《1mj高温超导储能磁体的设计方案研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1mj高温超导储能磁体的设计方案研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、书书书第! 卷 第#期低!温!物!理!学!报$ % & ! !( % #! ) ) #年* *月+, - ( . / .0 123 (4 51 65 17 8 .9: . 3 4 823 .: ,; / - + /( % ?!微型超导储能系统/ 9. /# 可用于改善电能质量和电力系统的动态稳定性! 但在应用中需满足漏磁场的要求! 本文主要以储能量为*9 0的超导储能磁体为例! 结合多种有源屏蔽型超导储能磁体的结构特点! 主要包括轴线平行$ 组合式环型! 研究了有源屏蔽微型超导储能磁体的方案对以上这两种类型的超导储能磁体进行了优化设计! 并对优化结果进行了比较分析关键词%高温超导!/ 9. /
2、! 环型磁体! 优化设计$ % & &% # #! ? )!) ! ? )*引!言近年来! 随着国民经济和科学技术的发展! 不仅电力需求量增大! 而且对供电质量也提出了更高要求超导储能系统/ 9. /# 可以高密度地储存电能! 并可快速向电力系统提供有功$ 无功功率! 可用于补偿负荷变动! 抑制频率波动及电压突降! 改善系统稳定性&*!在实际应用中还需考虑到漏磁场的要求! 所以有源屏蔽型超导储能磁体被广泛采用! 其中磁屏蔽效果以轴线平行和环型磁体较好&!本文基于9 A B & A C语言及其优化工具箱! 实现了超导储能磁体的优化程序包! 对以上这两种类型的超导储能磁体进行了优化设计! 并对设计
3、结果进行了比较分析!参数设计本文主要研究* 9 0环型和轴线平行超导储能磁体! 结构图如图*所示本文使用的高温超导带材为美国4 / +公司生产的高强度D E F ! ! ! 带材横截面尺寸参数为%) G * HH!图!为! ) I时高温超导带材的垂直场与临界电流的关系曲线! 即!#曲线因为单根带材的临界电流较低! 为达到储能要求! 磁体的电感会很大! 这样影响储能系统的反映速度! 所以本文采用* )根并联的方式&#加上包扎层的厚度!* )根并联后的尺寸为 G# HH!国家杰出青年科学基金 批准号%# ) ! ! # ! # 资助的课题. H A E &%J K L= ! H A E & E M
4、 M A N N O收稿日期%! ) ) # F ) F ! P#期杜晓纪等!* 9 0高温超导储能磁体的设计方案研究在磁体的绕制工艺中要考虑到绝缘 取填充系数为) = 因为是直流磁体 运行电流的安全系数设为) =#图*!环型磁体与轴线平行磁体图!带材的垂直场与临界电流的关系优化模型及实现以P单元环型磁体为例 把磁体的几何尺寸和运行电流设为未知量 以最小用线量为优化目标对环型及轴线平行磁体进行优化$P%约束条件为$%*& $)(&=*(其中$%*!) !)%P)*&* !*&* *&* *&* #*&* P(%!% Q!求时先求磁体的磁化曲线和带材的!#曲线的交点 纵坐标即为磁体的临界电流!由
5、公式%!% Q!求得基于9 A B & A C语言及其优化工具箱 实现了高温超导储能磁体的优化程序包 基本程序流程如下!*(设定初始值+) 包括磁体的几何尺寸和运行电流值#!(计算磁体用线量) 储能量和运行电流安全系数 此过程中使用高斯积分法粗略计算磁体的自感多次迭代后得到初步优化结果+*(以+*作为初始值 对磁体重新优化 此过程中改用磁链法计算磁体的自感 其他计算程序与!中相同得到最终优化结果+#(调用应力和热点温度计算模块对得到的优化结果进行校验如不符合则重新优化优化结果及分析作为参照 本文先对* 9 0单磁体进行了优化 优化目标和约束条件如上所述优化结果为!?#)*!低!温!物!理!学!
6、报! 卷表!内半径!H外半径!H高度!H工作电流!4超导线长度!H最大垂直场!8最大平行场!8电感!,! H处最大漏磁场!R S) * # ? ) P ? ) ) = * # ! =! P P #! ! ) * = ! !) = # P * = # # ) #对于环型和轴线平行磁体 在储能量为* 9 0的前提下 对各以下几种单元数目的磁体的环型半径和单元线圈的尺寸进行了优化 下表为环型磁体和轴线平行磁体的优化结果#表!类型环型磁体轴线平行磁体单元数P=* !* P!P单元线圈内半径!H) ! # = ? ) ! # ! ) ! # ! ) ! # P ) = P ) * ! ? ) ! ! P
7、 ) ! = ! ) ! * P )单元线圈内半径!H) ? ) # ) P * P ) ) ) = = ) ) ) ) * # ) # ) ) # # P ) ) = )单元线圈高度!H) ) P = ) ) P ! ) ) P = ) ) # = # ) ) # ) ! ) ) ! ) ) * ) ) P # ) ) ) P ! 环型半径!H) # # ) # ) ! ) ) ! ) ) ) # ) ) * ) ) ) # P ! ) P # * ) = ! # ?工作电流!4* # = =* P ) * P ! #* P = * = ! * = P )* # * P ) * P ! !超
8、导线长度!H = * ) P ) ! ! P * P P ) = = ! ? * ? P #最大垂直场!8* ? * !* = ?* # * # ) * ) ) ? * !* ? ? =* = * 最大平行场!8 * ? P ? ! * ) P P # * ) ! P ! ? ? ?电感!,) ? ! P ) ! ) # ) ) ) ! = ) P ) ! # ) # = ! ) = * ) ) P ? ) P ) #!米处最大漏磁场!R S! ! P ? # ) ? =) ) = # * # = ) ) * * P ? # # ! ) ? ! * ) ? 从表!中可以看出 环型磁体的! H处
9、最大漏磁场是同单元数目的轴线平行磁体的几十分之一 磁屏蔽效果明显$ 对于环型磁体 如图所示 随着线圈单元数的增加 磁体单元耦合得更加紧密 使大部分磁通被限制在线圈中 外部漏磁场迅速下降 而当单元数超过=后 漏磁场反而增大 这是与优化目标为最小用线量有关 如果以最小漏磁场为优化目标会得到更小的漏磁场$ 随着单元数目的增加 磁体的最大垂直场有明显下降 工作电流也随即提高 使得磁体电感值要求下降 所以在单元数超过P后 磁体所需带材量反而有所下降图!环型磁体漏磁场和单元数目的关系图!环型磁体最大垂直场和单元数目的关系)P)*#期杜晓纪等!* 9 0高温超导储能磁体的设计方案研究图#!环型磁体电感值和单
10、元数目的关系图P!环型磁体带材长度和单元数目的关系#结!论本文对* 9 0环型及轴线平行高温超导储能磁体进行了优化 经过对优化结果的分析得出了如下结论!*#环型磁体的磁屏蔽效果明显优于轴线平行磁体$!#对于环型磁体 以最小用线量为优化目标 优化结果的漏磁场会随着线圈单元数目的增加而下降 而当单元数超过=后 漏磁场反而增大$#当线圈单元数目超过P后 所需带材量会随单元数目的增加而减少*P)*!低!温!物!理!学!报! 卷!*; 8 A B S T B A#/I % S %#,4 C M#M BA &#U M M & % Q H M O B% V/ 9. /V % W: % X M W/ Y S
11、B M H+ % O B W % &#! $ $ $, - . / 0(1 2 32 4 5 6 7 0 8 2 6 - 9 / 7(#! ($! ) ) % !9$4X A W MA O JU / T B A O B %#/ 9. / V % W: W % B M N B E % O% VU E S B W E C T B M J+ W E B E N A &5 % A J S#! $ $ $, - . / 0(9 /: 9 ; 6 -#! )$! ) ) % !0 E, % % OI E H#/ M T O Z F Y % O Z, A O#M B A &#U M S E Z O% V A
12、! ) ) F 0,8 / 9. / Y S B M H#! $ $ $, - . / 0(1 2 2 4 5 6 7 0 8 2 6 - 3 9 / 7(#! $! ) ) !% *!8 A J A %. A E#; % % , % W E T N E#M BA % W % E J A & F 8 Y Q M/ E M & J E O Z+ % E &/ Y S B M H SV % WB M: % X M W/ Y S B M H + % O B W % &/ 9. /#! $ $ $, - . / 0(1 2 2 4 5 6 7 0 8 2 6 - 9 / 7(#! ($! )
13、) % #!#戴陶珍# 范则阳# 李敬东# 唐跃进# 舰船电力系统用*9 0高温超导环型储能磁体的设计研究# & 低温与超导 # 第 !卷# 第*期#! ) ) 年!月!P杜晓纪# 复合螺管式微型超导储能磁体的多目标优化# 中国科学院电工研究所硕士学位论文#! ) ) 年* $ + , % -. / 0 , 1 2* 3! #4 , 1 4+ /$ / 5 % + 6 5 /0 6 $ / 5 & * 2 . 6 & + , 2 1 % 1 2 / + , &/ 2 / 5 1 70 + * 5 % 1 /$0 / 0%#*#!U2- 41F 0-!#*#!_ ,41+4 -F ,1(R!#*
14、- 415-F ;.#*! / 0 ? 5 ? 8 ? 6 9 $ 4 6 ? - 5 . 4$ / A 5 / 6 6 - 5 / A#B C 5 / 6 0 61 . 7 6 D 9 E 5 6 / 6 0# 6 5 F 5 / A!* ) ) ) = )#!G - . 7 8 . ? 6E C 9 9 4 9 ? C 6B C 5 / 6 0 61 . 7 6 D 9 E 5 6 / 6 0# 6 5 F 5 / A!* ) ) ) ?$3 M N M E M J! P9 A W N #! ) ) #%!/ T Q M W N % O J T N B E O ZH A Z O M B E
15、 NM O M W Z YS B % W A Z M$/ 9. /%S Y S B M H X A SS B T J E M JV % WA Q Q & E N A B E % OE O B %Q % X M WS Y S B M HN % O B W % & S#S T N A SQ % X M W& E O MS B A C E & E A B E % OA O JN % H Q M O S A B E % O% V Q % X M W V & T N B T A B E % O 8 E SQ A Q M WH A E O & YJ M S N W E C M S B M% Q B E F
16、H E A B E % O% V * 9 0/ 9. /S % & M O % E JH A Z O M B S B %S B T J YB M% Q B E H E A B E % O H M B % J% V4 N B E M & Y/ E M & J M J 9 E N W %/ 9. /9 A Z O M B S 8 % W % E J A & N % E &#A O JA K E A & & Y F J E S Q & A N M JN % E &N % O V E Z T W A B E % O SX M W MQ W % Q % S M JB %W M J T N MB MV W
17、 E O Z MV E M & J% T B S E J MH A Z O M B#A O J% Q B E H E M JX E B % Q B E H E A B E % OQ W % Z W A H#A O JS % H MN % O N & T S E % O SX M W MQ W M S M O FB M JC YN % H Q A W E O ZB M% Q B E H A & W M S T & B S 8 9 : ; ?(,8 /#/ 9. /#8 % W % E J A & N % E & S#1 Q B E H A &J M S E Z O$ % & &( # # ? )#) ! ? )!P)* : W % L M N B S T Q Q % W B M JC YAZ W A O B V W % H ( A B E % O A &/ N E M O N M6 T O JV % WU E S B E O Z T E S M J; % T O Z/ N % & A W S$( % # ) ! ! # ! %
