多螺管复合结构超导储能磁体的漏磁场研究

论文摘要

随着电力系统的不断发展,SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage,超导磁储能系统)也逐渐步入人们的生产生活中。将SMES接入电力系统中,可以提高电力系统的稳定性、改善电能质量、提供系统备用容量、进行分散电源系统能量管理,相比于其他储能方式,还具有储能效率高、技术较简单、无机械转动损耗、响应速度快等优点。超导储能磁体作为SMES中的核心部件,起着接收、储存、快速分配电磁能的作用,因此越来越多的研究人员对其进行深入研究。当SMES储能量较大时,超导储能磁体在运行过程中会产生很强的漏磁场,这直接影响到周围敏感电子设备和工作人员的工作环境,对电子设备造成电磁干扰甚至损坏,对周围工作人员的安全造成威胁。因此,降低SMES运行中在周围产生的漏磁场十分重要。本文首先阐明了研究降低SMES运行中产生漏磁场的背景和意义,对SMES的工作原理及其组成部分做简要介绍,总结了SMES的发展及国内外研究现状。其次介绍了分析漏磁场所需的电磁场理论基础和有限元分析方法,介绍了对超导储能磁体进行建模仿真的有限元分析软件COMSOL Multiphysics,介绍了遗传算法和序列二次规划算法的相关知识以及结合两种算法的优点组合成的遗传序列二次规划法。再次介绍了超导材料的分类及选取,以经济性为目标,基于遗传序列二次规划法对单螺管型超导储能磁体的参数进行优化计算,并用COMSOL对其进行建模仿真分析,提取出距离磁体中心2m处的最大磁场强度。最后分析了超导储能磁体漏磁场的屏蔽原理,基于改变磁体结构来降低漏磁场的方法,设计了五种多螺管复合型结构超导储能磁体作为改进方案,并分别计算电感值,以经济性为目标,基于遗传序列二次规划法对磁体参数分别进行优化,利用COMSOL对五种改进方案的磁体进行建模仿真分析,提取出需对比分析的仿真数据。先分别从漏磁场大小、漏磁场分布以及经济性进行对比分析,再综合分析得出结论。结果表明,五种改进方案都可在一定程度上降低漏磁场,其中以方案五屏蔽效果最好,方案二有一定的屏蔽效果并且强漏磁分布在磁体上下两端的同时消耗的超导带材最少。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 SMES的结构及其组成部分
•   1.3 SMES国内外研究现状
•   1.4 论文的主要研究内容
• 2 超导储能磁体的磁场理论分析
•   2.1 电磁场理论分析基础
•   2.2 有限元分析法
•   2.3 COMSOL Multiphysics简介
•     2.3.1 COMSOL软件介绍
•     2.3.2 COMSOL磁场分析
•   2.4 优化算法
•     2.4.1 遗传算法
•     2.4.2 序列二次规划算法
•     2.4.3 遗传序列二次规划法
•   2.5 小结
• 3 单螺管型超导储能磁体
•   3.1 超导材料的选取
•   3.2 单螺管型储能磁体参数计算
•   3.3 单螺管型储能磁体建模及仿真分析
•   3.4 小结
• 4 漏磁屏蔽原理及线圈互感值的计算
•   4.1 超导储能磁体漏磁场屏蔽原理
•   4.2 相同螺管轴线平行共面放置的互感值计算
•   4.3 不同螺管轴线平行不共面放置的互感值计算
•   4.4 不同螺管同轴同心放置的互感值计算
•   4.5 相同螺管同轴不同心放置的互感值计算
•   4.6 不同螺管同轴不同心放置的互感值计算
•   4.7 小结
• 5 多螺管复合结构超导储能磁体改进方案的研究
•   5.1 方案一:“8”字形超导储能磁体结构
•     5.1.1 设计的理论思想及参数计算
•     5.1.2 建模仿真与结果分析
•   5.2 方案二:同轴双螺管形超导储能磁体结构
•     5.2.1 设计的理论思想及参数计算
•     5.2.2 建模仿真与结果分析
•   5.3 方案三:同轴嵌套双螺管形超导储能磁体结构
•     5.3.1 设计的理论思想及参数计算
•     5.3.2 建模仿真与结果分析
•   5.4 方案四:“8”字嵌套形超导储能磁体结构
•     5.4.1 设计的理论思想及参数计算
•     5.4.2 建模仿真与结果分析
•   5.5 方案五:同轴双组嵌套螺管形超导储能磁体结构
•     5.5.1 设计的理论思想及参数计算
•     5.5.2 建模仿真与结果分析
•   5.6 仿真对比分析
•     5.6.1 漏磁场大小分析
•     5.6.2 漏磁场分布情况分析
•     5.6.3 经济性分析
•     5.6.4 综合对比分析
•   5.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵腾跃

导师: 罗映红,周德才

关键词: 超导储能磁体,漏磁场,多螺管复合结构

来源: 兰州交通大学

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: 兰州交通大学

分类号: TM26

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000667

总页数: 65

文件大小: 9317K

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