基於磁耦合度的多導體系統互連參數提取及稀疏化研究

《基於磁耦合度的多導體系統互連參數提取及稀疏化研究》是依託上海電力大學，由夏能弘擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於磁耦合度的多導體系統互連參數提取及稀疏化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：夏能弘
• 依託單位：上海電力大學

項目摘要

部分元等效電路法（PEEC）在多導體系統數值模擬中的主要制約因素為提取的參數矩陣的高階性與稠密性，降階和稀疏化是實現模型縮減的有效手段。本項目提出一種基於磁耦合度的互連參數篩選算法。通過合理定義有效耦合距離，考慮多導體的禁止作用，以及有源與無源導體磁耦合的差別，構建科學的磁耦合度判據，篩除顯著小項，實現互連參數矩陣的稀疏化。提出一種基於雙指數函式和雙線性基函式的混合型分散式格線剖分方法，用三個維度且兼具非均勻性的分布函式替代傳統的體積元格線，在實現降階的同時，提高了格線與實際電磁場分布的匹配精度。對特定導體結構分別提出分級建模法、對稱建模法、中間復用法等模型縮減方法，可有效降低模型階數、提高參數提取效率、壓縮參數矩陣規模。最後，提出一種基於預條件處理和Krylov子空間的疊代求解法。該項工作為PEEC在大尺寸複雜多導體系統上的套用奠定了基礎。

結題摘要

本項目成功將PEEC法套用到大型導體結構的電磁建模和求解計算中，以超大尺寸海上風力發電機為研究載體，對風機塔筒進行格線剖分，提取其等效電阻、自感、互感，將導體塔筒轉化為由眾多支路互連構成的電路網路。重點解決了圓筒形結構剖分後，曲面導體片的自感以及片與片之間互感的量化問題。針對提取參數矩陣高階的問題，提出了一種參數篩選方法——球殼半徑加速法，通過選取合理的截取半徑，篩除矩陣中的顯著小項參數，實現參數矩陣的降階和稀疏化，大大加快了模型的求解速度和計算容量。數值驗證表明截取半徑為塔筒幾何尺寸70%左右時，可實現計算精度與計算速度的較好平衡。針對薄板狀導體，提出了一種基於趨膚效應的雙指數函式，用來描述導體中電磁參量的分布，通過導體表面電磁參數和分布函式即可表達導體內任意位置電磁分布值，避免了傳統的體積元格線剖分，大大減少了格線數，同時保證了格線精度。針對規則導體結構，通過分析其內部電磁分布規律，提出了對稱建模技術，可將建模對象壓縮到原始模型的四分之一，大幅減少了未知數提高了計算速度。計算結果表明該建模技術有效。通過構建風機完整雷電通道的電磁暫態模型，計算並觀察塔筒上等效支路的電流和節點電位，可了解雷擊過程中塔筒上的電氣回響特性，為開展風機防雷工作提供了技術支撐。本項目通過場路耦合的思路，將開放場空間的電磁耦合問題轉換為電路互感問題，將電磁場問題與電路問題統一到電路求解中來，為剖析導體內部電磁現象的本質提供了有力工具。