超導(dǎo)體的零電阻特性、高載流能力是超導(dǎo)技術(shù)能獲得若干技術(shù)優(yōu)勢(shì)的根本原因。高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn),加快了超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。目前,超導(dǎo)風(fēng)機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力裝置均已研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī),部分裝置已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)階段。高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage, HTS SMES)作為眾多超導(dǎo)電力裝置中的一種,利用其四象限有功、無(wú)功功率的快速響應(yīng)能力,在提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)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(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。由于高溫超導(dǎo)體具有復(fù)雜的電磁特性、力學(xué)特性和熱學(xué)特性,高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的設(shè)計(jì)具有一定的難度。目前已有的設(shè)計(jì)方法尚不成熟,設(shè)計(jì)目標(biāo)過(guò)于單一,考慮因素過(guò)于簡(jiǎn)單,仿真模型不夠精確,且一般按靜態(tài)儲(chǔ)能磁體設(shè)計(jì),沒(méi)有考慮SMES在功率交換中的電流動(dòng)態(tài)變化。從己研制的HTS SMES的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),SMES在電流變化時(shí)產(chǎn)生的損耗不僅會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)熱,而且會(huì)大大降低裝置的功率交換效率,影響磁體冷卻時(shí)的制冷功率要求。本文提出在SMES磁體設(shè)計(jì)中考慮SMES功率補(bǔ)償時(shí)動(dòng)態(tài)電流的作用,進(jìn)行了考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體設(shè)計(jì)研究,主要完成了如下工作：(1)在廣泛調(diào)研了高溫超導(dǎo)材料的特性參數(shù)、SMES的發(fā)展?fàn)顩r和HTS SMES磁體的設(shè)計(jì)方法后,總結(jié)了高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的設(shè)計(jì)要點(diǎn),提出了考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的設(shè)計(jì)思路。結(jié)合遺傳算法和有限元方法,編寫(xiě)了高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體設(shè)計(jì)軟件,并以150KJ磁體的設(shè)計(jì)為例,展示了考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的高溫超導(dǎo)線圈的設(shè)計(jì)過(guò)程。(2)在分析和比較了現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)磁體的交流損耗計(jì)算方法后,提出了一種改進(jìn)型的交流損耗計(jì)算方法,該方法利用等效相對(duì)磁導(dǎo)率來(lái)近似模擬超導(dǎo)體的抗磁性。利用改進(jìn)后的損耗計(jì)算方法與H公式法計(jì)算了超導(dǎo)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(jì)算結(jié)果對(duì)比表明改進(jìn)型的損耗計(jì)算方法在滿足計(jì)算精度的同時(shí),能大幅縮短計(jì)算時(shí)間。使得在磁體設(shè)計(jì)中可進(jìn)行更精細(xì)的有限元?jiǎng)澐?從而使實(shí)現(xiàn)考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的磁體設(shè)計(jì)成為可能。(3)提出了考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的SMES低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。分析了SMES磁體的運(yùn)行工況、金屬導(dǎo)冷件的幾何參數(shù)對(duì)導(dǎo)冷件渦流損耗的影響。針對(duì)三種SMES潛在的應(yīng)用工況,分別優(yōu)化了高溫超導(dǎo)磁體導(dǎo)冷件的幾何參數(shù)。同時(shí)提出了SMES低溫系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法,定義了定量評(píng)估低溫系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)參數(shù)。最后,以5MJ儲(chǔ)能磁體為例對(duì)其低溫系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。該方法為低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可定量評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)提高SMES低溫系統(tǒng)的制冷效率和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。(4)為驗(yàn)證考慮電磁動(dòng)態(tài)特性的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體設(shè)計(jì)方法,以150kJ/100kWSMES的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為實(shí)例,建立了150kJ/100kW高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的熱分析模型。計(jì)算了在功率交換過(guò)程中超導(dǎo)磁體的交流損耗和導(dǎo)冷件的渦流損耗,模擬了SMES在功率交換和降溫過(guò)程中的溫度變化,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,驗(yàn)證了磁體設(shè)計(jì)方法的有效性。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(dǎo)帶材的臨界電流在磁場(chǎng)下具有很強(qiáng)的各向異性，臨界電流在垂直于帶材逡逑表面的磁場(chǎng)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(chǎng)的變化曲線ｔｗｉ，從圖中可Ｗ發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)帶材的臨界電流在垂直場(chǎng)下的衰減逡逑很劇烈，在溫度為７７Ｋ、垂直磁場(chǎng)大于０．５Ｔ時(shí)，帶材幾乎沒(méi)有通流能力。同樣在溫度逡逑為７７Ｋ、平行場(chǎng)為２Ｔ時(shí)，該帶材的臨界電流僅為７７Ｋ自場(chǎng)下的十分之一。逡逑４－，邐邐平e$場(chǎng)．Ｉ…」邐Ｉ邐垂直磁場(chǎng)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(dān)埃隋�？邋６６１＾邋＜逦７户辶x峽村澹玻澹耄義希酉摺�。。辶x希埃と紓翦

本文編號(hào)：2824163