一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，包括如下步骤：步骤1，搭建三维电缆微观模型，该模型为基于COMSOL有限元仿真的超导电缆传输损耗计算模型，并采用周期性边界条件方法来计算电缆损耗；步骤2，在三维电缆微观模型中对超导电缆的运行电流进行参数化扫描仿真，对不同工况下的超导电缆传输损耗进行计算，构建超导电缆传输损耗数据库，导入至MATLAB中进行拟合计算；步骤3，搭建电力系统宏观模型，模拟超导电缆在正常运行状态下与故障运行状态下的超导性能变化。本发明专利技术能够对超导电缆在不同工况下的电热情况进行仿真。对超导电缆在不同工况下的电热情况进行仿真。对超导电缆在不同工况下的电热情况进行仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法


[0001]本专利技术涉及一种用于超导电缆领域的基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，超导材料由于其优越的功率传输特性，促使超导电缆的商业化应用成为了研究热点。但是相比于传统的输电电缆，高温超导电缆的建设与安装成本几乎高于传统电缆的三倍，其中制冷系统的成本是制约其经济效益提升的主要因素。当超导材料传输交流电或者处于交变磁场的环境下，超导材料就会产生交流损耗。在高温超导电缆正常运行过程中，其交流损耗的主要来源是给超导体通以变电流而产生的传输损耗。而该传输损耗也是制冷机的主要热负荷来源。因此，高温超导电缆制冷系统的优化需要从对其传输损耗的计算进行研究。
[0003]由于高温超导电缆制冷系统的功耗一方面包括对热负荷不敏感的设备，通常指冷泵、水冷机组等设备；另一方面包括对热负荷敏感的设备，通常指主制冷机。因此，制冷系统的功耗主要受到超导电缆的传输损耗大小的影响。设计一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法具有较大的意义。良好的超导电缆制冷系统是保证超导材料在正常运行状态下和故障运行状态下的性能稳定的一个重要因素。由于目前业界对于超导电缆在各种工况下的温度场仿真计算，并未考虑正常状态下的传输损耗以及超导电缆内部温升沿着轴向上的变化，无法实现制冷系统在不同工况下的能耗分配问题，导致超导电缆制冷系统的成本无法缩减。
[0004]文献“Safety Verification of a 275
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kV HTS Cable System Under Short
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Circuit Current Accidents[J],IEEE Transactions on Applied Superconductivity,28.4(2018),1
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5.”于2018年提出了一套用于计算超导电缆内部液氮温度沿着电缆长度方向上的算法。对于液氮的温度计算以及压力计算采用了偏微分方程进行理论分析。并采用有限差分法，将其转化为一套仿真代码，模拟了在正常运行状态下考虑交流损耗与不考虑交流损耗的温度分布情况。与此同时，模拟了在故障情况下超导电缆中不同组件的温度随着时间的变化。此文献着重在于用解析法对超导电缆内部的温度分布进行计算，因此会带来的问题是编程较难，且计算量较大；：此文献在模拟正常运行状态下的超导电缆温度场分布情况时，输入的损耗为恒定值,无法模拟超导电缆实时损耗数据。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，能够对超导电缆在不同工况下的电热情况进行仿真。
[0006]实现上述目的的一种技术方案是：一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，搭建三维电缆微观模型，该模型为基于COMSOL有限元仿真的超导电缆传输
损耗计算模型，并采用周期性边界条件方法来计算电缆损耗；
[0008]步骤2，在三维电缆微观模型中对超导电缆的运行电流进行参数化扫描仿真，对不同工况下的超导电缆传输损耗进行计算，构建超导电缆传输损耗数据库，导入至MATLAB中进行拟合计算；
[0009]步骤3，搭建电力系统宏观模型，模拟超导电缆在正常运行状态下与故障运行状态下的超导性能变化。
[0010]进一步的，步骤2中对不同工况下的超导电缆传输损耗进行计算，构建超导电缆传输损耗数据库的具体方法为，通过改变超导电缆运行电流模拟其在不同工况下的传输损耗，将数据拟合成损耗与运行电流相关的计算公式，从而进行超导电缆传输损耗数据库构建。
[0011]进一步的，步骤3中所述电力系统宏观模型在MATLAB或Simulink仿真软件中搭建，包括220kV电源侧，220/110/35kV三绕组变压器，超导电缆等效电路模块，负荷，故障模块。
[0012]进一步的，搭建电力系统宏观模型的三维电缆微观模型简化为一维传热，采用的是非等温管道流物理场，将超导电缆的传输损耗、电缆接头损耗、绝热管漏热损耗，液氮的流速与压力等作为输入变量，得到超导电缆温度沿轴向上的分布情况，并提取出最高温度数据，将其传输至电力系统模型中，作为超导电缆在各个仿真时间步长上的温度。
[0013]进一步的，基于COMSOL有限元仿真的超导电缆传输损耗计算模型，其超导电缆为三相统包式超导电缆，各相导体结构从内到外的结构包括中心铜骨架、导体层、PPLP绝缘层、超导屏蔽层、铜屏蔽层、液氮通道以及真空绝热管和保护套，在超导电缆导体层与超导屏蔽层的等效电路模型中，铜稳定层与YBCO超导层为并联运行，在导体层两端并联了铜电阻，在超导屏蔽层两端并联了铜电阻。
[0014]本专利技术设计了一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化模型，其优点在于，通过COMSOL微观模型的仿真可以搭建超导电缆传输损耗在不同工况下的数据库，导入至MATLAB进行拟合计算，根据电力系统宏观模型，可设置故障工况，计算超导电缆时变的损耗数据，将该数据实时传输至COMSOL进行联合仿真，模拟沿着超导电缆轴向上的温度场分布情况，完善制冷系统的能耗分配，因而该种宏微观模型耦合的优化方法，能够实时模拟在不同工况下超导电缆性能的变化，来对制冷系统的出力进行实时调整。同时，本专利技术建立的传输损耗模型适用性范围广，可用于多种工况，拓展性高，建立的数据库精确度高，计算量大大减少。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法的超导电缆内部组件结构示意图；
[0016]图2为本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法的计算超导电缆传输损耗的三维COMSOL微观模型几何示意图；
[0017]图3为本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法的超导电缆等效电路结构示意图；
[0018]图4为本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法的电力系统宏观模型示意图；
[0019]图5为本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法的COMSOL与MATLAB/Simulink联合仿真的流程示意图。
具体实施方式
[0020]为了能更好地对本专利技术的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
[0021]请参阅图1至图5。本专利技术的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，由超导电缆传输损耗三维微观模型与电力系统宏观模型等部分组成，包括如下步骤：
[0022]步骤1，在COMSOL中搭建搭建超导电缆三维微观模型，用于计算在不同工况下的传输损耗。在该模型中，采用了周期性边界条件方法来计算电缆损耗，使得在仿真中只需采用有限长导体的模型便可模拟无限长导体的工况，因此无需绘制真实长度的超导电缆，将模型中计算得到的传输损耗进行电缆长度换算即可得到公里级超导电缆在不同工况下的真实传输损耗值。
[0023]请参阅图1，基于COMSOL有限元仿真的超导电缆传输损耗计算模型，其超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，搭建三维电缆微观模型，该模型为基于COMSOL有限元仿真的超导电缆传输损耗计算模型，并采用周期性边界条件方法来计算电缆损耗；步骤2，在三维电缆微观模型中对超导电缆的运行电流进行参数化扫描仿真，对不同工况下的超导电缆传输损耗进行计算，构建超导电缆传输损耗数据库，导入至MATLAB中进行拟合计算；步骤3，搭建电力系统宏观模型，模拟超导电缆在正常运行状态下与故障运行状态下的超导性能变化。2.根据权利要求1所述的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，其特征在于，步骤2中对不同工况下的超导电缆传输损耗进行计算，构建超导电缆传输损耗数据库的具体方法为，通过改变超导电缆运行电流模拟其在不同工况下的传输损耗，将数据拟合成损耗与运行电流相关的计算公式，从而进行超导电缆传输损耗数据库构建。3.根据权利要求1所述的一种基于超导电缆传输损耗的制冷系统优化方法，其特征在于，步骤3中所述电力系统宏观模型在MATLAB或Simulink仿真软件...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈妍君，宗明，张宇俊，肖业凡，李沁愉，陆慧丰，顾志铭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：