海上大型风机整体安装柔性对接与阻尼控制研究

风能是一种清洁的永续能源，合理的利用和开发风能是解决我国目前存在的能源紧张和环境压力问题的有效途径。由于海上环境的特殊性，海上风电场建设工程中存在比陆上风电更多的技术难题需要攻克，其中海上风机安装是海上风电场建设中最突出的难点之一。海上风机在安装过程中，由于起重船在海洋中的摇荡运动使得风机不可避免的产生晃动，这种晃动可能造成风机与海上基础平台的碰撞甚至多次碰撞，而造成风机损坏。因此，设计满足在海上恶劣环境下风机安装的软着陆系统成为一个亟待解决的问题。 本课题首先研究了大质量海上风机在吊装过程中的动力学特性。建立的起重船-风机吊物系统耦合模型不仅考虑了船体在海面上的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和首摇，还考虑了风机的面内外摆角以及吊索的弹性变形。计算分析了起重船以及风机在不同外界激励下的动态响应及耦合关系。 其次研究了海上风机在安装对接过程中的相关动力学问题。分别建立了海上风机安装的硬着陆模型和软着陆模型，考虑了由于风机着陆、吊索松弛等因素引起的系统的不连续性，从时域的角度分析了海上风机安装过程中的动态特性以及影响因素。建立了提升钢丝绳的柔性动力学模型，讨论了提升钢丝绳在运动过程中的非线性振动响应。最后得到了满足海上风机安装要求的软着陆系统的设计的参数选取原则。 基于理论分析，对软着陆系统的结构形式进行了研究，对其核心部件即缓冲器进行了详细的结构设计、强度检验以及建模分析。在此基础上，充分考虑缓冲器作为液压元件的特性，建立了包括负载、吊索和缓冲器在内的软着陆系统试验模型，并在不同海况安装条件下，对软着陆系统的性能进行了仿真计算，最终研制出了符合要求的软着陆系统。 最后为了拓宽原有软着陆系统在多变的海上安装条件下的适用范围，引入半主动控制技术，基于海上风机着陆过程的特点，提出一种新的节流孔面积设计原则，通过参数自校正模糊控制器实现了对于软着陆系统在着陆过程中的半主动控制，并通过仿真计算，验证了控制规律和方法的有效性，表明半主动控制方案可有效改善软着陆系统在较恶劣安装条件下的缓冲性能。 本课题的研究内容和成果为我国海上风机安装中的软着陆系统研究提供了一个良好的开端，解决了海上风机安装中软着陆系统的关键技术问题。目前该软着陆系统已经成功地应用于江苏响水海上风电场大型风机的安装。 2100433B

海上风电以其独特的优势正逐渐成为我国可持续发展战略的重要组成部分。但由于海上环境的特殊性，风机的海上安装已经成为限制海上风电场建设的主要技术瓶颈，尤其是整体安装中的柔性对接要求，更是其中的关键技术问题。本项目将海上大功率风机的安装过程作为一个整体来考虑，利用多体动力学的方法建立起重船-风机的空间耦合运动模型，除海浪和风速的影响之外，还充分考虑起重船结构、柔性吊索的伸缩、吊点的布置、风机自身形状，以及风机塔筒与海上基础平台之间的碰撞作用等因素对风机运动的影响，以期尽可能准确描述风机在对接过程中的动态特征。在此基础之上，利用冲击隔振理论，研究在大质量和反复冲击情况下的缓冲隔振方法，提出基于阻尼控制并具有快速复位功能的液压缓冲器的理论设计模型。研究成果将为我国海上风电整体安装技术的发展提供必要的理论基础和有力的技术支持。

阻尼绕组电流的间接测量法

受技术条件的限制，人们无法直接测量得到运动状态下的阻尼绕组电流，于是有人提出通过间接测量的方法来对阻尼绕组电流进行研究。在大量的假设前提下，利用电机能够实测得到的直接数据，通过计算而间接地获得了阻尼绕组电流的近似分布。利用这种间接测量法能够定性的研究同步电机在各种工况下的阻尼绕组电流分布以及阻尼绕组电流对电机参数和性能所产生的影响。如在上世纪九十年代的文章中，作者就通过对一台凸极同步电机的测量，分析了定子开槽对阻尼绕组电流所带来的影响。在2011年发表的文章中，作者利用间接测量法研究了阻尼绕组电路对多相同步发电机产生的影响。间接测量法由于建立在大量假设与简化的基础之上，所得结果与实际值必然有所偏差，因此无法准确模拟实际工况，计算结果准确程度不高。于是文章提出了利用无线测量的方法来获得水轮发电机阻尼绕组电流。这种方-法相较间接测量法而言，具有更直接，更准确的优点。但由于必须在发电机阻尼绕组内预先埋置无线电流传感器，因此只能针对特定电机进行分析。

阻尼绕组电流的解析计算法

Walker和Kermis于1960年提出了一种脱离试验的阻尼绕组电流计算方法，在一定假设的基础之上，通过建立电机磁导的全解析数学模型，计算了凸极同步电机在开路状态下的阻尼绕组电流，并分析了在阻尼绕组电流影响下的阻尼绕组所受电磁力谐波。这种解析的方法相对试验法有了很大的进步。利用这种方法，人们可以在发电机的设计过程中预测阻尼绕组电流及其产生的影响，进而对发电机的设计进行优化。发电机交、直轴等效电路的引入，使阻尼绕组电流计算的方法向前迈进了一步。Fuchs与Erdelyi在20世纪70年代陆续发表文章，通过等效电路将包括阻尼绕组在内的发电机各绕组等效成交、直轴两套等效绕组多回路，结合发电机的磁导解析模型，计算了阻尼绕组电流，并研究了阻尼绕组电流对水轮发电机短路电流的影响。Canay于1975年发表文章，利用同样的方法计算了汽轮发电机阻尼绕组电流及其对电机负序运行所产生的影响。同年Neidhoefer与Bose对水轮发电机转子阻尼绕组内的负序电流及其产生的损耗进行了计算与分析。20世纪80年代早期，李哲生学者利用这种交、直轴多回路与电机磁导解析模型相结合方法，计算分析了凸极同步电机的阻尼绕组电流，并研究了阻尼绕组电流对的电机电势与磁势谐波所产生的影响。同一时期，赵凤山与史乃等学者利用这种方法计算了水轮发电机在出现负载突然不对称时的阻尼绕组电流瞬态响应及其引起的温度变化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以这种等效多回路的方法为基础，提出了一种改进的计算方法，能够对发电机出现各种内、外短路故障或其他一些不正常运行工况时的阻尼绕组电流进行计算Mina M Rahimian分别于2009年和2011年发表文章，以计算阻尼绕组电流的解析法为基础，提出了一种能够用于在线监测同步电机内阻尼绕组故障的方法。文章研究了具有双层阻尼绕组结构凸极同步电动机的解析设计方法。文章提出了一种用于计算同步电机阻尼绕组参数的改进解析法。文章利用旋转磁场解析法计算了大型水轮发电机的阻尼绕组损耗。

解析法的思路主要是采用集中参数的“路”的方法，即假设电流或磁通沿确定的路径流通，将复杂的场的分布现象简化成电路或磁路的问题，并利用电路、磁路理论加以分析和解决。这种方法虽然在一定程度上解决了水轮发电机阻尼绕组电流的计算问题，但由于无法准确考量水轮发电机定子铁心开槽、转子磁极形状以及磁场饱和等因素所产生的影响，因此阻尼绕组电流计算的准确程度不尚。

阻尼绕组电流的数值计算法

早在1873年，Maxwell就己经推导并总结出了用于表征电磁场特征的基本方程组。但对于结构复杂的发电机来说，电机内存在多种形状复杂的导电与导磁媒质，且导磁媒质材料还具有非线性的特点，因此在数值方法出现以前，能够直接用Maxwell方程求解的电磁场问题非常有限。随着数值计算方法中的差分法、积分方程法和有限单元法(又叫有限元法）的陆续出现与引入，许多悬而未决的电机电磁场问题都得到了顺利解决，电机电磁场的研究也取得了极大的进展。其中的有限元法自从被引入电磁场分析领域以来，如今已经成为了电机工程领域内最为有效，应用最为广泛的一种方法。

作为一种数值方法，有限兀法是把变分原理和剖分插值相结合用来求解数理方程的一种方法，适于利用计算机来进行计算。其基本思想于上世纪五十年代被提出，首先应用在力学的研究领域，并在上世纪六十年代中期开始被引入了电机电磁场的研究领域。由于有限元法具有单元剖分灵活、算法统一、通用等特点，因此适用于存在不同媒质、不规则几何形状与边界条件、非线性媒质材料等条件的电机内电磁场，具有稳定性和准确度高等方面的优占1980年，钟永琛学者利用有限元法就同步电机异步起动过程中的阻尼绕组电流分布进行了计算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了电机内由于次谐波的存在而引起的阻尼绕组电流。1994年Toader利用有限元法推导出气隙磁导与磁动势的数学模型，并将其用于发电机阻尼绕组电流的解析计算中，同时计算了电机的空载和负载两种稳态运行工况。较全解析法而言，这种将解析法与有限元法相结合的半解析方法，能够更加准确模拟的定子开槽、磁极形状以及磁场饱和等因素对气隙磁导所产生的影响，使阻尼绕组电流的计算更加准确。同年，Vetter、Reichert同样将解析法与数值法相结合，计算了并网同步电机和外接逆变器的同步电机的阻尼绕组电流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集肤效应对同步电机阻尼绕组电流计算所产生影响。在2002年到2005年之间，Karmaker与Knight先后发表文章，建立包含电机相应横截面上所有阻尼绕组的绕组等效多回路，并称合气隙磁导的有限元数学模型，对阻尼绕组电流及其附加损耗进行了计算。清华大学孙宇光博士利用场路亲合法计算了发电机定子绕组内部短路时的阻尼绕组电流瞬态响应过程。2006年Nica C等人中利用有限元法计算并研究了变频器驱动三相同步电机里的阻尼绕组电流受变频器开关频率谐波所产生的影响。2008年，Keller利用场路称合法计算了转子不平衡运行工况时的阻尼绕组电流。文章釆用解析与数值相结合的方法，计算和分析了大功率凸极同步电机在异步起动过程中的阻尼绕组电流的分布。2009年，文章计算了静止变频器起动的抽水蓄能电站用发电电动机在起动过程中的阻尼绕组电流及损耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 对 Karmaker 与 Knight 的模型作了进一步优化和完善。2012年，文章利用多回路称合有限元的方法，计算了同步发电机发生定子绕组故障时阻尼绕组电流的瞬态响应及其产生的附加损耗。文章分析了凸极发电机转子偏心对阻尼绕组电流及其附加损耗所产生的影响。

西方发达国家纷纷制定了针对柔性电子的重大研究计划，如美国FDCASU计划、日本TRADIM计划、欧盟第七框架计划中PolyApply和SHIFT计划等，仅欧盟第七框架计划就投入数十亿欧元的研发经费，重点支持柔性显示器、聚合物电子的材料/设计/制造/可靠性、柔性电子器件批量化制造等方面基础研究。

在最近的10年间，康奈尔大学、普林斯顿大学、哈佛大学、西北大学、剑桥大学等国际著名大学都先后建立了柔性电子技术专门研究机构，对柔性电子的材料、器件与工艺技术进行了大量研究。柔性电子技术同样引起了我国研究人员的高度关注与重视，在柔性电子有机材料制备、有机电子器件设计与应用等方面开展了大量的基础研究工作，并取得了一定进展。中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院化学研究所、中国科学技术大学、华南理工大学、清华大学、西北工业大学、西安电子科技大学、天津大学、浙江大学、武汉大学、复旦大学、南京邮电大学、上海大学等单位在有机光电（高）分子材料和器件、发光与显示、太阳能电池、场效应管、场发射、柔性电子表征和制备、平板显示技术、半导体器件和微图案加工等方面进行了颇有成效的研究。近年来，华中科技大学在RFID封装和卷到卷制造、厦门大学在静电纺丝等方面取得了研究进展。

知名经济学家刘姝威在近日表示：“柔宇通过核心技术自主创新，开创了一个全新的柔性电子产业。

磁约束阻尼系统通过动态磁力与约束层、阻尼层和基本结构的耦合作用，对基本结构产生显著阻尼效应，从而实现有效的振动控制。本项目将针对板壳结构的特殊性，建立适用于减振分析的阻尼层本构模型、含有磁约束阻尼的板壳结构动力学模型，探索和建立有效的求解方法；深入研究各种关键因素与减振效果的关系和规律，建立参数选取优化方法；研究新型的阻尼层约束结构和磁约束方式，探索建立板壳结构磁约束阻尼的主、被动控制系统。磁约束阻尼系统与压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩元件等为机敏元件的系统相比，具有结构简单、易于实现，性能稳定可靠，控制作用效果强等优越性，是一种具有重要应用价值的人工阻尼系统；但目前在板结构中的应用探索还刚刚开始，而在壳体结构中的应用研究基础还基本是空白。本项目取得的成果，将为板壳结构磁约束阻尼系统的发展和应用提供有力的理论和技术支撑。 2100433B