تاثیر مدل¬سازی جامع سیستم زمین توسط روش برازش برداری بر اضافه ولتاژهای صاعقه در توربین¬های بادی مجزادر راستای هوشمندسازی برقگیرها
الموضوعات :
مهرداد محمودیان
1
,
سجاد سعدی
2
1 - موسسه آموزش عالی آپادنا - شیراز، ایران
2 - دانشکده مهندسي مکانيک بيوسيستم، دانشگاه تربيت مدرس، تهران، ايران
الکلمات المفتاحية: توربین بادی, حالات گذرای الکترومغناطیسی, سیستم زمین, روش برازش برداری,
ملخص المقالة :
احداث مزارع بادی در مناطقی با عدد ایزوکرونیک بالا، زیاد بودن ارتفاع برج، شدت گرفتن میدان الکتریکی ناشی از تیز بودن نوک پره¬ها و تماس احتمالی پره¬ها با ابر¬های مجاور، اهمیت بررسی اضافه¬ولتاژ اعمال شده به شبکه¬ی قدرت توسط موج فرکانس بالای صاعقه را روشن¬تر می¬سازد. همچنین سیستم زمین توربین بادی باید طوری طراحی شود تا علاوه بر دست¬یابی به مشخصات امپدانسی با مقادیر حالت ماندگار استاندارد، جریان صاعقه را به طور موثر به درون زمین تخلیه کند. در این مقاله، در شبیه سازی سیستم زمین پدیده¬ی یونیزاسیون خاک و رفتار فرکانس بالای الکترودهای آن مد نظر قرار گرفته است تا بتوان از آن به عنوان یک پتانسیل مرجع برای سنجش ولتاژ تمام نقاط استفاده نمود. سپس از روش برازش برداری برای مدل سازی سیستم زمین بهره گرفته شده است. البته ورودی روش برازش برداری را می¬توان پاسخ فرکانسی هر المان که به صورت عددی و با استفاده از روش¬های معمول مانند روش FDTD محاسبه شده است، در نظر گرفت. از آنجایی که استفاده از روش محاسباتی دقیق¬تر نتایجی با قابلیت اعتماد بیشتر را در اختیار بهره¬برداران قرار می¬دهد، لذا در این مقاله به بررسی اضافه¬ولتاژ به یک توربین بادی دو مگاواتی با استفاده از نرم افزار تخصصی EMTP پرداخته شده است.
[1] Z. Hu et al., “Fast Distance Protection Scheme for Wind Farm Transmission Lines Considering R-L and Bergeron Models,” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 11, no. 3, pp. 840–852, May 2023,
[2] L. Zheng, K. Jia, W. Wu, Q. Liu, T. Bi, and Q. Yang, “Cosine Similarity Based Line Protection for Large Scale Wind Farms Part II - the Industrial Application,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. 1–1, 2021.
[3] M. N. Uddin, N. Rezaei, and O. Emmanuel Olufemi, “Adaptive and Optimal Overcurrent Protection of Wind Farms With Improved Reliability,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 58, no. 3, pp. 3342–3352, May 2022.
[4] R. Hoerauf, "Considerations in Wind Farm Grounding Designs," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 2, pp. 1348-1355. 2014.
[5] IEC International Standard. Lightning protection. IEC 61400-61424. In: Wind turbine generation system, vol. 24. Geneva: International Electro-technical Commission; 2010.
[6] L. He, L. Chen-Ching. A. Pitto, D. Cirio, "Distance Protection of AC Grid With HVDC-Connected Offshore Wind Generators," Power Delivery, IEEE Transactions on , vol. 29, no. 2, pp. 493-501. 2014.
[7] N. Malcolm, R. K. Aggarwal. "Transient overvoltage study of an Island wind farm." 47th International in Universities Power Engineering Conference (UPEC), pp. 1-6. 2012.
[8] H. Jinliang, Y. Gao, R. Zeng, J. Zou, X. Liang, B. Zhang, J. Lee, and S. Chang. "Effective length of counterpoise wire under lightning current." Power Delivery, IEEE Transactions on 20, no. 2, pp. 1585-1591. 2005.
[9] Y. Yasuda, N. Uno, H. Kobayashi, T. Funabashi. "Surge analysis on wind farm when winter lightning strikes." Energy Conversion, IEEE Transactions on 23, no. 1, pp. 257-262, 2008.
[10] S. Petar, G. Ranko, “An EMTP Model for Lightning Surge Analysis of Wind Farms”, International Review on Modelling & Simulations, vol. 3, issue 1, pp. 70-81, 2010.
[11] R. B. Rodrigues, V. M. F. Mendes and J. P. S. Catalao, “Protection of wind energy systems against the indirect effects of lightning”, Renewable Energy, Elsevier, vol. 36, Issue. 11, pp. 2888-2896, 2011.
[12] R.B. Rodrigues, V.M.F. Mende, J.P.S. Catalao, “Electromagnetic Transients Study due to Lightning Strikes on Two Interconnected Wind Turbines”, Industrial Applications, IEEE Transactions on, No. 978-1-4673-0784, pp. 1103-1106, 2012.
[13] “Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines”, Working Group 01 (Lightning) of Study Committee 33 (Overvoltages and Insulation Co-ordination), CIGRE, 1991.
[14] Chandrasekaran, K.; Punekar, G.S., "Use of Genetic Algorithm to Determine Lightning Channel-Base Current-Function Parameters," Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on, vol. 56, no. 1, pp. 235-238. 2014.
[15] J. Zou, T. Jin, W. Li, J. Lee; S. Chang, "A Hermite Interpolation Model to Accelerate the Calculation of the Horizontal Electric Field of a Lightning Channel Along a Transmission Line," Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on, vol. 55, no. 1, pp. 124-131. 2013.
[16] F. Rachidi, “Effect of vertically extended strike object on the distribution of current along the lightning channel”, Journal of geographical research-atmosphere, Vol. 107, D23. 2002.
[17] B. Badrzadeh, M. H. Zamastil and N. K. Singh, "Transients in Wind Power Plants – Part I: Modelling Methodology and Validation," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 48, No. 2, pp. 794-807, 2012.
[18] X. Wang, X. Zhang, D. Yang, “An efficient algorithm of transient responses on wind turbine towers struck by lightning”, COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, vol. 28, pp. 372-84, 2009.
[19] X. Wang, X. Zhang, D. Yang, “Calculation of electromagnetic induction inside a wind turbine tower struck by lightning”, Wind Energy, vol. 13, pp. 615-625, 2010.
[20] H. W. Dommel: “Digital computer solution of Electromagnetic Transiens in single and multiphase networks”, IEEE Transactions, Vol. PAS-88, pages 388-399. 1969.
[21] “Power System Transients, Parameter Determination”, J. A. Martinez, CRC Press, 2010.
[22] L. Yaqing, N. Theethayi, R. Thottappillil. "An engineering model for transient analysis of grounding system under lightning strikes: Nonuniform transmission-line approach." Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 2, pp. 722-730, 2005.
[23] L. Yaqing, M. Zitnik, R. Thottappillil. "An improved transmission-line model of grounding system." Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on, vol. 3, pp. 348-355, 2001.
[24] M. Lorentzou, N. D. Hatziargyriou. "EMTP modelling of grounding electrodes." 32nd UPEC Conference, Manchester, pp. 10-12. 1997.
[25] G, Leonid. "Time-and frequency-dependent lightning surge characteristics of grounding electrodes." Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 4, pp. 2186-2196, 2009.
[26] R. Xiong, B. Chen, C. Gao, Y. Yi, W. Yang, "FDTD Calculation Model for the Transient Analyses of Grounding Systems," Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on , vol. 56, no.5, pp.1155-1162, 2014.
[27] B. Gustavsen, "Relaxed Vector Fitting Algorithm for Rational Approximation of Frequency Domain Responses," Signal Propagation on Interconnects, IEEE Workshop on , vol. 12, pp.97-100, 2006.
[28] B. Gustavsen, "Improving the pole relocating properties of vector fitting." Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 3 pp. 1587-1592, 2006.
[29] M. Zhou et al., “Experimental Evaluation of Lightning Attachment Characteristic of Two Adjacent Wind Turbines,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 879–887, Jun. 2023.
