風(fēng)電機(jī)組雷擊暫態(tài)效應(yīng)研究

風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)是維護(hù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠性的重要措施。為了改進(jìn)大容量MW級(jí)機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)，就需要研究機(jī)組的雷擊電磁效應(yīng)問題。本項(xiàng)目從這一實(shí)際需求出發(fā)，在機(jī)組雷電暫態(tài)的電路模擬、機(jī)組內(nèi)空間暫態(tài)電磁場(chǎng)及其感應(yīng)作用的計(jì)算分析、雷電電涌傳輸特性仿真及專用電涌保護(hù)器研制等方面全面開展了研究工作，取得了頗為系統(tǒng)的研究結(jié)果。 本項(xiàng)目首先按照機(jī)組上雷電流從雷擊點(diǎn)到入地的傳輸路徑，分別建立了槳葉、機(jī)艙通路、塔筒和接地裝置等部件的等值子電路。基于對(duì)大尺寸的槳葉、塔筒和接地裝置的離散化處理，提出了這些部件的電路參數(shù)算法。在將各部件等值子電路按它們?cè)跈C(jī)組上的固有電氣貫通次序連接起來之后，構(gòu)造出了機(jī)組的整體等值電路模型。對(duì)于該整體等值電路分別運(yùn)用頻域和時(shí)域方法進(jìn)行數(shù)值求解，獲得了直接雷擊時(shí)機(jī)組上的雷電暫態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)MW級(jí)機(jī)組進(jìn)行大量的暫態(tài)電路模擬，得出了雷電流和暫態(tài)電位在MW級(jí)機(jī)組本體上的分布特性。同時(shí)，還采用MW級(jí)機(jī)組的縮小比例模型進(jìn)行了機(jī)組的雷擊暫態(tài)模擬試驗(yàn)，測(cè)取了模型上的沖擊暫態(tài)響應(yīng)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校對(duì)。 以機(jī)組的暫態(tài)電路模擬為基礎(chǔ)，本項(xiàng)目推導(dǎo)出空間載雷電流偶極子的矢量位表達(dá)式，從該矢量位表達(dá)式入手，進(jìn)一步推導(dǎo)出塔筒內(nèi)任意空間點(diǎn)的暫態(tài)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的公式，將暫態(tài)電磁場(chǎng)的求解過程在時(shí)間和空間上加以離散化，根據(jù)由電路模擬所獲得的雷電流分布，得出了塔筒內(nèi)電磁場(chǎng)的空間分布特性及其干擾強(qiáng)度。將塔筒內(nèi)的暫態(tài)電磁場(chǎng)作為入射場(chǎng)，用暫態(tài)電路方法數(shù)值求解傳輸線路方程，定量地確定了塔筒內(nèi)跨接電纜上的感應(yīng)電涌過電壓水平，并考察了跨接電纜在塔頂和塔底兩端的可行接地方式。再對(duì)感應(yīng)電涌的傳輸特性和電涌保護(hù)器的配合特性進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)測(cè)量，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了塔下控制系統(tǒng)電源線路上專用電涌保護(hù)器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)電路。 本項(xiàng)目集理論建模與試驗(yàn)調(diào)查于一體，既能體現(xiàn)研究深度，又能注重工程應(yīng)用性。 2100433B

本申請(qǐng)項(xiàng)目擬研究直接雷擊時(shí)風(fēng)電機(jī)組中電磁暫態(tài)效應(yīng)及其防護(hù)問題。首先探討雷電流在機(jī)組本體上的暫態(tài)傳輸特性，計(jì)算槳葉、機(jī)艙通路、塔筒和接地裝置的電路參數(shù)，構(gòu)建機(jī)組的等值電路模型，求取機(jī)組上的電流與電位響應(yīng)，預(yù)測(cè)雷電反擊距離，建議等電位對(duì)策。再?gòu)臅r(shí)變電磁場(chǎng)理論出發(fā)，建立塔筒內(nèi)雷電暫態(tài)電磁場(chǎng)的數(shù)值算法，考察筒內(nèi)電磁場(chǎng)的空間分布特性及其在跨接電纜上感應(yīng)暫態(tài)電涌過電壓水平，確定電纜在筒內(nèi)的合理接地方式，作出控制系統(tǒng)中含多級(jí)電涌保護(hù)器的電源與信號(hào)線路等值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，仿真分析各級(jí)保護(hù)器之間的參數(shù)配合狀況和對(duì)端接設(shè)備的保護(hù)可靠性，推出抑制控制系統(tǒng)中電涌過電壓的優(yōu)化保護(hù)模式。然后進(jìn)行模擬試驗(yàn)，制備MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組比例模型并組建試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)取比例模型上的電流與電位響應(yīng)和模型塔筒內(nèi)的暫態(tài)磁場(chǎng)，試驗(yàn)調(diào)查機(jī)組中的雷擊暫態(tài)效應(yīng)，并將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果加以對(duì)比，以校驗(yàn)理論計(jì)算模型與算法的正確性。

海上風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視，在水深超過50m時(shí)浮式海上風(fēng)電機(jī)組(FOWT)將體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。由于其高柔性特點(diǎn)及對(duì)環(huán)境荷載的高敏感性，陀螺效應(yīng)對(duì)浮式支撐系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性影響不可忽略。針對(duì)FOWT大幅運(yùn)動(dòng)特征，本研究建立了基于四元數(shù)理論描述的無奇異且適用的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)耦合模型，然后開展水池模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，揭示了環(huán)境荷載激勵(lì)下陀螺效應(yīng)對(duì)浮式支撐系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)影響程度，本研究構(gòu)建的數(shù)值模擬方法和模型試驗(yàn)方法針對(duì)性強(qiáng)，為FOWT的深入研究提供了有益的借鑒。

物質(zhì)的磁效應(yīng)具有基礎(chǔ)研究的意義，它提供了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)內(nèi)部各種相互作用以及由此引起的各種物理性能相互聯(lián)系的豐富信息。例如磁光效應(yīng)可用來探測(cè)磁性物質(zhì)內(nèi)磁性電子的躍遷及其能級(jí)；磁電效應(yīng)則反映傳導(dǎo)電子與導(dǎo)致宏觀磁性的電子之間的相互作用。磁效應(yīng)在技術(shù)應(yīng)用中已經(jīng)或正在獲得重要應(yīng)用，為各種需要提供了性能優(yōu)良的新器件、新材料和新手段。 如磁-力效應(yīng)與磁聲效應(yīng)分別用于制造電聲換能器及延遲線；磁光效應(yīng)被用于觀察磁化強(qiáng)度的分布，研制磁光器件及磁光存儲(chǔ)器件；順磁鹽或核磁的絕熱退磁為獲得超低溫的有效手段；磁電阻效應(yīng)則用于檢測(cè)磁場(chǎng)而制成新型磁頭及磁泡檢測(cè)器。在工程技術(shù)上有特殊應(yīng)用的恒彈性材料及低膨脹系數(shù)材料則基于磁-力效應(yīng)及磁熱效應(yīng),均與磁致伸縮效應(yīng)有關(guān)。

電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程取決于電力系統(tǒng)中的各元件——發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、電動(dòng)機(jī)等電磁暫態(tài)過程。我們可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過程左右了電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，由有源元件決定。2100433B