超导体的零电阻特性、高载流能力是超导技术能获得若干技术优势的根本原因。高温超导材料的出现,加快了超导技术的发展。目前,超导风机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁储能系统等超导电力装置均已研制出实验样机,部分装置已进入现场实验阶段。高温超导磁储能系统(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage, HTS SMES)作为众多超导电力装置中的一种,利用其四象限有功、无功功率的快速响应能力,在提高电力系统的稳定性、改善电能质量、提供系统备用容量和可再生能源发电并网等方面都能有所作为。因此,高温超导磁储能系统受到国内外研究机构的广泛关注。由于高温超导体具有复杂的电磁特性、力学特性和热学特性,高温超导储能磁体的设计具有一定的难度。目前已有的设计方法尚不成熟,设计目标过于单一,考虑因素过于简单,仿真模型不够精确,且一般按静态储能磁体设计,没有考虑SMES在功率交换中的电流动态变化。从己研制的HTS SMES的实验结果中发现,SMES在电流变化时产生的损耗不仅会引起严重的发热,而且会大大降低装置的功率交换效率,影响磁体冷却时的制冷功率要求。本文提出在SMES磁体设计中考虑SMES功率补偿时动态电流的作用,进行了考虑电磁动态特性的高温超导储能磁体设计研究,主要完成了如下工作：(1)在广泛调研了高温超导材料的特性参数、SMES的发展状况和HTS SMES磁体的设计方法后,总结了高温超导储能磁体的设计要点,提出了考虑电磁动态特性的高温超导储能磁体的设计思路。结合遗传算法和有限元方法,编写了高温超导储能磁体设计软件,并以150KJ磁体的设计为例,展示了考虑电磁动态特性的高温超导线圈的设计过程。(2)在分析和比较了现有的高温超导磁体的交流损耗计算方法后,提出了一种改进型的交流损耗计算方法,该方法利用等效相对磁导率来近似模拟超导体的抗磁性。利用改进后的损耗计算方法与H公式法计算了超导线圈在不同电流幅值、频率下的交流损耗。两种方法的损耗计算结果对比表明改进型的损耗计算方法在满足计算精度的同时,能大幅缩短计算时间。使得在磁体设计中可进行更精细的有限元划分,从而使实现考虑电磁动态特性的磁体设计成为可能。(3)提出了考虑电磁动态特性的SMES低温系统设计方法。分析了SMES磁体的运行工况、金属导冷件的几何参数对导冷件涡流损耗的影响。针对三种SMES潜在的应用工况,分别优化了高温超导磁体导冷件的几何参数。同时提出了SMES低温系统的技术经济评估方法,定义了定量评估低温系统技术经济性的指标参数。最后,以5MJ储能磁体为例对其低温系统进行了技术经济评估。该方法为低温系统设计提供了可定量评估的标准,对提高SMES低温系统的制冷效率和经济性具有重要意义。(4)为验证考虑电磁动态特性的高温超导储能磁体设计方法,以150kJ/100kWSMES的实验数据为实例,建立了150kJ/100kW高温超导储能磁体的热分析模型。计算了在功率交换过程中超导磁体的交流损耗和导冷件的涡流损耗,模拟了SMES在功率交换和降温过程中的温度变化,仿真结果与实验结果一致,验证了磁体设计方法的有效性。
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