一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法和装置，方法包括：生成初始结构参数；根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型；根据高温超导环形储能磁体的电磁模型确定电磁参数；计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化。本发明专利技术实现了在总用线量一定的条件下，高温超导环形储能磁体在不同运行温度下储能量达到最大的电磁优化，形成优势互补；利用麦克斯韦方程组和有限元方法，建立高温超导环形储能磁体的电磁模型，可以分析高温超导环形储能磁体的磁感应强度分布和漏磁场，计算电感及储能量，计算性能高效、计算结果精确。

An electromagnetic optimization method and device for a high temperature superconducting ring energy storage magnet

The present invention provides a method and device, electromagnetic optimization of a high temperature superconducting magnetic energy storage ring method includes: generating initial structure parameters; based on the electromagnetic model of the initial structure parameters of high temperature superconducting toroidal magnetic energy storage; determined according to the electromagnetic parameters of the electromagnetic model of high temperature superconducting magnetic energy storage ring; calculation of high temperature superconducting magnetic energy storage ring the energy storage, and high temperature superconducting energy storage magnet energy storage ring for high temperature superconducting magnetic energy storage ring for electromagnetic optimization. The invention realizes the conditions in line with the total amount of the high temperature superconducting energy storage ring, achieve the electromagnetic optimization the largest magnet at different operating temperature storage energy, the formation of complementary advantages; using Maxwell equations and the finite element method, based on electromagnetic model of high temperature superconducting magnetic energy storage ring, can analysis of high temperature superconducting energy storage ring the magnet of the magnetic induction intensity distribution and magnetic flux leakage inductance calculation and energy storage, high computing performance, accurate calculation results.

【技术实现步骤摘要】
一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法和装置
本专利技术涉及一种电磁优化设计方法，具体涉及一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法和装置。
技术介绍
进入21世界以来，随着国家经济的发展、科技的进步和人民生活水平的提高，国民对电力的需求不断增加、对电能的依赖程度明显增强，并对供电品质提出更高的要求。然而，面对日益突出的资源短缺、环境污染、全球气候变暖等一系列问题，电力系统迫切希望找到一种新的绿色环保、低碳、无污染的电力技术。高温超导储能系统(HTS-SMES)可将运行温度提高到液氮温区(@77K)，极大地较少运行成本，有望在电力系统中实现平抑电压波动，调节有功、无功功率，改善电能质量等工程化应用。未来HTS-SMES是面向工程化和大型化的。高温超导储能磁体作为HTS-SMES的核心部件，为了增加储能量，要求磁体储能密度大；同时为了减少电磁污染，要求磁体漏磁场尽可能小。由单元线圈组成的环形储能磁体具有漏磁场小且储能密度大的优点，而且由于高温超导带材具有各向异性，外加磁场垂直于带材表面(垂直场)时对带材的临界电流影响最大，平行于带材表面(平行场)时对带材的临界电流影响最小。环形磁体主要是环向磁场，垂直于带材表面的磁场比平行于带材表面的磁场要小很多，垂直场降低有利于提高磁体的临界电流，节省超导带材的用线量。基于环形储能磁体优点的综合分析，由单元线圈组成的环形储能磁体是制作大型化SMES磁体的优良选择。现有技术中的常规螺线管形储能磁体电磁优化理论，利用坐标变换和叠加原理得到优化变量与场量的隐式关系，进行优化迭代求解，该方法较为复杂，会产生收敛速度慢、运算内存及计算时间需求大等问题，往往达不到较好的收敛效果，不能形成统一的优化设计方法。而且，高温超导环形储能磁体很难用解析的方法进行求解，难以将优化变量引入实现参数扫略功能。因此，常规优化模块只能用于多输入、多输出分析而不能达到优化设计的目的。此外，磁体储能量与磁体优化变量之间呈现出较强的非线性，普通的优化模块算法的收敛性也较差。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种高温超导环形储能磁体的电磁方法和装置，解决了现有技术中高温超导环形储能磁体的电磁优化设计中优化方法复杂，效率较低，收敛效果差和较难形成统一的优化设计方法的问题。为了解决现有技术中的问题并实现本专利技术的专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术提供一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，所述方法包括：生成初始结构参数；根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型；根据高温超导环形储能磁体的电磁模型确定电磁参数；计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化。所述初始结构参数包括高温超导环形储能磁体的工作温度T、总用线量ltotal及优化变量X，其中X＝(Ri,Ro,H,R,N)，且Ri为单元线圈内半径，Ro为单元线圈外半径，H为单元线圈高度，R为单元线圈中心距高温超导环形储能磁体中心的距离，N为高温超导环形储能磁体中单元线圈个数。所述Ri满足100mm≤Ri≤180mm；所述R0满足：其中，a为高温超导带材的厚度，l为绕制单体线圈的用线量，且满足l＝ltotal/(N·M)，M为每个单元线圈中超导单体线圈的数量；所述H＝2·b·M，其中，b是高温超导带材的宽度。所述根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型包括：根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位建立如下高温超导环形储能磁体的电磁模型：其中，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，J为电流密度，A为的标量值，且A|Γ＝0，Γ表示边界；分别为A在x、y、z方向上的分量。所述电磁参数包括最大垂直场Br_max和高温超导环形储能磁体的电感L。所述计算高温超导环形储能磁体的储能量包括：通过下式计算高温超导环形储能磁体的储能量E：其中，Iop为高温超导环形储能磁体运行的工作电流，且Iop＝Ic_smes×k，其中k为高温超导环形储能磁体的安全负载系数，且0.7<k<1；Ic_smes为高温超导环形储能磁体的临界电流。根据励磁直线I＝kmB与高温超导带材的Ic_tape(T,B,θ)-B特性曲线相交的交点得到Ic_smes；其中I为高温超导环形储能磁体通入的励磁电流，km为比例系数；Ic_tape(T,B,θ)为与T、B、θ有关的高温超导带材的临界电流，且有：Ic_tape(T,B,θ)＝ε(T,B,θ)×Ic_tape(T,B)其中，T为高温超导环形储能磁体的运行温度，θ为磁场角度，Ic_tape(T,B)为与T、B有关的高温超导带材的临界电流，系数ε(T,B,θ)满足：其中，p1和p2均为与温度相关的系数；B为高温超导环形储能磁体的磁感应强度，设磁感应强度矢量为矢量微分算符为▽，由于与之间满足可得B。所述计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化之后包括：通过带精英策略的遗传算法判断高温超导环形储能磁体的储能量是否收敛，若收敛则输出高温超导环形储能磁体的最优结构参数；若不收敛，则进行选择、交叉、变异，直至高温超导环形储能磁体的储能量收敛。所述通过带精英策略的遗传算法判断高温超导环形储能磁体的储能量是否收敛，若收敛则输出高温超导环形储能磁体的最优结构参数；若不收敛，则进行选择、交叉、变异，直至高温超导环形储能磁体的储能量收敛包括：连续迭代后，若满足相邻两次计算的高温超导环形储能磁体的储能量E的变化量小于10-6，则表明高温超导环形储能磁体的储能量收敛；若不满足，则表明高温超导环形储能磁体的储能量不收敛，则进行选择操作、交叉、变异，直至相邻两次计算的高温超导环形储能磁体的储能量E的变化量小于10-6，此时高温超导环形储能磁体的储能量收敛。所述高温超导环形储能磁体由N个单元线圈沿圆周环形排列构成，所述单元线圈由串联的M个超导单体线圈串联而成，所述超导单元线圈由高温超导带材制成。本专利技术还提供一种高温超导环形储能磁体的电磁优化装置，其特征在于，所述装置包括：用于生成初始结构参数的装置；用于根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型的装置；用于根据高温超导环形储能磁体的电磁模型确定电磁参数的装置；以及用于计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化的装置。所述用于生成初始结构参数的装置包括：用于生成高温超导环形储能磁体的工作温度T的装置；用于生成总用线量ltotal的装置；以及用于生成优化变量X的装置；所述优化变量X＝(Ri,Ro,H,R,N)，且Ri为单元线圈内半径，Ro为单元线圈外半径，H为单元线圈高度，R为单元线圈中心距高温超导环形储能磁体中心的距离，N为高温超导环形储能磁体中单元线圈个数。所述单元线圈内半径Ri满足100mm≤Ri≤180mm；所述单元线圈外半径R0满足：其中，a为高温超导带材的厚度，l为绕制单体线圈的用线量，且满足l＝ltotal/(N·M)，N为高温超导环形储能磁体中单元线圈的个数，M为每个单元线圈中超导单体线圈的数量；单元线圈高度H＝2·b·M，其中，b是高温超导带材的宽度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述方法包括：生成初始结构参数；根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型；根据高温超导环形储能磁体的电磁模型确定电磁参数；计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化。

【技术特征摘要】
1.一种高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述方法包括：生成初始结构参数；根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型；根据高温超导环形储能磁体的电磁模型确定电磁参数；计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化。2.根据权利要求1所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述初始结构参数包括高温超导环形储能磁体的工作温度T、总用线量ltotal及优化变量X，其中X＝(Ri,Ro,H,R,N)，且Ri为单元线圈内半径，Ro为单元线圈外半径，H为单元线圈高度，R为单元线圈中心距高温超导环形储能磁体中心的距离，N为高温超导环形储能磁体中单元线圈个数。3.根据权利要求2所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述单元线圈内半径Ri满足100mm≤Ri≤180mm；所述单元线圈外半径R0满足：其中，a为高温超导带材的厚度，l为绕制单体线圈的用线量，且满足l＝ltotal/(N·M)，M为每个单元线圈中超导单体线圈的数量；单元线圈高度H＝2·b·M，其中，b是高温超导带材的宽度。4.根据权利要求2或3所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述根据所述初始结构参数建立高温超导环形储能磁体的电磁模型包括：根据麦克斯韦方程组，引入矢量磁位建立如下高温超导环形储能磁体的电磁模型：其中，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，J为电流密度，A为的标量值，且A|Γ＝0，Γ表示边界；分别为A在x、y、z方向上的分量。5.根据权利要求4所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述电磁参数包括最大垂直场Br_max和高温超导环形储能磁体的电感L。6.根据权利要求5所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述计算高温超导环形储能磁体的储能量包括：通过下式计算高温超导环形储能磁体的储能量E：其中，Iop为高温超导环形储能磁体运行的工作电流，且Iop＝Ic_smes×k，其中k为高温超导环形储能磁体的安全负载系数，且0.7<k<1；Ic_smes为高温超导环形储能磁体的临界电流。7.根据权利要求6所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，根据励磁直线I＝kmB与高温超导带材的Ic_tape(T,B,θ)-B特性曲线相交的交点得到Ic_smes；其中I为高温超导环形储能磁体通入的励磁电流，km为比例系数；Ic_tape(T,B,θ)为与T、B、θ有关的高温超导带材的临界电流，且有：Ic_tape(T,B,θ)＝ε(T,B,θ)×Ic_tape(T,B)其中，T为高温超导环形储能磁体的运行温度，θ为磁场角度，Ic_tape(T,B)为与T、B有关的高温超导带材的临界电流，系数ε(T,B,θ)满足：其中，p1和p2均为与温度相关的系数；B为高温超导环形储能磁体的磁感应强度，设磁感应强度矢量为矢量微分算符为▽，由于与之间满足可得B。8.根据权利要求7所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述计算高温超导环形储能磁体的储能量，并以高温超导环形储能磁体的储能量最大为目标对高温超导环形储能磁体进行电磁优化之后包括：通过带精英策略的遗传算法判断高温超导环形储能磁体的储能量是否收敛，若收敛则输出高温超导环形储能磁体的最优结构参数；若不收敛，则进行选择、交叉、变异，直至高温超导环形储能磁体的储能量收敛。9.根据权利要求8所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述通过带精英策略的遗传算法判断高温超导环形储能磁体的储能量是否收敛，若收敛则输出高温超导环形储能磁体的最优结构参数；若不收敛，则进行选择、交叉、变异，直至高温超导环形储能磁体的储能量收敛包括：连续迭代后，若满足相邻两次计算的高温超导环形储能磁体的储能量E的变化量小于10-6，则表明高温超导环形储能磁体的储能量收敛；若不满足，则表明高温超导环形储能磁体的储能量不收敛，则进行选择操作、交叉、变异，直至相邻两次计算的高温超导环形储能磁体的储能量E的变化量小于10-6，此时高温超导环形储能磁体的储能量收敛。10.根据权利要求1所述的高温超导环形储能磁体的电磁优化方法，其特征在于，所述高温超导环形储能磁体由N个单元线圈沿圆周环形排列构成，所述单元线圈由串联的M个超导单体线圈串联而成，所述超导单元线圈由高温超导带材制成。11.一种高温超导环形储能磁体的电磁优化装置，其特征在于，所述装置包括：用于生...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸嘉慧，饶双全，丘明，陈盼盼，袁炜嘉，尹秀娟，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网北京市电力公司，
类型：发明
国别省市：北京,11