海上大型風機整體安裝柔性對接與阻尼控制研究結題摘要

風能是一種清潔的永續(xù)能源，合理的利用和開發(fā)風能是解決我國目前存在的能源緊張和環(huán)境壓力問題的有效途徑。由于海上環(huán)境的特殊性，海上風電場建設工程中存在比陸上風電更多的技術難題需要攻克，其中海上風機安裝是海上風電場建設中最突出的難點之一。海上風機在安裝過程中，由于起重船在海洋中的搖蕩運動使得風機不可避免的產生晃動，這種晃動可能造成風機與海上基礎平臺的碰撞甚至多次碰撞，而造成風機損壞。因此，設計滿足在海上惡劣環(huán)境下風機安裝的軟著陸系統(tǒng)成為一個亟待解決的問題。 本課題首先研究了大質量海上風機在吊裝過程中的動力學特性。建立的起重船-風機吊物系統(tǒng)耦合模型不僅考慮了船體在海面上的縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和首搖，還考慮了風機的面內外擺角以及吊索的彈性變形。計算分析了起重船以及風機在不同外界激勵下的動態(tài)響應及耦合關系。 其次研究了海上風機在安裝對接過程中的相關動力學問題。分別建立了海上風機安裝的硬著陸模型和軟著陸模型，考慮了由于風機著陸、吊索松弛等因素引起的系統(tǒng)的不連續(xù)性，從時域的角度分析了海上風機安裝過程中的動態(tài)特性以及影響因素。建立了提升鋼絲繩的柔性動力學模型，討論了提升鋼絲繩在運動過程中的非線性振動響應。最后得到了滿足海上風機安裝要求的軟著陸系統(tǒng)的設計的參數(shù)選取原則。 基于理論分析，對軟著陸系統(tǒng)的結構形式進行了研究，對其核心部件即緩沖器進行了詳細的結構設計、強度檢驗以及建模分析。在此基礎上，充分考慮緩沖器作為液壓元件的特性，建立了包括負載、吊索和緩沖器在內的軟著陸系統(tǒng)試驗模型，并在不同海況安裝條件下，對軟著陸系統(tǒng)的性能進行了仿真計算，最終研制出了符合要求的軟著陸系統(tǒng)。 最后為了拓寬原有軟著陸系統(tǒng)在多變的海上安裝條件下的適用范圍，引入半主動控制技術，基于海上風機著陸過程的特點，提出一種新的節(jié)流孔面積設計原則，通過參數(shù)自校正模糊控制器實現(xiàn)了對于軟著陸系統(tǒng)在著陸過程中的半主動控制，并通過仿真計算，驗證了控制規(guī)律和方法的有效性，表明半主動控制方案可有效改善軟著陸系統(tǒng)在較惡劣安裝條件下的緩沖性能。 本課題的研究內容和成果為我國海上風機安裝中的軟著陸系統(tǒng)研究提供了一個良好的開端，解決了海上風機安裝中軟著陸系統(tǒng)的關鍵技術問題。目前該軟著陸系統(tǒng)已經成功地應用于江蘇響水海上風電場大型風機的安裝。 2100433B

海上風電以其獨特的優(yōu)勢正逐漸成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。但由于海上環(huán)境的特殊性，風機的海上安裝已經成為限制海上風電場建設的主要技術瓶頸，尤其是整體安裝中的柔性對接要求，更是其中的關鍵技術問題。本項目將海上大功率風機的安裝過程作為一個整體來考慮，利用多體動力學的方法建立起重船-風機的空間耦合運動模型，除海浪和風速的影響之外，還充分考慮起重船結構、柔性吊索的伸縮、吊點的布置、風機自身形狀，以及風機塔筒與海上基礎平臺之間的碰撞作用等因素對風機運動的影響，以期盡可能準確描述風機在對接過程中的動態(tài)特征。在此基礎之上，利用沖擊隔振理論，研究在大質量和反復沖擊情況下的緩沖隔振方法，提出基于阻尼控制并具有快速復位功能的液壓緩沖器的理論設計模型。研究成果將為我國海上風電整體安裝技術的發(fā)展提供必要的理論基礎和有力的技術支持。

阻尼繞組電流的間接測量法

受技術條件的限制，人們無法直接測量得到運動狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過間接測量的方法來對阻尼繞組電流進行研究。在大量的假設前提下，利用電機能夠實測得到的直接數(shù)據(jù)，通過計算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分布。利用這種間接測量法能夠定性的研究同步電機在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對電機參數(shù)和性能所產生的影響。如在上世紀九十年代的文章中，作者就通過對一臺凸極同步電機的測量，分析了定子開槽對阻尼繞組電流所帶來的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測量法研究了阻尼繞組電路對多相同步發(fā)電機產生的影響。間接測量法由于建立在大量假設與簡化的基礎之上，所得結果與實際值必然有所偏差，因此無法準確模擬實際工況，計算結果準確程度不高。于是文章提出了利用無線測量的方法來獲得水輪發(fā)電機阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測量法而言，具有更直接，更準確的優(yōu)點。但由于必須在發(fā)電機阻尼繞組內預先埋置無線電流傳感器，因此只能針對特定電機進行分析。

阻尼繞組電流的解析計算法

Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗的阻尼繞組電流計算方法，在一定假設的基礎之上，通過建立電機磁導的全解析數(shù)學模型，計算了凸極同步電機在開路狀態(tài)下的阻尼繞組電流，并分析了在阻尼繞組電流影響下的阻尼繞組所受電磁力諧波。這種解析的方法相對試驗法有了很大的進步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機的設計過程中預測阻尼繞組電流及其產生的影響，進而對發(fā)電機的設計進行優(yōu)化。發(fā)電機交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計算的方法向前邁進了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過等效電路將包括阻尼繞組在內的發(fā)電機各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結合發(fā)電機的磁導解析模型，計算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對水輪發(fā)電機短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計算了汽輪發(fā)電機阻尼繞組電流及其對電機負序運行所產生的影響。同年Neidhoefer與Bose對水輪發(fā)電機轉子阻尼繞組內的負序電流及其產生的損耗進行了計算與分析。20世紀80年代早期，李哲生學者利用這種交、直軸多回路與電機磁導解析模型相結合方法，計算分析了凸極同步電機的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對的電機電勢與磁勢諧波所產生的影響。同一時期，趙鳳山與史乃等學者利用這種方法計算了水輪發(fā)電機在出現(xiàn)負載突然不對稱時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應及其引起的溫度變化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以這種等效多回路的方法為基礎，提出了一種改進的計算方法，能夠對發(fā)電機出現(xiàn)各種內、外短路故障或其他一些不正常運行工況時的阻尼繞組電流進行計算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計算阻尼繞組電流的解析法為基礎，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測同步電機內阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結構凸極同步電動機的解析設計方法。文章提出了一種用于計算同步電機阻尼繞組參數(shù)的改進解析法。文章利用旋轉磁場解析法計算了大型水輪發(fā)電機的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是采用集中參數(shù)的“路”的方法，即假設電流或磁通沿確定的路徑流通，將復雜的場的分布現(xiàn)象簡化成電路或磁路的問題，并利用電路、磁路理論加以分析和解決。這種方法雖然在一定程度上解決了水輪發(fā)電機阻尼繞組電流的計算問題，但由于無法準確考量水輪發(fā)電機定子鐵心開槽、轉子磁極形狀以及磁場飽和等因素所產生的影響，因此阻尼繞組電流計算的準確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計算法

早在1873年，Maxwell就己經推導并總結出了用于表征電磁場特征的基本方程組。但對于結構復雜的發(fā)電機來說，電機內存在多種形狀復雜的導電與導磁媒質，且導磁媒質材料還具有非線性的特點，因此在數(shù)值方法出現(xiàn)以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場問題非常有限。隨著數(shù)值計算方法中的差分法、積分方程法和有限單元法(又叫有限元法）的陸續(xù)出現(xiàn)與引入，許多懸而未決的電機電磁場問題都得到了順利解決，電機電磁場的研究也取得了極大的進展。其中的有限元法自從被引入電磁場分析領域以來，如今已經成為了電機工程領域內最為有效，應用最為廣泛的一種方法。

作為一種數(shù)值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結合用來求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計算機來進行計算。其基本思想于上世紀五十年代被提出，首先應用在力學的研究領域，并在上世紀六十年代中期開始被引入了電機電磁場的研究領域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統(tǒng)一、通用等特點，因此適用于存在不同媒質、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質材料等條件的電機內電磁場，具有穩(wěn)定性和準確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學者利用有限元法就同步電機異步起動過程中的阻尼繞組電流分布進行了計算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機內由于次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導出氣隙磁導與磁動勢的數(shù)學模型，并將其用于發(fā)電機阻尼繞組電流的解析計算中，同時計算了電機的空載和負載兩種穩(wěn)態(tài)運行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結合的半解析方法，能夠更加準確模擬的定子開槽、磁極形狀以及磁場飽和等因素對氣隙磁導所產生的影響，使阻尼繞組電流的計算更加準確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結合，計算了并網同步電機和外接逆變器的同步電機的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應對同步電機阻尼繞組電流計算所產生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先后發(fā)表文章，建立包含電機相應橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，并稱合氣隙磁導的有限元數(shù)學模型，對阻尼繞組電流及其附加損耗進行了計算。清華大學孫宇光博士利用場路親合法計算了發(fā)電機定子繞組內部短路時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應過程。2006年Nica C等人中利用有限元法計算并研究了變頻器驅動三相同步電機里的阻尼繞組電流受變頻器開關頻率諧波所產生的影響。2008年，Keller利用場路稱合法計算了轉子不平衡運行工況時的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結合的方法，計算和分析了大功率凸極同步電機在異步起動過程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計算了靜止變頻器起動的抽水蓄能電站用發(fā)電電動機在起動過程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對 Karmaker 與 Knight 的模型作了進一步優(yōu)化和完善。2012年，文章利用多回路稱合有限元的方法，計算了同步發(fā)電機發(fā)生定子繞組故障時阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應及其產生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機轉子偏心對阻尼繞組電流及其附加損耗所產生的影響。

西方發(fā)達國家紛紛制定了針對柔性電子的重大研究計劃，如美國FDCASU計劃、日本TRADIM計劃、歐盟第七框架計劃中PolyApply和SHIFT計劃等，僅歐盟第七框架計劃就投入數(shù)十億歐元的研發(fā)經費，重點支持柔性顯示器、聚合物電子的材料/設計/制造/可靠性、柔性電子器件批量化制造等方面基礎研究。

在最近的10年間，康奈爾大學、普林斯頓大學、哈佛大學、西北大學、劍橋大學等國際著名大學都先后建立了柔性電子技術專門研究機構，對柔性電子的材料、器件與工藝技術進行了大量研究。柔性電子技術同樣引起了我國研究人員的高度關注與重視，在柔性電子有機材料制備、有機電子器件設計與應用等方面開展了大量的基礎研究工作，并取得了一定進展。中國科學院長春應用化學研究所、中國科學院化學研究所、中國科學技術大學、華南理工大學、清華大學、西北工業(yè)大學、西安電子科技大學、天津大學、浙江大學、武漢大學、復旦大學、南京郵電大學、上海大學等單位在有機光電（高）分子材料和器件、發(fā)光與顯示、太陽能電池、場效應管、場發(fā)射、柔性電子表征和制備、平板顯示技術、半導體器件和微圖案加工等方面進行了頗有成效的研究。近年來，華中科技大學在RFID封裝和卷到卷制造、廈門大學在靜電紡絲等方面取得了研究進展。

知名經濟學家劉姝威在近日表示：“柔宇通過核心技術自主創(chuàng)新，開創(chuàng)了一個全新的柔性電子產業(yè)。

磁約束阻尼系統(tǒng)通過動態(tài)磁力與約束層、阻尼層和基本結構的耦合作用，對基本結構產生顯著阻尼效應，從而實現(xiàn)有效的振動控制。本項目將針對板殼結構的特殊性，建立適用于減振分析的阻尼層本構模型、含有磁約束阻尼的板殼結構動力學模型，探索和建立有效的求解方法；深入研究各種關鍵因素與減振效果的關系和規(guī)律，建立參數(shù)選取優(yōu)化方法；研究新型的阻尼層約束結構和磁約束方式，探索建立板殼結構磁約束阻尼的主、被動控制系統(tǒng)。磁約束阻尼系統(tǒng)與壓電陶瓷、形狀記憶合金、磁致伸縮元件等為機敏元件的系統(tǒng)相比，具有結構簡單、易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，控制作用效果強等優(yōu)越性，是一種具有重要應用價值的人工阻尼系統(tǒng)；但目前在板結構中的應用探索還剛剛開始，而在殼體結構中的應用研究基礎還基本是空白。本項目取得的成果，將為板殼結構磁約束阻尼系統(tǒng)的發(fā)展和應用提供有力的理論和技術支撐。 2100433B