【摘 要】
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超导磁储能系统能够实现电能和磁能的快速转化,实现毫秒级的功率响应,可以有效改善电力质量、提高电力系统稳定性。超导磁体是超导磁储能装置的核心部件,其稳定性关系着整个装置能否安全运行。目前国内外已完成或正在实施的超导磁储能项目,并未考虑储能磁体在执行指令时的自身安全状态和可响应能力。当电网处于某些极端工况时,可能对储能系统发出超过磁体承受能力的响应指令,使超导磁体产生较大的交流损耗,引起磁体温升,进而
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“基于多参量融合的高温超导磁体在线运行安全状态评估方法研究及实验验证”; 中船重工 712 研究所项目“大容量高温超导储能系统方案论证”; 国家重点研发计划资助(编号:2021YFB3800200);
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超导磁储能系统能够实现电能和磁能的快速转化,实现毫秒级的功率响应,可以有效改善电力质量、提高电力系统稳定性。超导磁体是超导磁储能装置的核心部件,其稳定性关系着整个装置能否安全运行。目前国内外已完成或正在实施的超导磁储能项目,并未考虑储能磁体在执行指令时的自身安全状态和可响应能力。当电网处于某些极端工况时,可能对储能系统发出超过磁体承受能力的响应指令,使超导磁体产生较大的交流损耗,引起磁体温升,进而使其临界电流下降,甚至失超。现有超导磁体失超保护方法多采用被动保护,无法完全避免失超对磁体产生的损坏。本文以环型超导磁体为研究对象,以提高超导储能磁体的安全稳定性为目标,研究超导储能磁体的状态评估方法(本文的状态评估特指对储能磁体温度和可响应能力的评估)及控制策略,提出超导磁体的主动保护方法。具体的工作内容及成果如下:(1)提出了“平行条形”的导冷板结构,提高了储能磁体的响应效率。针对金属导冷板涡流损耗大的问题,设计了“平行条形”导冷板结构,导冷板与线圈中心对应的位置做挖空处理,其余位置进行等间隔切缝处理。通过减小涡流区域,将导冷板的涡流损耗降低了90%以上。(2)提出了环型超导磁体交流损耗计算方法,解决了该种磁体交流损耗计算困难的问题。该方法通过三维模型计算线圈磁场,提取三维模型的边界磁场做为二维模型空气域的边界条件,再用二维模型计算线圈的交流损耗。通过与H方程法进行比较,该方法的最大瞬时损耗误差为6.6%,平均损耗误差为10.9%,满足工程计算需求。(3)提出了基于热稳定性的超导储能磁体状态评估方法,解决了储能磁体因响应功率过大而可能出现的热失超问题。该方法采用智能算法在系统指令阶段预测储能磁体的温升,综合考虑磁体耐压值、当前储能量和温升,评估磁体的响应能力,避免磁体响应超出自身能力的指令,实现了对磁体的主动保护。(4)提出了基于温度平衡的协调控制策略,解决了多个储能磁体初始状态存在差异时的功率分配问题。该策略根据各磁体的温度进行功率分配,温度低的储能磁体承担主要的功率响应任务,温度高的储能磁体做为功率补充。运行时各储能磁体均不会超出其温度阈值,有效提高了其热稳定性。
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