雷暴过程中大型风电机组临域空间离子流场计算方法技术

本发明专利技术属于风力发电防雷技术领域，特别是涉及一种雷击旋转风机邻域空间离子流场计算方法。考虑传统风机叶片雷击分析方法忽略风机旋转的情况，本发明专利技术提出了一种雷击旋转风机电晕放电离子分布数值计算方法，该方法首先建立风电机组几何模型和计算空间；建立风电机组领域空间带电粒子全流体模型，输入参数及边界条件；建立旋转计算域并进行网格剖分；迭代计算电量参数及离子数密度；最后计算雷击旋转风机邻域空间离子分布，绘制不同姿态下风机附近电势分布图以及电荷密度分布图。本发明专利技术可计算旋转情况下风机邻域带电粒子及电场分布情况，为分析空间电荷分布对先导发展的影响提供理论基础，进一步为风机叶片防雷系统设计、评估提供理论分析方法。供理论分析方法。

【技术实现步骤摘要】
雷暴过程中大型风电机组临域空间离子流场计算方法


[0001]本专利技术属于风力发电防雷
，特别是涉及一种雷击旋转风机邻域空间离子流场计算方法。

技术介绍

[0002]近年来风力发电在全球范围内大规模发展，中国的风力发电增幅尤其迅速。截至2020年底，我国风电装机已超过230GW，位居世界第一。然而，由于雷击事故频发，近年来风电机组的雷电防护问题引起了广泛关注，成为防雷领域的热点问题。风电机组多位于空旷内陆或沿海地带，随着单机容量的不断增大，风机塔筒超过80米，叶片长度也在50米以上，实际运行经验表明，风电机组尤其是风机叶片极易遭受雷击损伤。若风机遭受雷击，雷电放电释放出的巨大能量可能对风电机组的桨叶、传动装置、发变电设备和控制系统造成严重破坏，甚至导致机组停运。除修复期间的发电损失外，还带来受损部件拆装和更新的巨大费用。
[0003]针对风电机组的雷电防护问题，风电机组制造中会在叶片上安装较为完善的雷电接闪系统。然而，根据现场观测数据，叶片雷击事故仍然频繁发生。据中国农机工业协会风能设备分会数据统计，全国风电场每年因雷击造成的叶片受损率高达1%，部分高雷暴区可达5%，保守估计每年因雷击造成的叶片损伤高达3000片。
[0004]然而由于观测手段所限，就接闪器失效的雷击过程获取的信息仍然十分有限；因此，针对风机叶片接闪器失效，从而造成叶片损伤的雷击过程，国内外学者开展了缩比风机的长间隙放电实验，以模拟风电机组遭受雷击的过程。然而，风机旋转对接闪过程带来的影响尚停留在定性分析层面。叶尖旋转线速度可达100m/s，叶片旋转效应会影响电场和叶尖附近带电粒子的分布，导致风机叶片遭受雷击具有更大的不确定性，同时旋转时会产生腐蚀叶片接闪器的弧形放电通道。因此，叶片旋转造成的放电过程中叶尖附近空间电荷分布问题仍需深入的定量计算，进而分析风机旋转对先导起始过程和接闪系统拦截性能的影响。
[0005]由于尚无针对旋转风机临域空间空间电荷分布的定量研究，亟需提出雷暴过程中旋转风机临域空间离子流场的计算方法，进而分析空间电荷对旋转风机上行先导起始的影响，从而指导风机叶片防雷系统的设计，降低风电机组雷击事故，减少经济损失。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术基于基于多带电粒子的漂移扩散方程，提出一种雷暴过程中旋转风机邻域空间离子流场的计算方法，将风机叶轮旋转因素纳入计算过程，用来计算雷暴过程中旋转风机叶尖临域空间带电粒子的时空分布，分析空间电荷对背景场强的畸变作用，进而为旋转风机先导起始物理机制奠定理论基础。
[0007]一种雷击旋转风机邻域空间离子流场计算方法，包括以下步骤：S1、建立带电粒子全流体模型，参数输入及边界条件设定；
S2、叶轮旋转域的建立及网格剖分；S3、电量参数及带电粒子密度迭代计算；S4、判断是否满足Kaptzov假设，若满足，则跳到下一时间步长，否则返回步骤S3；S5、求解带电粒子时空分布, 得到电势和电荷密度分布图；所述步骤S1中，带电粒子全流体模型基于多组分漂移扩散方程建立，所述的多组分漂移扩散方程为：分漂移扩散方程为：分漂移扩散方程为：分漂移扩散方程为：分漂移扩散方程为：式中：n
+
为正极性带电粒子，N
+
为正极性气溶胶粒子，n
‑
为负极性带电粒子，N
‑
为负极性气溶胶粒子，N0为大气中性气溶胶粒子；为扩散系数；为正带电粒子迁移率；为正极性气溶胶离子迁移率；为负带电粒子迁移率；为负极性气溶胶离子迁移率；为正带电粒子与负极性气溶胶离子的附着系数；为正带电粒子与中性粒子的附着系数；为负带电粒子与正极性气溶胶离子的附着系数；为负带电粒子与中性粒子的附着系数；为空间电场强度，由泊松方程定义。
[0008]所述的泊松方程为：式中，为空间电位，e为元电荷，为真空介电常数。
[0009]所述的带电粒子全流体模型，通过有限元方法求解。
[0010]所述步骤S1中，在参数输入及边界条件设定中，风机模型按照实际运行的风电机组几何尺寸建立，计算求解边界应远大于风机模型尺寸，从而避免尺度效应的影响；在求解区域中，设定正极性带电粒子n
+
，正极性气溶胶粒子N
+
，负极性带电粒子n
‑
，负极性气溶胶粒子N
‑
的初值为0；大气中性气溶胶粒子N0的初值可根据晴天大气环境确定；在泊松方程求解域中，设定上边界为Dirichlet边界条件，电势大小由如下方程确定：其中，E
cloud
为雷云场强，H为上边界高度。
[0011]设定下边界和风电机组叶片尖端金属部分为接地，由如下方程确定：同时设定叶尖金属部分为叶尖电晕放电起晕场强，由电晕放电起始场强计算公式来确定：
式中：为叶尖曲率半径，的单位为MV/m。
[0012]所述步骤S2中，所述的叶轮旋转域为圆心与叶轮中心重合的圆形旋转区域，旋转区域和静态区域的边界处设置连续性条件，使得旋转区域边界处的求解结果连续，风机旋转速度设置与正常运行时一致。
[0013]所述步骤S2中，所述的网格剖分，在叶轮旋转域中，设置较细化的网格结构，特别地，在风电机组叶片尖端附近，设置极细化的网格结构；在叶轮旋转域以外的求解空间，设置细化的网格结构。
[0014]所述步骤S3中，空间电位及电场强度等电量参数由泊松方程求解，带电粒子密度由多组分对流扩散方程求解，两组方程通过因变量耦合起来，电量参数和带电粒子密度迭代计算。
[0015]所述步骤S4中，所述判断是否满足Kaptzov假设，其特征在于，通过在带电粒子对流扩散方程组求解域中，求解带电粒子数密度n
+
，N
+
，n
‑
，N
‑
，通过泊松方程求解风电机组叶片尖端表面的电场强度E
tip
，使其满足如下公式：E
tip
=E0所述步骤S4中，所述的时间步长设定为以10为底的对数形式，其优势在于，在计算之初有着密集的时间步，可有效地反映带电粒子在电场中的迁移和不同极性带电粒子间的相互作用；在计算中后期，有着较大的时间步，可有效地反映风电机组叶轮的旋转。
[0016]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了雷暴过程中旋转风机临域空间带电粒子分布的数值计算方法，可以分析旋转风机邻域空间的电荷分布及其对背景电场的畸变作用，进而分析空间风机旋转对上行先导起始的物理机制，为旋转风机的叶片防雷系统设计、有效性评估提供基础理论。
附图说明
附图1为雷击旋转风机邻域空间离子流场计算方法流程图；附图2为计算网格和网格剖分方式示意图；附图3为忽略正电荷影响时风机附近电势分布示意图；附图4为计及正电荷影响且叶尖与垂直方向夹角为30
°
时风机附近电势分布示意图；附图5为叶尖旋转至1
°
时叶尖附近正电荷的分布示意图；附图6为叶片旋转至与垂直线夹角为30
°
情况下正电荷分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雷击旋转风机邻域空间离子流场计算方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、建立带电粒子全流体模型，参数输入及边界条件设定；S2、叶轮旋转域的建立及网格剖分；S3、电量参数及带电粒子密度迭代计算；S4、判断是否满足Kaptzov假设，若满足，则跳到下一时间步长，否则返回步骤S3；S5、求解带电粒子时空分布, 得到电势和电荷密度分布图；所述步骤S1中，带电粒子全流体模型基于多组分漂移扩散方程建立，所述的多组分漂移扩散方程为：移扩散方程为：移扩散方程为：移扩散方程为：移扩散方程为：式中：n
+
为正极性带电粒子，N
+
为正极性气溶胶粒子，n
‑
为负极性带电粒子，N
‑
为负极性气溶胶粒子，N0为大气中性气溶胶粒子；为扩散系数；为正带电粒子迁移率；为正极性气溶胶离子迁移率；为负带电粒子迁移率；为负极性气溶胶离子迁移率；为正带电粒子与负极性气溶胶离子的附着系数；为正带电粒子与中性粒子的附着系数；为负带电粒子与正极性气溶胶离子的附着系数；为负带电粒子与中性粒子的附着系数；为空间电场强度，由泊松方程定义;所述的泊松方程为：式中，为空间电位，e为元电荷，为真空介电常数;所述的带电粒子全流体模型，通过有限元方法求解;所述步骤S1中，所述的参数输入及边界条件设定中，风机模型按照实际运行的风电机组几何尺寸建立，计算求解边界应远大于风机模型尺寸，从而避免尺度效应的影响；在求解区域中，设定正极性带电粒子n
+
，正极性气溶胶粒子N
+
，负极性带电粒子n
‑
，负极性气溶胶粒子N
‑
的初值为0；大气中性气溶胶粒子N0的初值可根据晴天大气环境确定；在泊松方程求解域中，设定上边界为Di...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵继尧，李庆民，于万水，郭小江，申旭晖，孙财新，潘霄峰，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：