雷击部位  16-17
    2.1.2 雷电放电简化计算模型  17-19
    2.1.3 雷电流模型的选取  19-20
  2.2 塔体模型的建立  20-23
    2.2.1 塔体建模方法的选取  20-22
    2.2.2 耦合的π型电路单元  22-23
  2.3 机组叶片模型的建立  23
  2.4 机舱模型  23-24
  2.5 风电机组接地装置  24-25
  2.6 本章小结  25-26
第三章 风力发电机组模型电气参数的计算  26-50
  3.1 塔体的等效导体的电气参数的计算  27-42
    3.1.1 电感参数的计算  27-36
    3.1.2 电容参数的计算  36-42
  3.2 接地装置的接地电阻  42-45
    3.2.1 接地电阻的计算  42-44
    3.2.2 冲击接地电阻  44-45
  3.3 计算实例  45-48
  3.4 本章小结  48-50
第四章 风力发电机组雷电瞬态模拟的仿真  50-82
  4.1 引言  50-51
  4.2 电流源波形数学表示  51-53
  4.3 风力发电机组的瞬态模拟的计算  53-65
    4.3.1 叶片的雷电暂态响应  54-56
    4.3.2 轴承的雷电暂态计算  56-58
    4.3.3 塔体雷电暂态的计算  58-65
  4.4 雷电瞬态模拟计算中几个因素的考虑  65-74
    4.4.1 不同雷电流的影响  65-66
    4.4.2 耦合电气参数的影响  66-69
    4.4.3 雷击地点的影响  69-70
    4.4.4 网格结构划分的影响  70-73
    4.4.5 冲击接地电阻对电压抬升的影响  73-74
  4.5 模型试验  74-80
    4.5.1 试验模型  74-75
    4.5.2 模拟冲击电流发生器  75-77
    4.5.3 试验结果  77-80
  4.6 本章小结  80-82
第五章 结论  82-84
参考文献  84-86
作者简历  86-90
学位论文数据集  90

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 高电压技术 > 过电压及其防护 > 过电压保护装置
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