风电机组雷击暂态效应研究

风电机组的防雷保护是维护风力发电系统安全运行可靠性的重要措施。为了改进大容量MW级机组的防雷设计，就需要研究机组的雷击电磁效应问题。本项目从这一实际需求出发，在机组雷电暂态的电路模拟、机组内空间暂态电磁场及其感应作用的计算分析、雷电电涌传输特性仿真及专用电涌保护器研制等方面全面开展了研究工作，取得了颇为系统的研究结果。 本项目首先按照机组上雷电流从雷击点到入地的传输路径，分别建立了桨叶、机舱通路、塔筒和接地装置等部件的等值子电路。基于对大尺寸的桨叶、塔筒和接地装置的离散化处理，提出了这些部件的电路参数算法。在将各部件等值子电路按它们在机组上的固有电气贯通次序连接起来之后，构造出了机组的整体等值电路模型。对于该整体等值电路分别运用频域和时域方法进行数值求解，获得了直接雷击时机组上的雷电暂态响应。通过对MW级机组进行大量的暂态电路模拟，得出了雷电流和暂态电位在MW级机组本体上的分布特性。同时，还采用MW级机组的缩小比例模型进行了机组的雷击暂态模拟试验，测取了模型上的冲击暂态响应，并与理论计算结果进行了校对。 以机组的暂态电路模拟为基础，本项目推导出空间载雷电流偶极子的矢量位表达式，从该矢量位表达式入手，进一步推导出塔筒内任意空间点的暂态电场与磁场的公式，将暂态电磁场的求解过程在时间和空间上加以离散化，根据由电路模拟所获得的雷电流分布，得出了塔筒内电磁场的空间分布特性及其干扰强度。将塔筒内的暂态电磁场作为入射场，用暂态电路方法数值求解传输线路方程，定量地确定了塔筒内跨接电缆上的感应电涌过电压水平，并考察了跨接电缆在塔顶和塔底两端的可行接地方式。再对感应电涌的传输特性和电涌保护器的配合特性进行了仿真分析和试验测量，优化设计出了塔下控制系统电源线路上专用电涌保护器的简化结构电路。 本项目集理论建模与试验调查于一体，既能体现研究深度，又能注重工程应用性。 2100433B

本申请项目拟研究直接雷击时风电机组中电磁暂态效应及其防护问题。首先探讨雷电流在机组本体上的暂态传输特性，计算桨叶、机舱通路、塔筒和接地装置的电路参数，构建机组的等值电路模型，求取机组上的电流与电位响应，预测雷电反击距离，建议等电位对策。再从时变电磁场理论出发，建立塔筒内雷电暂态电磁场的数值算法，考察筒内电磁场的空间分布特性及其在跨接电缆上感应暂态电涌过电压水平，确定电缆在筒内的合理接地方式，作出控制系统中含多级电涌保护器的电源与信号线路等值计算网络，仿真分析各级保护器之间的参数配合状况和对端接设备的保护可靠性，推出抑制控制系统中电涌过电压的优化保护模式。然后进行模拟试验，制备MW级风电机组比例模型并组建试验系统，测取比例模型上的电流与电位响应和模型塔筒内的暂态磁场，试验调查机组中的雷击暂态效应，并将试验测量结果与理论计算结果加以对比，以校验理论计算模型与算法的正确性。

海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，在水深超过50m时浮式海上风电机组(FOWT)将体现出明显的经济优势。由于其高柔性特点及对环境荷载的高敏感性，陀螺效应对浮式支撑系统的姿态稳定性影响不可忽略。针对FOWT大幅运动特征，本研究建立了基于四元数理论描述的无奇异且适用的系统运动姿态耦合模型，然后开展水池模型试验进行了验证，揭示了环境荷载激励下陀螺效应对浮式支撑系统的运动姿态影响程度，本研究构建的数值模拟方法和模型试验方法针对性强，为FOWT的深入研究提供了有益的借鉴。

物质的磁效应具有基础研究的意义，它提供了物质结构、物质内部各种相互作用以及由此引起的各种物理性能相互联系的丰富信息。例如磁光效应可用来探测磁性物质内磁性电子的跃迁及其能级；磁电效应则反映传导电子与导致宏观磁性的电子之间的相互作用。磁效应在技术应用中已经或正在获得重要应用，为各种需要提供了性能优良的新器件、新材料和新手段。 如磁-力效应与磁声效应分别用于制造电声换能器及延迟线；磁光效应被用于观察磁化强度的分布，研制磁光器件及磁光存储器件；顺磁盐或核磁的绝热退磁为获得超低温的有效手段；磁电阻效应则用于检测磁场而制成新型磁头及磁泡检测器。在工程技术上有特殊应用的恒弹性材料及低膨胀系数材料则基于磁-力效应及磁热效应,均与磁致伸缩效应有关。

电力系统的电磁暂态过程取决于电力系统中的各元件——发电机、变压器、线路、电动机等电磁暂态过程。我们可以认为发电机的电磁暂态过程左右了电力系统的电磁暂态过程，由有源元件决定。2100433B