風電機組雷擊暫態(tài)效應研究

風電機組的防雷保護是維護風力發(fā)電系統(tǒng)安全運行可靠性的重要措施。為了改進大容量MW級機組的防雷設計，就需要研究機組的雷擊電磁效應問題。本項目從這一實際需求出發(fā)，在機組雷電暫態(tài)的電路模擬、機組內(nèi)空間暫態(tài)電磁場及其感應作用的計算分析、雷電電涌傳輸特性仿真及專用電涌保護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。 本項目首先按照機組上雷電流從雷擊點到入地的傳輸路徑，分別建立了槳葉、機艙通路、塔筒和接地裝置等部件的等值子電路?；趯Υ蟪叽绲臉~、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在機組上的固有電氣貫通次序連接起來之后，構(gòu)造出了機組的整體等值電路模型。對于該整體等值電路分別運用頻域和時域方法進行數(shù)值求解，獲得了直接雷擊時機組上的雷電暫態(tài)響應。通過對MW級機組進行大量的暫態(tài)電路模擬，得出了雷電流和暫態(tài)電位在MW級機組本體上的分布特性。同時，還采用MW級機組的縮小比例模型進行了機組的雷擊暫態(tài)模擬試驗，測取了模型上的沖擊暫態(tài)響應，并與理論計算結(jié)果進行了校對。 以機組的暫態(tài)電路模擬為基礎，本項目推導出空間載雷電流偶極子的矢量位表達式，從該矢量位表達式入手，進一步推導出塔筒內(nèi)任意空間點的暫態(tài)電場與磁場的公式，將暫態(tài)電磁場的求解過程在時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)電磁場的空間分布特性及其干擾強度。將塔筒內(nèi)的暫態(tài)電磁場作為入射場，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。再對感應電涌的傳輸特性和電涌保護器的配合特性進行了仿真分析和試驗測量，優(yōu)化設計出了塔下控制系統(tǒng)電源線路上專用電涌保護器的簡化結(jié)構(gòu)電路。 本項目集理論建模與試驗調(diào)查于一體，既能體現(xiàn)研究深度，又能注重工程應用性。 2100433B

本申請項目擬研究直接雷擊時風電機組中電磁暫態(tài)效應及其防護問題。首先探討雷電流在機組本體上的暫態(tài)傳輸特性，計算槳葉、機艙通路、塔筒和接地裝置的電路參數(shù)，構(gòu)建機組的等值電路模型，求取機組上的電流與電位響應，預測雷電反擊距離，建議等電位對策。再從時變電磁場理論出發(fā)，建立塔筒內(nèi)雷電暫態(tài)電磁場的數(shù)值算法，考察筒內(nèi)電磁場的空間分布特性及其在跨接電纜上感應暫態(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)中含多級電涌保護器的電源與信號線路等值計算網(wǎng)絡，仿真分析各級保護器之間的參數(shù)配合狀況和對端接設備的保護可靠性，推出抑制控制系統(tǒng)中電涌過電壓的優(yōu)化保護模式。然后進行模擬試驗，制備MW級風電機組比例模型并組建試驗系統(tǒng)，測取比例模型上的電流與電位響應和模型塔筒內(nèi)的暫態(tài)磁場，試驗調(diào)查機組中的雷擊暫態(tài)效應，并將試驗測量結(jié)果與理論計算結(jié)果加以對比，以校驗理論計算模型與算法的正確性。

海上風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，在水深超過50m時浮式海上風電機組(FOWT)將體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。由于其高柔性特點及對環(huán)境荷載的高敏感性，陀螺效應對浮式支撐系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性影響不可忽略。針對FOWT大幅運動特征，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)運動姿態(tài)耦合模型，然后開展水池模型試驗進行了驗證，揭示了環(huán)境荷載激勵下陀螺效應對浮式支撐系統(tǒng)的運動姿態(tài)影響程度，本研究構(gòu)建的數(shù)值模擬方法和模型試驗方法針對性強，為FOWT的深入研究提供了有益的借鑒。

物質(zhì)的磁效應具有基礎研究的意義，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。例如磁光效應可用來探測磁性物質(zhì)內(nèi)磁性電子的躍遷及其能級；磁電效應則反映傳導電子與導致宏觀磁性的電子之間的相互作用。磁效應在技術(shù)應用中已經(jīng)或正在獲得重要應用，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-力效應與磁聲效應分別用于制造電聲換能器及延遲線；磁光效應被用于觀察磁化強度的分布，研制磁光器件及磁光存儲器件；順磁鹽或核磁的絕熱退磁為獲得超低溫的有效手段；磁電阻效應則用于檢測磁場而制成新型磁頭及磁泡檢測器。在工程技術(shù)上有特殊應用的恒彈性材料及低膨脹系數(shù)材料則基于磁-力效應及磁熱效應,均與磁致伸縮效應有關。

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、變壓器、線路、電動機等電磁暫態(tài)過程。我們可以認為發(fā)電機的電磁暫態(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