空芯螺管型超导储能磁体的优化设计方法

微、小型超导储能系统由于运行操作灵活性和制造工艺简单而在电力系统中具有广泛的应用前景。作为超导储能系统的关键部件 ,储能超导磁体的优化设计 ,不仅应从技术上保证超导储能系统运行的安全可靠性 ,而且应能最大限度地降低制造成本。本文针对超导储能磁体系统的基本组成单元———螺管型超导磁体 ,从磁体绕组的基本参数如绕组厚度、径高比的变化出发 ,分析了螺管型储能超导磁体的储能效率 ,提出了螺管型超导储能磁体的优化设计方法。

300MJ环状高温超导储能磁体的优化设计

介绍了300M J环状高温超导储能磁体优化设计的步骤。为了提高优化设计的效率,减少常规寻优方法的计算量,将改进的粒子群优化算法引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行300M J环状储能磁体设计的优化结果,并采用商用电磁场有限元分析软件ANSYS对本文关于环状螺线管系统磁场、能量计算方法的正确性进行了验证。

电力系统动模实验用50kJ高温超导储能磁体的设计研究

介绍了 2 0 K下对电力系统动模实验用 5 0 k J高温超导储能磁体的设计步骤 ,给出了用 Bi- 2 2 2 3单根超导带进行5 0 k J磁体线圈的设计和优化结果 ,分析了高温超导体的各向异性对磁体临界电流的影响和磁体漏磁的分布 ,并讨论了用单根高温超导带组成的超导体和用多根高温超导带组成的超导体设计的储能磁体的特性参数对改善电力系统动态特性的能力的影响。

基于大电流脉冲的超导储能磁体快速放电方法研究

常规的超导储能磁体放电方法不能满足磁体快速放电的要求,而且放电瞬间还会在磁体两端产生高峰值的过电压脉冲,这对磁体的安全是一个隐患,因此寻找快速、安全的放电方法具有一定的现实意义。通过理论分析,笔者研究了在直接放电方法基础上加入电阻性和电容性两种转换电路的可行性。仿真结果表明:两种不同类别的转换电路与直接放电方法相比,不仅放电速率明显提高,还能有效抑制过电压。加入电阻性或电容性转换电路后,磁体中的能量转移更加迅速,输出的电流脉冲峰值更高,对同类超导储能磁体放电研究提供了重要的参考依据。

高温超导储能磁体导冷片涡流损耗分析

高温超导储能(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage,HTS-SMES)磁体装置可有效提高电力系统的稳定性、改善电能质量。储能磁体是储能装置的关键部分,为提高超导储能磁体的热稳定性,通常在超导磁体中增设铜导冷片。磁体充放电时在导冷片上会产生涡流损耗,损耗的大小严重影响磁体的超导特性,因此降低导冷结构的涡流损耗是提高磁体热稳定性的关键因素。运用有限元法(FEM)分析导冷片上的涡流损耗,在Ansoft仿真软件三维瞬态场中模拟磁体充电过程中导冷片的涡流损耗,结果表明:充电模式下,完整导冷片涡流损耗为1.45W;沿径向开缺口处理后涡流损耗为0.107W;导冷片内环、中部、外环开齿槽后涡流损耗分别为0.49、0.41、0.1242W。由此可得,对于导冷片的开齿槽处理可显著降低涡流损耗,且内部开齿槽的效果最佳。

高温超导磁储能(SMES)磁体直接冷却热输运过程研究

随着高温超导材料与低温技术的发展,采用制冷机直接冷却已经成为高温超导应用的发展方向,而界面热阻则直接影响着超导器件的冷却效率和运行可靠性,因此减小和控制低温界面热阻是实现超导系统直接冷却的技术关键。对直接冷却高温超导磁体从室温冷却到49 K低温的热输运过程进行了理论分析和实验研究,磁体冷却实验结果和理论分析符合较好,通过直接冷却实验所达到的最低温度特性和过程分析,证实从微结构低温工程学的角度研究界面热阻、探索超导直接冷却最佳热耦合机制是高温超导应用基本而重要的科学问题之一。

高温超导储能磁体多物理场解耦设计

针对在高温超导储能磁体设计中多物理场耦合分析问题,本文提出了一种面向有限元分析的解耦优化设计方法,并以一台150kJ/100kW高温超导磁储能磁体为例进行了有限元仿真验证。本文首先梳理了高温超导储能磁体的多场耦合关系,提出在材料物性关系和多场耦合关系中分别以温度和电磁场为主导因素;进而归纳得出,磁体易失超危险区分布及解耦分析中多物理场数据流向设计,是设计过程中的关键问题,并给出了分析策略;最后按照逻辑合理、工作量最省的原则提出了解耦综合优化主流程,及针对易失超危险区的优化建议。

超导储能混合磁体的失超检测

针对超导储能混合磁体的特点,设计了一套用于超导储能混合磁体的失超检测与保护系统。系统采用数字失超检测方法,利用高性能的数字采集卡NI-6224,快速可靠的检测到磁体失超;并通过卸能电阻可变的卸能回路实现磁体的失超保护,极大地加速了磁体电流的衰减,提高了移能效率,减小失超区的温升。

配电网中高温超导储能系统(HTS-SMES)的电力集成应用

提出了一种用于配电网模块式集成的高温超导储能系统(HTS-SMES),设计了级联式1MJ/500kVA/10kVHTS-SMES的系统结构和运行原理。模块式高温超导储能系统(SMES)的电力集成主要包含3部分,一是MJ级的高温超导储能磁体,设计了12单元模块组合式环形高温超导储能磁体,解决了其漏磁场问题;二是用于磁体直流电流与逆变器直流电压变换的DC-DC换流器,提出了一种不对称级联式电流调节器,解决了其关断损耗问题;三是用于直流电压与交流电压变换的并网DC-AC逆变器,采用了级联式逆变器结构,解决了高压和波形质量。最后,对于1MJ/500kVA/10kV模块式集成SMES进行了仿真试验,验证了其有效性。

制冷机直接冷却高温超导磁体的实验研究

利用 5W / 2 0KGM制冷机对高温超导磁体 (HTS SMES)进行了直接冷却实验研究 ,HTS磁体用Bi 2 2 2 3带材绕制 ,内径 72mm ,外径 112mm ,高 110mm .高温超导磁体经过 16h冷却 ,达到 2 5 .4K低温温度 .磁体轴向温差为 2 .8K ,径向温差小于 1K .实验表明 ,设计的高温超导磁体直接冷却结构和实验装置是可行的 ,为高温超导磁储能磁体直接冷却取得了理论分析依据和实验数据 .

经复合树脂浸渍的超导磁体应力应变分析

采用复合树脂浸渍是提高超导储能磁体机械稳定性的有效手段之一,但是固化工艺条件会产生机械热应力,经复合树脂浸渍的超导磁体在预冷过程和通电运行过程中也会产生机械热应力或电磁力。为了分析储能磁体受力情况,本文通过COMSOL有限元软件建立储能磁体模型,研究磁体绕制过程中热应力和运行过程中电磁力对磁体结构应力应变的影响。结果表明,浸渍固化工艺过程中超导带材最大形变为0.23%,热应力没有对超导带材造成不可承受的损伤;在低温预冷过程中复合树脂最大形变2%,可为超导线圈提供一定预应力;在电磁力与热应力耦合作用过程中,超导带材最大形变0.017%,超导磁体的力学稳定性没有被破坏。

新型级联式超导储能变流装置的试验

提出并设计了一种具有级联型Boost拓扑结构的新型超导储能变流装置,用于超导储能系统的能量输出控制,通过一系列试验研究,证明该新型变流装置不仅可以将超导磁体中不断衰减的电流转化为恒定的电压输出,而且可以在现有的低温绝缘技术水平基础上提高磁体的输出电压和释能效率;同时也为超导储能磁体系统在未来的大规模应用积累了很多宝贵的试验数据和经验。

高温超导SMES磁体直接冷却的热分析

用G-M制冷机(5W/20K)将Bi2223带材绕制的SMES超导磁体,在10^(-3)Pa真空度下,从常温300K左右冷却到25K,得到了磁体冷却过程速率和磁体温度分布。在实验研究超导磁体降温特性的基础上,对SMES磁体的冷却过程进行了热分析,实验研究表明为使超导磁体有效地冷却和稳定运行,除了减小磁体漏热和其内部发热,有效控制热传导部件间的接触界面热阻是高温超导直接冷却磁储能装置研发应用中的关键技术问题。

一种机械型超导开关的设计与初步实验

文中所述机械型超导开关是一种新型超导开关,其主要用做超导储能磁体的持续电流开关(persistentcurrent switch,简称PCS)。文章简要介绍机械型超导开关的原理并计算PCS的损耗,然后详述机械型超导开关的设计,最后描述初步实验结果。

基于MPC的SMES多目标控制

模型预测控制(model predictive control,MPC)性能优越,响应迅速而且可实现多目标控制,已受到广泛关注并逐步应用于大功率变流器,特别是在具有高功重比的超导储能磁体(superconductor magnetics energy storage,SMES)控制系统中,应用前景十分广阔。本文提出的基于MPC的SMES多目标控制,不仅实现SMES线圈在储能时较高精度的电流跟踪,同时可控制SMES线圈充放电时电流变化速率,避免较大的电流冲击,而且能够提高其响应速度与精度。通过搭建仿真实验平台验证了本文提出的SMES系统储能稳流性能、功率平衡稳定性能、动态性能以及充放电速率的控制性能。并与基于PI控制的系统进行比较,结果表明基于模型预测控制的SMES系统不仅可以实现稳态时较高精度的电流跟踪,而且可以实现充放电时电流变化速率的控制。

高温超导环形储能磁体参与电网AGC调频服务的经济性分析

为提高区域电网整体调频能力,满足电网稳定性要求,将高温超导环形储能磁体应用到电网进行AGC调频服务。本文首先建立了参与电网AGC调频服务的高温超导环形储能磁体模型,并提出了储能系统的成本模型、补偿效益模型及净收益模型,然后在调频储能电站净收益最大化控制策略的约束条件下,基于电网实际下发的典型日某时段AGC指令,对净收益模型进行时序仿真,求解净收益的最优值。最后针对不同容量、不同使用寿命的储能系统进行了经济性评估,为高温超导储能磁体系统的调频规划、高效经济运行提供有效参考。

粒子群算法改进及在高温超导磁体优化设计中的应用

本文阐述了基本粒子群优化方法及其改进,选用测试函数对该算法及其改进算法的寻优性能作了对比;并利用Comsol软件对单螺线管超导储能磁体进行了电磁计算,阐述了磁场垂直分量最大值的位置及高温超导磁体的磁场垂直分量对临界电流的影响;最后将各种优化方法应用于高温超导磁体的设计中。经联合仿真优化,高温超导磁体减小了体积,提高了材料利用率,节约了材料用量,并减小了制冷时所消耗的电源功率。