超導體的零電阻特性、高載流能力是超導技術能獲得若干技術優(yōu)勢的根本原因。高溫超導材料的出現(xiàn),加快了超導技術的發(fā)展。目前,超導風機、超導電纜、超導限流器、超導變壓器、超導磁儲能系統(tǒng)等超導電力裝置均已研制出實驗樣機,部分裝置已進入現(xiàn)場實驗階段。高溫超導磁儲能系統(tǒng)(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage, HTS SMES)作為眾多超導電力裝置中的一種,利用其四象限有功、無功功率的快速響應能力,在提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善電能質量、提供系統(tǒng)備用容量和可再生能源發(fā)電并網(wǎng)等方面都能有所作為。因此,高溫超導磁儲能系統(tǒng)受到國內外研究機構的廣泛關注。由于高溫超導體具有復雜的電磁特性、力學特性和熱學特性,高溫超導儲能磁體的設計具有一定的難度。目前已有的設計方法尚不成熟,設計目標過于單一,考慮因素過于簡單,仿真模型不夠精確,且一般按靜態(tài)儲能磁體設計,沒有考慮SMES在功率交換中的電流動態(tài)變化。從己研制的HTS SMES的實驗結果中發(fā)現(xiàn),SMES在電流變化時產生的損耗不僅會引起嚴重的發(fā)熱,而且會大大降低裝置的功率交換效率,影響磁體冷卻時的制冷功率要求。本文提出在SMES磁體設計中考慮SMES功率補償時動態(tài)電流的作用,進行了考慮電磁動態(tài)特性的高溫超導儲能磁體設計研究,主要完成了如下工作：(1)在廣泛調研了高溫超導材料的特性參數(shù)、SMES的發(fā)展狀況和HTS SMES磁體的設計方法后,總結了高溫超導儲能磁體的設計要點,提出了考慮電磁動態(tài)特性的高溫超導儲能磁體的設計思路。結合遺傳算法和有限元方法,編寫了高溫超導儲能磁體設計軟件,并以150KJ磁體的設計為例,展示了考慮電磁動態(tài)特性的高溫超導線圈的設計過程。(2)在分析和比較了現(xiàn)有的高溫超導磁體的交流損耗計算方法后,提出了一種改進型的交流損耗計算方法,該方法利用等效相對磁導率來近似模擬超導體的抗磁性。利用改進后的損耗計算方法與H公式法計算了超導線圈在不同電流幅值、頻率下的交流損耗。兩種方法的損耗計算結果對比表明改進型的損耗計算方法在滿足計算精度的同時,能大幅縮短計算時間。使得在磁體設計中可進行更精細的有限元劃分,從而使實現(xiàn)考慮電磁動態(tài)特性的磁體設計成為可能。(3)提出了考慮電磁動態(tài)特性的SMES低溫系統(tǒng)設計方法。分析了SMES磁體的運行工況、金屬導冷件的幾何參數(shù)對導冷件渦流損耗的影響。針對三種SMES潛在的應用工況,分別優(yōu)化了高溫超導磁體導冷件的幾何參數(shù)。同時提出了SMES低溫系統(tǒng)的技術經(jīng)濟評估方法,定義了定量評估低溫系統(tǒng)技術經(jīng)濟性的指標參數(shù)。最后,以5MJ儲能磁體為例對其低溫系統(tǒng)進行了技術經(jīng)濟評估。該方法為低溫系統(tǒng)設計提供了可定量評估的標準,對提高SMES低溫系統(tǒng)的制冷效率和經(jīng)濟性具有重要意義。(4)為驗證考慮電磁動態(tài)特性的高溫超導儲能磁體設計方法,以150kJ/100kWSMES的實驗數(shù)據(jù)為實例,建立了150kJ/100kW高溫超導儲能磁體的熱分析模型。計算了在功率交換過程中超導磁體的交流損耗和導冷件的渦流損耗,模擬了SMES在功率交換和降溫過程中的溫度變化,仿真結果與實驗結果一致,驗證了磁體設計方法的有效性。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TM26
【部分圖文】：

Ｊｃ（７７Ｋ）的邋６？８邋倍。逡逑Ｂｉ系超導帶材的臨界電流在磁場下具有很強的各向異性，臨界電流在垂直于帶材逡逑表面的磁場下衰減最為明顯。圖２．１給出了日本住友公司Ｔｙｐｅ邋Ｈ帶材的臨界電流在不同逡逑溫度下隨磁場的變化曲線ｔｗｉ，從圖中可Ｗ發(fā)現(xiàn)超導帶材的臨界電流在垂直場下的衰減逡逑很劇烈，在溫度為７７Ｋ、垂直磁場大于０．５Ｔ時，帶材幾乎沒有通流能力。同樣在溫度逡逑為７７Ｋ、平行場為２Ｔ時，該帶材的臨界電流僅為７７Ｋ自場下的十分之一。逡逑４－，邐邐平e$場．Ｉ…」邐Ｉ邐垂直磁場邋Ｉ逡逑□含柴邐Ｓ邐，Ａ邐￣￣□邐２０Ｋ邋0邋３０Ｋ邋Ａ邐４０Ｋ｜邐逡逑３邋么%藉危等叮叮隋澹煎危常澹懾危懾澹皺危擔埃隋澹垮澹叮叮保掊澹煎危坊у義峽村澹玻澹耄義希酉摺�。。辶x希埃と紓翦

本文編號：2824163