一种风机雷击回击电流模拟方法及装置

本技术涉及雷击模拟，尤其涉及一种风机雷击回击电流模拟方法及装置。

背景技术：

1、随着风力发电机组单机容量和塔筒高度的不断增加，风机遭受雷击的概率显著上升。雷击产生的回击电流具有幅值高、波前陡、暂态过程复杂的特点，准确模拟回击电流在风机结构中的传播与分布特性，是开展风机雷击电磁暂态分析、绝缘配合设计及防雷保护优化的关键前提。

2、现有的雷击回击电流模拟方法的建模路径不完整，忽略了叶片与雷电回击通道的阻抗特性，无法完整刻画雷电流全路径传播过程；阻抗不连续界面处理粗糙，采用静态反射系数，难以反映回击电流的动态反射行为；传统时域求解难以校正传输线频变特性引入的相位偏移，导致回击电流模拟的精度不足，影响风机绝缘设备的设计。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种风机雷击回击电流模拟方法，包括：

2、获取目标风机的设计数据集合，设计数据集合包括雷电回击通道几何数据、风机塔筒几何数据、材料属性数据、风机叶片几何数据和电磁属性数据；

3、根据设计数据集合进行特性阻抗计算，获得特性阻抗集合，特性阻抗集合包括雷电回击通道特性阻抗、塔筒段特性阻抗和叶片微元段特性阻抗；

4、根据特性阻抗集合进行传输线构建，获得传输线集合，传输线集合包括第一传输线、第二传输线和第三传输线；

5、根据传输线集合进行阻抗不连续界面识别和电流反射系数计算，获得电流反射系数集合；

6、根据传输线集合和电流反射系数集合构建多段传输线模型，设置回击电流源，将回击电流源输入多段传输线模型进行电流反射系数修正、回击电流时域求解和回击电流频域校正，获得回击电流模拟结果。

7、在一实施例中，根据设计数据集合进行特性阻抗计算，包括：

8、将雷电回击通道几何数据代入预设高度函数，计算获得雷电回击通道特性阻抗；

9、根据风机塔筒几何数据和材料属性数据，计算获得塔筒段特性阻抗；

10、根据风机叶片几何数据和电磁属性数据计算获得串联电感分量和并联电容分量，根据串联电感分量和并联电容分量计算获得叶片微元段特性阻抗。

11、在一实施例中，根据特性阻抗集合进行传输线构建，包括：

12、基于雷电回击通道特性阻抗构建第一传输线；

13、基于塔筒段特性阻抗构建塔筒段传输线，将所有的塔筒段传输线依次串联构成第二传输线；

14、基于叶片微元段特性阻抗构建叶片微元段传输线，将所有的叶片微元段传输线依次串联构成第三传输线。

15、在一实施例中，根据传输线集合进行阻抗不连续界面识别和电流反射系数计算，获得电流反射系数集合，包括：

16、将第一传输线与第二传输线的连接处，第二传输线与第三传输线的连接处，以及第二传输线的底部接地处确定为阻抗不连续界面；

17、根据行波方向和特性阻抗集合，确定阻抗不连续界面的入射特性阻抗和透射特性阻抗；

18、根据入射特性阻抗和透射特性阻抗，计算获得阻抗不连续界面对应的电流反射系数；

19、由各阻抗不连续界面对应的电流反射系数构成电流反射系数集合。

20、在一实施例中，根据行波方向和特性阻抗集合，确定阻抗不连续界面的入射特性阻抗和透射特性阻抗，包括：

21、行波方向包括上行和下行，对于第一传输线与第二传输线的连接处，上行时入射特性阻抗为塔筒段特性阻抗，透射特性阻抗为雷电回击通道特性阻抗；下行时入射特性阻抗为雷电回击通道特性阻抗，透射特性阻抗为塔筒段特性阻抗；

22、对于第二传输线与第三传输线的连接处，上行时入射特性阻抗为叶片微元段特性阻抗，透射特性阻抗为塔筒段特性阻抗；下行时入射特性阻抗为塔筒段特性阻抗，透射特性阻抗为叶片微元段特性阻抗；

23、对于第二传输线的底部接地处，上行时入射特性阻抗为接地阻抗，透射特性阻抗为塔筒段特性阻抗；下行时入射特性阻抗为塔筒段特性阻抗，透射特性阻抗为接地阻抗。

24、在一实施例中，根据传输线集合和电流反射系数集合构建多段传输线模型，包括：

25、将第一传输线、第二传输线、第三传输线按照目标风机的物理连接顺序依次串联耦合，形成多段传输线拓扑结构；

26、将电流反射系数集合中的各电流反射系数，配置在多段传输线拓扑结构的对应阻抗不连续界面处，获得多段传输线模型。

27、在一实施例中，设置回击电流源，将回击电流源输入多段传输线模型进行电流反射系数修正、回击电流时域求解和回击电流频域校正，获得回击电流模拟结果，包括：

28、根据标准雷电流波形参数构建回击电流源，将回击电流源从多段传输线模型中第一传输线的底部位置注入，激发行波；

29、根据第一传输线中行波的当前到达高度，对电流反射系数集合中各阻抗不连续界面对应的电流反射系数进行修正，获得动态电流反射系数集合；

30、通过基于行波传播理论的时域求解算法，追踪行波在多段传输线模型中沿第一传输线上行、沿第二传输线下行及沿第三传输线传播的所有传播路径，根据动态电流反射系数集合计算获得各传播路径对应的初始回击电流瞬时值、幅值衰减因子和累积传播时延；

31、将初始回击电流瞬时值转换至频域，获得初始频率分量；对初始频率分量进行相位误差补偿，获得校正频率分量；将校正频率分量转换回时域，获得校正回击电流瞬时值；

32、建立多段传输线模型的时空域，根据幅值衰减因子和累积传播时延，将校正回击电流瞬时值在时空域内进行赋值，获得回击电流模拟结果。

33、第二方面，本发明提供了一种风机雷击回击电流模拟装置，用于实现所述的风机雷击回击电流模拟方法，所述装置包括：

34、设计数据集合获取模块，用于获取目标风机的设计数据集合，设计数据集合包括雷电回击通道几何数据、风机塔筒几何数据、材料属性数据、风机叶片几何数据和电磁属性数据；

35、特性阻抗集合获取模块，用于根据设计数据集合进行特性阻抗计算，获得特性阻抗集合，特性阻抗集合包括雷电回击通道特性阻抗、塔筒段特性阻抗和叶片微元段特性阻抗；

36、传输线集合获取模块，用于根据特性阻抗集合进行传输线构建，获得传输线集合，传输线集合包括第一传输线、第二传输线和第三传输线；

37、电流反射系数集合获取模块，用于根据传输线集合进行阻抗不连续界面识别和电流反射系数计算，获得电流反射系数集合；

38、回击电流模拟结果获取模块，用于根据传输线集合和电流反射系数集合构建多段传输线模型，设置回击电流源，将回击电流源输入多段传输线模型进行电流反射系数修正、回击电流时域求解和回击电流频域校正，获得回击电流模拟结果。

39、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的风机雷击回击电流模拟方法。

40、第四方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的风机雷击回击电流模拟方法。

41、本发明具有以下有益效果：

42、1、通过将雷电回击通道、风机塔筒及风机叶片统一纳入传输线建模范畴，构建覆盖雷电流全传播路径的传输线集合，完整刻画了回击电流从通道底部注入至接地装置和叶片末端的物理过程；根据传输线集合进行阻抗不连续界面识别和电流反射系数计算，准确捕捉了雷电流发展的瞬态物理过程；根据传输线集合和电流反射系数集合构建多段传输线模型，并通过多段传输线模型进行电流反射系数修正、回击电流时域求解和回击电流频域校正，在模拟行波传播时精确反映了回击电流的动态反射行为，并且校正了传输线频变特性引入的相位偏移，显著提升了回击电流模拟的精度。

43、2、根据风机各部件几何与材料属性分别计算雷电通道、塔筒及叶片的特性阻抗，充分考虑了通道阻抗随高度的变化规律、塔筒变截面效应以及叶片非均匀几何特征，从源头保证了传输线电参数的物理准确性；基于特性阻抗差异构建第一、第二、第三传输线并依次串联，将复杂的风机-雷电耦合系统转化为可解析的多段传输线网络拓扑，为行波传播路径的离散化追踪提供了结构化模型基础；通过识别三处阻抗不连续界面并计算方向相关的电流反射系数，精准量化了行波在物理连接节点处的折反射行为，使得后续行波追踪与电流叠加计算能够真实反映雷电流在风机结构中的多次反射、透射与能量衰减过程，显著提升了模型对高频暂态波形振荡特性与空间分布细节的模拟能力。

44、3、将多段传输线按实际物理连接顺序耦合，并在阻抗不连续界面配置电流反射系数，形成与实际风机结构严格对应的多段传输线模型；在回击电流注入后，根据行波前沿到达高度对反射系数进行实时修正，使模型能够动态反映雷电流发展过程中非稳态阻抗变化，显著提升回击波形前沿和振荡特征的模拟真实性；采用时域行波追踪与频域相位误差补偿相结合的混合求解策略，既完整记录了各传播路径的幅值衰减因子与累积传播时延，又有效校正了传输线频变特性引入的相位偏移，弥补了纯时域算法高频分量精度不足的问题，保证宽频带范围内的计算准确性；通过构建时空域将校正后的回击电流瞬时值在空间坐标和时间坐标内叠加赋值，最终获得风机结构任意位置、任意时刻的雷击电流分布结果，进一步提高了回击电流模拟的精度。