高温超导海上风力发电机励磁绕组设计

摘要

风力发电是缓解世界能源和环境危机的重要技术。其发展受到发电成本偏高和陆上风能资源有限的制约，研制大容量海上风力发电机成为解决这两个问题的重要途径。高温超导发电机具有体积小、重量轻、效率高等突出优势，是大容量海上风力发电机的重点研究方向之一。本文在国家863计划资助下，结合海上风力发电机的运行特性，从电磁设计、动态稳定性分析、失超保护和制冷系统等方面对高温超导风力发电机的超导励磁绕组设计开展了系统的研究工作。电磁设计是高温超导风力发电机励磁绕组设计的核心。本文在863项目组提出的超导风力发电机整体电磁设计方案的基础上，以调研和实验测试得到的高温超导带材基本特性分析数据为支撑，结合MATLAB和有限元软件COMSOL，利用遗传算法对超导励磁绕组的电磁和结构参数进行优化，得出了超导带材用量最少并满足磁通密度要求的电磁设计方案。根据电磁设计方案，以减少漏热和保证超导励磁绕组的可靠运行为原则，对电流引线进行了优化设计，并计算出单根电流引线的漏热参数。
　　本研究结合发电机组的运行特点和超导风力发电机的各项设计参数，通过理论分析和模拟仿真，研究了超导励磁绕组在三相短路故障和风速波动两种状态下的稳定性。三相短路故障后超导励磁绕组的峰值电流低于超导带材的临界电流，但是短路引起的励磁电流变化速率很快，可能会导致超导励磁绕组失超。分析结果表明，风速波动会增大超导励磁绕组的交流损耗，影响超导风力发电机的稳定运行。为保证超导发电机的可靠性，本文结合可调节输出功率的制冷系统和高屏蔽率的屏蔽筒两种措施来提高励磁绕组的动态稳定性。在对比研究不同制冷方法的基础上，结合超导风力发电机的结构特点，设计出符合励磁绕组运行要求的制冷系统。并采取新型结构的力矩传导筒、多层绝热材料和半双层辐射屏等多个措施降低制冷系统的热负荷，从而提高超导发电机的整体效率。根据制冷系统设计方案和热负荷计算结果，进行了制冷机选型和氦气流量参数计算。研究了超导发电机的失超机理，然后对比不同失超检测方法的优缺点，最终选择有源功率法和光纤测温法相结合的方式进行失超检测。根据高温超导带材的性能特点，结合超导励磁绕组储能量高、电感值大的特点，本文采用主动保护失超保护方案，综合运用释能电阻和加热器两种措施来限制超导励磁绕组的局部峰值电压和最高温度。最后对取得的主要研究成果和创新之处进行总结，并对未来的研究工作进行了展望。

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1绪论

1.1研究背景

1.2超导电机研究现状

1.3高温超导电机和低温超导电机技术经济性对比分析

1.4高温超导励磁绕组关键技术问题

1.5本文主要工作

2超导发电机励磁绕组电磁设计

2.1引言

2.2超导发电机基本参数

2.3高温超导带材性能分析

2.4励磁绕组电磁设计

2.5电流引线设计

2.6本章结论

3超导发电机励磁绕组稳定性分析

3.1引言

3.2超导发电机数学模型

3.3励磁绕组稳定性分析

3.4动态稳定性改进措施

3.5本章结论

4超导发电机励磁绕组制冷系统设计

4.1引言

4.2冷却方式对比分析

4.3制冷系统设计

4.4力矩传导筒优化设计

4.5制冷机选型和氦气流量计算

4.6低温和高温超导励磁绕组方案对比

4.7本章结论

5超导发电机励磁绕组失超保护系统设计

5.1引言

5.2超导励磁绕组失超原因分析

5.3失超检测方案设计

5.4失超保护方案设计

5.5本章结论

6全文总结

6.1本文所做的工作

6.2下一步工作展望

致谢

参考文献

附录一 攻读博士学位期间已发表或录用论文

附录二 攻读博士学位期间参加的课题项目

附录三 超导励磁绕组参数优化设计模型和相关程序