高温超导磁储能磁体的优化设计

论文摘要

高温超导磁储能（HTS-SMES）系统具有储能密度高、功率密度高、功率补偿能力强、制冷成本低等优点,在改善电力系统供电品质、提高电力系统稳定性等方面具有独特优势。高温超导储能磁体是HTS-SMES的核心部件,其电磁优化设计有利于提高磁体的储能总量和储能密度,增加设计的经济性和合理性,因此对HTS-SMES磁体进行电磁优化显得尤其重要。Bi系超导材料在HTS-SMES中有较为成熟的应用,但其明显的电磁各向异性使其不可逆场很低,临界电流易受到磁场的影响。与Bi系超导材料相比,YBCO具有较好的高温磁场特性、较高的临界电流密度特性和较弱的电磁各向异性,因此是设计高温超导储能磁体的更佳材料。单螺线管形磁体、平行多螺线管形磁体和环形磁体是三种用于SMES磁体设计的基本结构,其中单螺线管磁体具有材料利用率高、储能密度高等优点,结合设计需要,本文选用单螺线管形磁体作为超导磁体的设计结构。本文以单螺线管超导储能磁体的结构参数作为设计变量,以体积能量密度作为优化目标,以模拟退火遗传算法作为优化算法,利用COMSOL软件的LiveLink for MATLAB数据接口,建立基于MATLAB和COMSOL的联合优化算法,用于计算77K运行温度、给定500m超导带材下的单螺线管超导磁体的最优化几何参数。根据单螺线管超导储能磁体的磁场分布,采取阶梯状截面的磁体结构改变磁体的磁力线路径,降低最大径向磁场,提高磁体的临界电流和体积能量密度。和单螺线管形超导磁体相比,内阶梯状截面磁体、外阶梯状截面磁体和内外阶梯状截面磁体的体积能量密度分别提高了4.623%、6.868%和9.713%,得出内外阶梯状截面磁体在提高体积能量密度方面有更好的效果。根据内外阶梯状截面磁体的径向磁场分布,计算不同阶梯高度处所允许通入的最大电流并施加阶梯电流。在磁体结构不变的情况下,施加不同阶梯电流的内外阶梯状截面超导磁体的体积能量密度增加了8.459%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 HTS-SMES研究现状
•     1.2.1 国际SMES研究现状
•     1.2.2 国内SMES研究现状
•   1.3 高温超导储能磁体设计方法的国内外现状
•   1.4 论文所做的内容
• 第2章 高温超导磁体设计分析
•   2.1 引言
•   2.2 高温超导磁体的电磁优化设计基础
•     2.2.1 电磁场分析基础
•     2.2.2 超导体电磁本构关系
•   2.3 COMSOL软件
•     2.3.1 COMSOL部分模块介绍
•     2.3.2 COMSOL基本建模过程
•   2.4 本章小结
• 第3章 超导磁体电磁优化设计方法
•   3.1 引言
•   3.2 高温超导磁体设计的准备工作
•     3.2.1 高温超导材料的选择
•     3.2.2 高温超导带材的选择
•     3.2.3 高温超导磁体结构形式的选择
•     3.2.4 高温超导储能系统储能策略
•     3.2.5 超导磁体设计评价指标
•     3.2.6 高温超导磁体临界电流的确定
•   3.3 电磁优化设计思路
•     3.3.1 单螺线管高温超导磁体的电磁优化思路
•     3.3.2 两种常见的超导磁体优化思路
•   3.4 超导磁体电磁计算模型的建立
•   3.5 电磁设计优化算法
•     3.5.1 遗传算法
•     3.5.2 模拟退火法
•     3.5.3 模拟退火遗传算法
•     3.5.4 基于MATLAB和 COMSOL的高温超导磁体联合优化算法
•   3.6 本章小结
• 第4章 高温超导磁体优化结果及提高储能密度的方法研究
•   4.1 引言
•   4.2 单螺线管高温超导磁体的电磁优化
•     4.2.1 单螺线管超导磁体的设计变量
•     4.2.2 基于MATLAB和 COMSOL的联合仿真模型
•   4.3 单螺线管高温超导磁体优化结果
•     4.3.1 基于MATLAB和 COMSOL的联合优化算法的优化结果
•     4.3.2 磁体高度对体积能量密度的影响
•     4.3.3 超导磁体的磁场分布
•   4.4 阶梯状截面储能磁体
•     4.4.1 阶梯状截面超导磁体优化理论
•     4.4.2 内外阶梯状截面磁体的优化结果
•     4.4.3 阶梯差对体积能量密度的影响
•   4.5 施加阶梯电流提供体积能量密度
•     4.5.1 施加阶梯电流的原理分析
•     4.5.2 内接阶梯截面磁体的磁场分布
•     4.5.3 阶梯电流作用效果分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 计算超导磁体磁感应强度的数值方法
• 附录2 攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 晁盖

导师: 房淑华,曹胜华

关键词: 高温超导,高温超导储能系统,模拟退火遗传算法

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,电力工业

单位: 东南大学

分类号: TM26

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002577

总页数: 66

文件大小: 4212K

下载量: 64