风电机组接地系统，边界单元法外文翻译资料

Abstract：In this paper different grounding systems of wind turbines will be proposed. For each grounding system the step and touch voltage will be obtained and the entire grounding system will be analyzed by boundary element method. The paper introduces a new grounding system which decreases the step voltage, touch voltage and grounding resistance. The MATLAB is used for programming and simulation of the proposed grounding system. Finally, a case study in accordance with VESTAS wind turbine grounding system will be investigated.

Index Terms：Grounding system, Step Voltage, Touch Voltage, Wind turbine, Windfarm

一引言

目前风力发电机组被认为是最重要的可再生能源。预计到2010，欧洲12% 的电能将由可再生能源，特别是风力涡轮机提供。

通常情况下,风力发电机安装在一个开放的区域或在山区，其被雷击的概率很高。因此,风力涡轮机的接地系统将在减少跨步和接触电压方面发挥主要作用。

通常情况下,风电场是由几种风力发电机组连接到配电系统组成,。两个风力涡轮机之间的距离大约是三到五倍的转子直径。例如，直径为40米的风力涡轮机之间的距离约为120至250米。可以得出，有大量风力涡轮机的风电场需要一个大场地，因此，风电场接地系统是非常庞大的。

在风电场，故障电流可能会造成风力发电机在故障附近的过电压。因此，风力涡轮机的接地系统，设计要有效地防止过电压和潜在梯度过高。因此，风电场的接地系统设计必须基于风力涡轮机的安排和连接风力发电机的电力系统。

有两种基本的接地系统的分析方法:积分方法^[3],[4]和微分方法^[5],[6]。第一个通过使用积分方程计算电势，第二个使用边界元方法(FEM)确定接地电位。

在本文中，不同的风力涡轮机接地系统将提出，并通过数值方法和MATLAB程序，各接地系统的接触电压和跨步电压将决定新的接地系统的解决方案。所提出的接地系统将改善接地参数如接地电阻，跨步和接触电压。在这方面，使用接地电极的影响，对埋铜导线的深度也进行了研究。在这项研究中，已从一个在伊朗风力发电场工作的风力涡轮机获得所需的数据。

二风力发电机组接地系统

每个风机的主要部件如图所示的铜导线相互连接：

1.塔

2.机舱

3.叶片

4.发电机

5.电气面板

电气面板

叶片

塔

发电机

机舱

图1 典型的风机接地系统

机舱和塔由钢制成，并通过嵌入气缸和风力涡轮机基础连接到接地系统。

风力发电机的基础是一个钢环安装在混凝土做的。这个钢环是用金属棒加固的。四个铜杆放置在基础的每个角落。四个铜杆连接铜导线和接地回路。图2和图3显示维斯塔斯风力涡轮机的基础接地系统。

图2中的基础、铜线和杆的信息如下：

- 钢混凝土中钢筋的直径为20mm

- 在混凝土中的钢筋之间的距离为200mm

- 混凝土网格圈是200 *200毫米

- 基础尺寸为6.5 *6.5 *1.8米

- 铜棒的长度为1500毫米（16mm直径）

最底部是200 *200mm的混凝土网格圈

地面

图2 风电机组的地基

钢线

均压环

钢杆

图3 铜杆和铜线相连接的风电机组地基

三接地系统方程

为了分析接地系统，采用边界元法。在A点（X，Y，Z）的接地电位的方程是根据（1）。

X_A、Y_A、Z_A位置点

X_J、Y_J、Z_J位置元素J

I_{J —————}电流元素J

delta;_{—————}土壤特殊阻力

V_{—————}地电位

所提出的接地系统将用有限元，通过使用（1）得到接地电位。

四传统的接地系统

每个风力发电机并网系统由动力变压器的低压侧中性点接地系统连接。变压器的额定功率比风力发电机的功率要大一点。例如，一个660千瓦的风力涡轮机有800 kVA变压器。因此，变压器是小的，其接地系统是简单的，其接地系统连接到风轮机的接地系统如图4所示。

变电站

图4 变电站和风电机的典型接地系统

所提出的方法是基于在一个集成的系统中的连接的变压器和风力涡轮机的接地系统，以减少跨步和接触电压。不同类型的接地系统连接下一节所示,该方法已经通过MATLAB模拟得到验证。

五提出方法和仿真

边界元法给出的结果比简单计算公式更精确。此外，它是不可能不使用一个准确的方法，如边界元法，得到精确的跨步和接触电压、接地电阻的数值的。

图5显示了传统的风力涡轮机的接地系统。网格的接地系统是风力发电机连接到变压器接地杆。图6显示了在MATLAB编写的程序获得的结果。

图5 传统接地系统

图6 传统的接地系统3D跨步电压图

所获得的接地电阻，最大跨步电压和接触电压如表1所示。

第一个方法是使用四个棒在每个角落的变压器,连接他们的风力发电机接地系统的接地系统是另一种类型如图7所示。

表1

接地电阻	6.44
最大跨步电压	0.63
风机的最大接触电压	0.53
变电站的最大接触电压	3.25

图7 提出的一种接地系统方法

得到的结果为第一种方法通过MATLAB在图8和表2所示。

图8 第一种方法的接地系统的3D接触电压图

表2

接地电阻	5.9
最大跨步电压	0.57
风机的最大接触电压	0.46
变电站的最大接触电压	1.94

表2表明，如果不使用传统方法，而是使用第一种方法，接地电阻将减小。此外，其他的接地系统参数也越来越好。

第二个方法是图9所示,得到仿真图所示。

图9 另一种接地系统

图10 第二种接地系统的3D接触电压图

比较表3得到，该方法显著降低接地电阻和最大跨步电压的百分比得到更好。

表3

接地电阻	5.55
最大跨步电压	0.52
风机的最大接触电压	0.42
变电站的最大接触电压	1.61

六结论

在本文中，为降低风力涡轮机的接地系统的接地电阻的新方法被提出。所提出的方法表明，有可能通过将其连接至变压器接地按照所提出的方法降低了接地电阻风力涡轮机。这种新方法最大化的使跨步电压显著下降17.4％和接触电压下降51％。

参考文献：

[1] L. H. Hansen, F. Blaabjerg, H. C. Christensen, U. Lindhard, P. H. Madsen and K.Eskildsen, 'Generators and power electronics technology for wind turbines,' in Proc. 2001 IECON01 The 27th annual conference of the IEEE Industrial Electronic Society Conf., pp. 2000-2005.

[2] M. I. Lorentzon, N. D. hatziargyriou and B. C. Papadias, 'Analysis of wind turbine grounding system,' in Proc. 2000 MElecon2000 10^th Mediterranean Electro Technical Conf, pp. 936-941.

[3] M. Kurtovic and S. VujeviC, 'Potential of earthing grid in heterogeneous soil,' International Journalfor Numerical Methods in Engineering, vol. 3 1, pp. 677-688, 199 1.

[4] M. KurtoviC and S. VujeviC, 'Numerical modeling of the earthing grid,' Z 10 Computational Methods in Engineering

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