MJ级高温超导储能磁体的多物理场设计研究

作     者：耿国丽 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方进

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：高温超导 环型储能磁体 复合导体 临界电流 耦合仿真 浸渍固化 

摘      要：随着新能源的接入与智能电网的发展,影响电能质量的因素不断增加。超导储能系统可以有效的平衡电力系统的负荷波动,维持电压和频率的稳定性,并且能够减少电力系统的低频振荡,因此将其应用在电网中有效的提高了电能质量。超导储能磁体作为整个储能系统的核心部件,其运行稳定性很大程度上决定着整个储能系统的稳定性,所以在设计中储能磁体在电磁、温度、力学等各物理场中的性能一直是设计者紧密关注的指标,有鉴于此,储能磁体的多物理场综合分析设计在实际工程中具有重要意义。本文首先对高温超导储能磁体在自然充电、储能、放电三种工作状态模式下进行分析,得到磁体电流与储能量随时间的变化关系,然后针对大容量储能磁体设计了通过SPWM控制策略控制斩波器从而完成磁体的受控充放电工作,基于数字化控制方式实现三种工作模式的切换,根据等效电路在MATLAB中Simulink平台搭建受控充放电仿真模型,结果表明受控放电电压越小,放电时间越长,电流曲线越平缓。为了满足高温超导储能磁体的高载流密度需求,选择复合导体来绕制储能线圈。首先仿真分析TSTC、CORC、Roebel三种常规复合导体的电磁特性,结果表明TSTC复合导体纽绞处磁通密度大,CORC磁场分布与带材绕制在骨架上的分布位置相关,Roebel导体磁通密度分布整体较为均匀,然后实验分析了三种常规复合导体的临界电流。最后综合考虑经济经以及后期绕制以及浸渍固化工艺选择四根带材堆叠的TSTC复合导体作为本设计的储能线圈绕制导线。除了磁体自身损耗,外部导冷部件产生的损耗也是系统中主要的热量来源。根据涡流损耗分布确定磁体的导冷片结构为内部开齿槽结构;通过电热偶合模型分析不同环氧树脂绝缘材料自身温度特性以及对超导线圈温度特性的影响,选择温度梯度最小的c型树脂基材料作为本设计的浸渍材料;通过多物理场耦合分析,求解在磁体动态稳定运行中的电磁、温度、洛伦兹力的分布参数,再结合不同充电速率时的仿真结果,综合得到储能单元靠近磁体中心为薄弱区域,基于此提出在设计中针对该区域加强设计或者设计能够够定期旋转储能单元的骨架,避免磁体局部长期工作在强磁场高温环境。最后绕制双饼线圈进行浸渍工艺实验研究,验证仿真选型的环氧树脂材料对磁体性能的影响以及在低温下的稳定性,分别采用真空压力浸渍和浸泡式浸渍完成线圈A和B的浸渍固化,测试临界电流相比浸渍之前的电流衰减量分别为2.08%和3.16%,验证了新型环氧树脂材料在实际应用中的可行性。