海上大型風(fēng)機(jī)整體安裝柔性對(duì)接與阻尼控制研究項(xiàng)目摘要

海上風(fēng)電以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正逐漸成為我國(guó)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(fēng)機(jī)的海上安裝已經(jīng)成為限制海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的主要技術(shù)瓶頸，尤其是整體安裝中的柔性對(duì)接要求，更是其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本項(xiàng)目將海上大功率風(fēng)機(jī)的安裝過(guò)程作為一個(gè)整體來(lái)考慮，利用多體動(dòng)力學(xué)的方法建立起重船-風(fēng)機(jī)的空間耦合運(yùn)動(dòng)模型，除海浪和風(fēng)速的影響之外，還充分考慮起重船結(jié)構(gòu)、柔性吊索的伸縮、吊點(diǎn)的布置、風(fēng)機(jī)自身形狀，以及風(fēng)機(jī)塔筒與海上基礎(chǔ)平臺(tái)之間的碰撞作用等因素對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響，以期盡可能準(zhǔn)確描述風(fēng)機(jī)在對(duì)接過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特征。在此基礎(chǔ)之上，利用沖擊隔振理論，研究在大質(zhì)量和反復(fù)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?gòu)?fù)位功能的液壓緩沖器的理論設(shè)計(jì)模型。研究成果將為我國(guó)海上風(fēng)電整體安裝技術(shù)的發(fā)展提供必要的理論基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支持。

風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，合理的利用和開(kāi)發(fā)風(fēng)能是解決我國(guó)目前存在的能源緊張和環(huán)境壓力問(wèn)題的有效途徑。由于海上環(huán)境的特殊性，海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)工程中存在比陸上風(fēng)電更多的技術(shù)難題需要攻克，其中海上風(fēng)機(jī)安裝是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中最突出的難點(diǎn)之一。海上風(fēng)機(jī)在安裝過(guò)程中，由于起重船在海洋中的搖蕩運(yùn)動(dòng)使得風(fēng)機(jī)不可避免的產(chǎn)生晃動(dòng)，這種晃動(dòng)可能造成風(fēng)機(jī)與海上基礎(chǔ)平臺(tái)的碰撞甚至多次碰撞，而造成風(fēng)機(jī)損壞。因此，設(shè)計(jì)滿足在海上惡劣環(huán)境下風(fēng)機(jī)安裝的軟著陸系統(tǒng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。 本課題首先研究了大質(zhì)量海上風(fēng)機(jī)在吊裝過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性。建立的起重船-風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的面內(nèi)外擺角以及吊索的彈性變形。計(jì)算分析了起重船以及風(fēng)機(jī)在不同外界激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及耦合關(guān)系。 其次研究了海上風(fēng)機(jī)在安裝對(duì)接過(guò)程中的相關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。分別建立了海上風(fēng)機(jī)安裝的硬著陸模型和軟著陸模型，考慮了由于風(fēng)機(jī)著陸、吊索松弛等因素引起的系統(tǒng)的不連續(xù)性，從時(shí)域的角度分析了海上風(fēng)機(jī)安裝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性以及影響因素。建立了提升鋼絲繩的柔性動(dòng)力學(xué)模型，討論了提升鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的非線性振動(dòng)響應(yīng)。最后得到了滿足海上風(fēng)機(jī)安裝要求的軟著陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的參數(shù)選取原則。 基于理論分析，對(duì)軟著陸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，對(duì)其核心部件即緩沖器進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度檢驗(yàn)以及建模分析。在此基礎(chǔ)上，充分考慮緩沖器作為液壓元件的特性，建立了包括負(fù)載、吊索和緩沖器在內(nèi)的軟著陸系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并在不同海況安裝條件下，對(duì)軟著陸系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真計(jì)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(dòng)控制技術(shù)，基于海上風(fēng)機(jī)著陸過(guò)程的特點(diǎn)，提出一種新的節(jié)流孔面積設(shè)計(jì)原則，通過(guò)參數(shù)自校正模糊控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)于軟著陸系統(tǒng)在著陸過(guò)程中的半主動(dòng)控制，并通過(guò)仿真計(jì)算，驗(yàn)證了控制規(guī)律和方法的有效性，表明半主動(dòng)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?jī)?nèi)容和成果為我國(guó)海上風(fēng)機(jī)安裝中的軟著陸系統(tǒng)研究提供了一個(gè)良好的開(kāi)端，解決了海上風(fēng)機(jī)安裝中軟著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前該軟著陸系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于江蘇響水海上風(fēng)電場(chǎng)大型風(fēng)機(jī)的安裝。 2100433B

阻尼繞組電流的間接測(cè)量法

受技術(shù)條件的限制，人們無(wú)法直接測(cè)量得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過(guò)間接測(cè)量的方法來(lái)對(duì)阻尼繞組電流進(jìn)行研究。在大量的假設(shè)前提下，利用電機(jī)能夠?qū)崪y(cè)得到的直接數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)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(cè)量法能夠定性的研究同步電機(jī)在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對(duì)電機(jī)參數(shù)和性能所產(chǎn)生的影響。如在上世紀(jì)九十年代的文章中，作者就通過(guò)對(duì)一臺(tái)凸極同步電機(jī)的測(cè)量，分析了定子開(kāi)槽對(duì)阻尼繞組電流所帶來(lái)的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測(cè)量法研究了阻尼繞組電路對(duì)多相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。間接測(cè)量法由于建立在大量假設(shè)與簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上，所得結(jié)果與實(shí)際值必然有所偏差，因此無(wú)法準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度不高。于是文章提出了利用無(wú)線測(cè)量的方法來(lái)獲得水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測(cè)量法而言，具有更直接，更準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。但由于必須在發(fā)電機(jī)阻尼繞組內(nèi)預(yù)先埋置無(wú)線電流傳感器，因此只能針對(duì)特定電機(jī)進(jìn)行分析。

阻尼繞組電流的解析計(jì)算法

Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗(yàn)的阻尼繞組電流計(jì)算方法，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)建立電機(jī)磁導(dǎo)的全解析數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了凸極同步電機(jī)在開(kāi)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(duì)試驗(yàn)法有了很大的進(jìn)步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)測(cè)阻尼繞組電流及其產(chǎn)生的影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)電機(jī)交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計(jì)算的方法向前邁進(jìn)了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀(jì)70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過(guò)等效電路將包括阻尼繞組在內(nèi)的發(fā)電機(jī)各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結(jié)合發(fā)電機(jī)的磁導(dǎo)解析模型，計(jì)算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)水輪發(fā)電機(jī)短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流及其對(duì)電機(jī)負(fù)序運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。同年Neidhoefer與Bose對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組內(nèi)的負(fù)序電流及其產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了計(jì)算與分析。20世紀(jì)80年代早期，李哲生學(xué)者利用這種交、直軸多回路與電機(jī)磁導(dǎo)解析模型相結(jié)合方法，計(jì)算分析了凸極同步電機(jī)的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)的電機(jī)電勢(shì)與磁勢(shì)諧波所產(chǎn)生的影響。同一時(shí)期，趙鳳山與史乃等學(xué)者利用這種方法計(jì)算了水輪發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)負(fù)載突然不對(duì)稱時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)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(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)出現(xiàn)各種內(nèi)、外短路故障或其他一些不正常運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流進(jìn)行計(jì)算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計(jì)算阻尼繞組電流的解析法為基礎(chǔ)，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測(cè)同步電機(jī)內(nèi)阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結(jié)構(gòu)凸極同步電動(dòng)機(jī)的解析設(shè)計(jì)方法。文章提出了一種用于計(jì)算同步電機(jī)阻尼繞組參數(shù)的改進(jìn)解析法。文章利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)解析法計(jì)算了大型水輪發(fā)電機(jī)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(shè)電流或磁通沿確定的路徑流通，將復(fù)雜的場(chǎng)的分布現(xiàn)象簡(jiǎn)化成電路或磁路的問(wèn)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(jī)阻尼繞組電流的計(jì)算問(wèn)題，但由于無(wú)法準(zhǔn)確考量水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心開(kāi)槽、轉(zhuǎn)子磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素所產(chǎn)生的影響，因此阻尼繞組電流計(jì)算的準(zhǔn)確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計(jì)算法

早在1873年，Maxwell就己經(jīng)推導(dǎo)并總結(jié)出了用于表征電磁場(chǎng)特征的基本方程組。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)內(nèi)存在多種形狀復(fù)雜的導(dǎo)電與導(dǎo)磁媒質(zhì)，且導(dǎo)磁媒質(zhì)材料還具有非線性的特點(diǎn)，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(chǎng)問(wèn)題非常有限。隨著數(shù)值計(jì)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(jī)電磁場(chǎng)問(wèn)題都得到了順利解決，電機(jī)電磁場(chǎng)的研究也取得了極大的進(jìn)展。其中的有限元法自從被引入電磁場(chǎng)分析領(lǐng)域以來(lái)，如今已經(jīng)成為了電機(jī)工程領(lǐng)域內(nèi)最為有效，應(yīng)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(jié)合用來(lái)求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其基本思想于上世紀(jì)五十年代被提出，首先應(yīng)用在力學(xué)的研究領(lǐng)域，并在上世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始被引入了電機(jī)電磁場(chǎng)的研究領(lǐng)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(diǎn)，因此適用于存在不同媒質(zhì)、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質(zhì)材料等條件的電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)，具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學(xué)者利用有限元法就同步電機(jī)異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流分布進(jìn)行了計(jì)算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機(jī)內(nèi)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(dǎo)出氣隙磁導(dǎo)與磁動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，并將其用于發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流的解析計(jì)算中，同時(shí)計(jì)算了電機(jī)的空載和負(fù)載兩種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結(jié)合的半解析方法，能夠更加準(zhǔn)確模擬的定子開(kāi)槽、磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素對(duì)氣隙磁導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，使阻尼繞組電流的計(jì)算更加準(zhǔn)確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結(jié)合，計(jì)算了并網(wǎng)同步電機(jī)和外接逆變器的同步電機(jī)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(yīng)對(duì)同步電機(jī)阻尼繞組電流計(jì)算所產(chǎn)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(jī)相應(yīng)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(dǎo)的有限元數(shù)學(xué)模型，對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗進(jìn)行了計(jì)算。清華大學(xué)孫宇光博士利用場(chǎng)路親合法計(jì)算了發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。2006年Nica C等人中利用有限元法計(jì)算并研究了變頻器驅(qū)動(dòng)三相同步電機(jī)里的阻尼繞組電流受變頻器開(kāi)關(guān)頻率諧波所產(chǎn)生的影響。2008年，Keller利用場(chǎng)路稱合法計(jì)算了轉(zhuǎn)子不平衡運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結(jié)合的方法，計(jì)算和分析了大功率凸極同步電機(jī)在異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計(jì)算了靜止變頻器起動(dòng)的抽水蓄能電站用發(fā)電電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對(duì) Karmaker 與 Knight 的模型作了進(jìn)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(jì)算了同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組故障時(shí)阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應(yīng)及其產(chǎn)生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗所產(chǎn)生的影響。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了針對(duì)柔性電子的重大研究計(jì)劃，如美國(guó)FDCASU計(jì)劃、日本TRADIM計(jì)劃、歐盟第七框架計(jì)劃中PolyApply和SHIFT計(jì)劃等，僅歐盟第七框架計(jì)劃就投入數(shù)十億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，重點(diǎn)支持柔性顯示器、聚合物電子的材料/設(shè)計(jì)/制造/可靠性、柔性電子器件批量化制造等方面基礎(chǔ)研究。

在最近的10年間，康奈爾大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、西北大學(xué)、劍橋大學(xué)等國(guó)際著名大學(xué)都先后建立了柔性電子技術(shù)專門研究機(jī)構(gòu)，對(duì)柔性電子的材料、器件與工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究。柔性電子技術(shù)同樣引起了我國(guó)研究人員的高度關(guān)注與重視，在柔性電子有機(jī)材料制備、有機(jī)電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究工作，并取得了一定進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京郵電大學(xué)、上海大學(xué)等單位在有機(jī)光電（高）分子材料和器件、發(fā)光與顯示、太陽(yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)發(fā)射、柔性電子表征和制備、平板顯示技術(shù)、半導(dǎo)體器件和微圖案加工等方面進(jìn)行了頗有成效的研究。近年來(lái)，華中科技大學(xué)在RFID封裝和卷到卷制造、廈門大學(xué)在靜電紡絲等方面取得了研究進(jìn)展。

知名經(jīng)濟(jì)學(xué)家劉姝威在近日表示：“柔宇通過(guò)核心技術(shù)自主創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的柔性電子產(chǎn)業(yè)。

磁約束阻尼系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)磁力與約束層、阻尼層和基本結(jié)構(gòu)的耦合作用，對(duì)基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著阻尼效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)有效的振動(dòng)控制。本項(xiàng)目將針對(duì)板殼結(jié)構(gòu)的特殊性，建立適用于減振分析的阻尼層本構(gòu)模型、含有磁約束阻尼的板殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，探索和建立有效的求解方法；深入研究各種關(guān)鍵因素與減振效果的關(guān)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(jié)構(gòu)和磁約束方式，探索建立板殼結(jié)構(gòu)磁約束阻尼的主、被動(dòng)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(jī)敏元件的系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，控制作用效果強(qiáng)等優(yōu)越性，是一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的人工阻尼系統(tǒng)；但目前在板結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探索還剛剛開(kāi)始，而在殼體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究基礎(chǔ)還基本是空白。本項(xiàng)目取得的成果，將為板殼結(jié)構(gòu)磁約束阻尼系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力的理論和技術(shù)支撐。 2100433B