高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证．本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响，用Bi2223超导带材绕制了（一个由20个双饼组成的高温超导磁体，用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗．并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析．在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量，测量结果与数值仿真结果相当吻合．利用高温超导体临界电流此非线性模型，本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟．     

平行场下的SMES磁体磁滞损耗计算模型的分析

本文首先介绍了单芯高温超导带材交流损耗的机理,然后以SMES磁体磁滞损耗计算为例,分析了两种单芯超导带材磁滞损耗计算模型的计算结果,发现在不同场强范围内两种模型计算结果有明显的差异,并给出了计算交流损耗时两种模型的适用范围.最后简要说明了两种模型计算结果不同的原因.     

1MJ高温超导储能-限流磁体导冷件涡流损耗的计算分析

应用三维涡流场有限元方法,对1MJ高温超导储能-限流磁体的传导冷却结构件进行了涡流损耗的有限元仿真计算与分析。研究了导冷片涡流损耗的抑制方法,给出了导冷片、导冷母排和冷头导冷盘等主要导冷件的涡流损耗及分布情况。并且依据研究结果进行了导冷件的优化设计,最大限度的减轻了制冷机负担,减小了对磁体本身性能的影响。     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证.本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响,用Bi2223超导带材绕制了(一个由20个双饼组成的高温超导磁体,用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗.并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析.在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量,测量结果与数值仿真结果相当吻合.利用高温超导体临界电流此非线性模型,本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟.     

分磁环对高温SMES磁体交流损耗的影响研究

高温SMES磁体的交流损耗是制约其投入实际应用的因素之一,交流损耗的大小与超导导线所承受的磁场位型关系紧密,加装分磁环是改变超导磁体磁场位型的手段之一,因此对交流损耗的抑制也有实际意义.文中对高温SMES螺线管磁体进行了有限元建模,阐述了分磁环对减小超导磁体交流损耗的原理,分别计算了超导磁体在加装分磁环与未装分磁环下交流损耗的大小、分布,分析了分磁环的降损率参数r随磁体电流的变化规律,并对提高分磁环降损率的关键问题进行了探讨.     

高温超导磁体指数损耗分析

本论文对高温超导磁体指数损耗(HTS index loss)的特点进行了分析.通过数值模拟,研究了由20个双饼组成的高温超导磁体在20k的温度下磁体的指数损耗,对每个双饼以及每匝线圈的指数损耗进行了计算,对整个磁体的指数损耗随电流变化情况进行了研究.在磁体的两端加上铁轭改变磁场的分布后,可以看出,铁轭可以有效地减少磁体上的指数损耗.     

1MJ高温超导储能磁体的设计方案研究

微型超导储能系统（SMES）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1MJ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．     

高温超导SMES磁体的失超检测研究

失超保护是保证磁体安全运行的重要措施,而失超检测是失超保护正常动作的前提。由于SMES磁体运行工况的特殊性,现有失超检测方法在失超信号提取上遇到电磁噪声干扰严重的问题。文中针对高温超导SMES的运行工况,对电桥检测法进行了改进,通过对电桥信号的滤波设计解决电磁噪声干扰,设计了一套适用于高温超导SMES磁体在交变电流情况下的失超检测系统,同时进行了高温超导磁体的失超检测实验。实验结果表明,此系统能快速、准确地检测失超信号,并输出保护动作信号。     

制冷机传导冷却固氮保护的高温超导磁体系统的研究进展

简要的回顾了制冷机传导冷却固氮保护的高温超导磁体系统的发展历史,介绍了此磁体系统的特点,并展望其未来发展趋势。     

不同排布和通流下高温超导电缆交流损耗研究

运用实验的方法,系统研究了在堆叠与并列两种排布方式下YBCO和Bi2223两种高温超导电缆关于电流方向的交流损耗特性,并进行了分析比较。研究表明,在堆叠的情况下,反向电流的交流损耗大于同向电流的交流损耗,两者保持一定的比列;并列的情况下,同向电流的交流损耗大于反向电流的交流损耗,且随着电流的增大,两者的差异在逐渐减小。在堆叠的情况下,YBCO同向电流的交流损耗和反向电流交流损耗的差异远大于Bi2223。     

5kJ高温超导环型储能磁体电磁优化设计

电磁优化设计在高温超导磁体的设计中占有至关重要的地位。文中应用MATLAB中的遗传算法工具箱并结合ANSYS有限元仿真计算,对高温超导储能磁体进行了电磁优化设计,给出了用AMSC公司生产的YBCO带材进行储能量为5kJ的环型磁体的电磁优化设计的结果,并对优化设计的结果进行了分析和总结。     

智能化高温超导储能系统变流器监控系统设计

针对超导储能系统的变流器,设计了具有人机交互功能的监控系统。该监控系统采用微控制器+数字信号处理的形式。微控制器用于实现监控系统液晶终端人机交互界面,数字信号处理器用于采集实时数据、处理数据和功率器件开关管控制。给出了变流器监控系统设计的原理、硬件电路设计、软件设计。监控系统运行结果表明设计的超导储能系统变流器监控系统可以很好的实现对变流器运行状态的实时、可靠监测与控制。     

超导储能系统的失超检测

超导磁体的失超检测与保护是超导电力技术实用化的一个重要课题。文中针对超导储能系统的特点,设计了一套用于超导储能(SMES)磁体的失超检测系统。该系统采用有源功率检测方法,通过对超导磁体上产生的失超信号进行隔离、放大、滤波以及比较等,实现失超信号的检测。实验结果表明,该失超检测系统能够及时准确的检测到失超信号,为超导储能系统的失超保护提供了可靠的前提条件。     

超导储能系统失超保护实验研究

介绍了超导储能系统的失超保护实验,分别对实验装置、失超保护系统、实验连线以及实验电路四个方面进行了阐述。在超导储能系统运行过程中,通过测量在磁体电流超过临界电流情况下,失超保护系统中失超电压及电流的变化曲线,分析了不同充电电流对磁体阀值电压的影响以及在磁体参数改变下失超保护系统的适用情况。实验结果表明,失超保护系统能快速、准确地检测失超信号,并进行保护动作。同时,实验数据的统计也说明了不同的充电电流速度对阀值电压没有产生影响。     

磁控式超导开关在SMES中的运用研究

超导开关是SMES系统稳定闭环运行的关键设备,通过对磁控式超导开关原理研究,分析超导开关的工作特性,运用PSCAD和ansoft软件,建立具有超导开关的闭环运行SMES系统,进一步研究磁控式超导开关和SMES系统的配合,为磁控式超导开关的设计提供参考。     

Power oscillation suppression by robust SMES in power system with large wind power penetration

The large penetration of wind farm into interconnected power systems may cause the severe problem of tie-line power oscillations. To suppress power oscillations, the superconducting magnetic energy storage (SMES) which is able to control active and reactive powers simultaneously, can be applied. On the other hand, several generating and loading conditions, variation of system parameters, etc., cause uncertainties in the system. The SMES controller designed without considering system uncertainties may fail to suppress power oscillations. To enhance the robustness of SMES controller against system uncertainties, this paper proposes a robust control design of SMES by taking system uncertainties into account. The inverse additive perturbation is applied to represent the unstructured system uncertainties and included in power system modeling. The configuration of active and reactive power controllers is the first-order lead–lag compensator with single input feedback. To tune the controller parameters, the optimization problem is formulated based on the enhancement of robust stability margin. The particle swarm optimization is used to solve the problem and achieve the controller parameters. Simulation studies in the six-area interconnected power system with wind farms confirm the robustness of the proposed SMES under various operating conditions.     

Identification of magnet and superconductor contributions to the ac loss in a magnet-superconductor levitation system

By measuring the quality factor of the mechanical oscillator with an attached magnet we investigated the amplitude dependence of the energy loss in a permanent magnet-YBCO superconductor system. When a non-conducting ferrite magnet is used the energy loss is proportional to the amplitude to the 2.79 power. This value is close to the value of 3 expected for the hysteretic motion of flux lines from the Bean model. When a conducting magnet is used the exponent decreased to the value of 2.5. This reflects the contribution of eddy current dissipation in a conducting magnet to the overall loss. We identified a novel mechanism of ac loss in the magnet-superconductor system. According to this mechanism the eddy current in a magnet is induced by the ac field generated by the ac supercurrent in response to the motion of a magnet. This mechanism would take place in a rotary bearing if circumferential inhomogeneity of the rotor magnetization occurred.     

Low frequency properties of micro power generator using a gold electroplated coil and magnet

Micro power generating devices were fabricated by using a gold electroplated coil and a permanent magnet. The electrical power was generated when the magnet reciprocated on the fabricated electroplated coil. The output power was increased as a function of vibration frequency. A measurement system, which convert a rotational motion of a motor into a linear motion, was designed and fabricated. The purpose of this work is to develop the micro power generating devices which convert the ambient vibration or oscillating energy into useful electrical energy. With changing vibration frequency from 0.5 to 8 Hz, the generated power increased linearly. The generated voltage was 106 mV at 3 Hz and 198 mV at 6 Hz. After using the step up circuit, the measured voltage was 81 mV at 3 Hz and 235 mV at 6 Hz. From above the frequency of about 4.5 Hz, the gain obtained by using the quadrupler circuit becomes larger than the loss without using that circuit.     

CFQS装置准环对称测试用磁体电源系统设计

CFQS装置是中国西南交通大学(SWJTU)和日本国家核融合科学研究所(NIFS)联合设计制造的中国首台准环对称仿星器,为满足装置0.1 T稳态运行的实验要求,需要为其磁体线圈设计相应的电源系统。本设计方案考虑工程实际估算线路阻抗,考虑工程裕度、电源以负载参数的1.2倍进行计算,并建立电源系统的Simulink仿真模型,分析负载电流纹波大小及网侧谐波含量。根据仿真结果优化设计方案,通过在直流侧增加无源滤波器,减小输出电流纹波,分析直流侧电压代数形式,计算滤波器参数,并仿真调节得到更加符合实际需求的滤波器参数,满足装置准环对称位形的分布磁场精度对磁体线圈电流纹波的要求。     

电力系统用高温超导磁体的热稳定性分析

为了研究高温超导磁体在电力系统应用中的运行状态,在建立了高温超导磁体在交变电流运行下的分析模型的基础上,对磁体温度场进行有限元分析,给出了磁体在交变电流运行下磁体内部的温度分布,探求了磁体的安全工作电流,提出了改善磁体热稳定性的措施,对直接冷却、饼式结构的高温超导磁体研制有一定参考意义。