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高温超导直流输电技术探讨

作　者: 张俊莲
导　师: 金建勋
学　校: 电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 高温超导电缆高温超导伏安特性高温超导电磁特性直流输电 Ansoft/Maxwell Matlab/Simulink
分类号: TM721.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在现代工业化社会,电力是社会生产、生活的重要支柱,是保证社会正常运行的根本能源。电力系统由小到大,经过低压输电到高压输电,直流输电到交流输电等若干技术变革,发展为现代的多机、大容量、交直流输电相结合的复杂系统。但是,随着系统的扩大,电力系统在若干方面正面临着难以克服困难。如高电压、长距离的电力输送,使系统出现难以克服的稳定性问题;在大城市,电能消费密度不断增长,但送电通道越来越紧张,用常规技术已难以解决大城市高密度大容量送电问题;目前的输电导体绝大多数使用的都是具有电阻的铜和铝,作为导电物质,输电线路损耗巨大。要解决上述困难,急需在电力系统中进行重大的技术革新。由于超导体具有电阻为零和其他一些优越特性,应用超导技术,正是解决电力系统中上述困难的有效途径。高温超导电缆具有特大电流密度和超低输电损耗等特点,是一种极具应用前景的大容量紧凑型输电电缆,并具有节能、资源保持、零电磁干扰、非爆炸性、不可燃及无毒等环保优势。随着高温超导材料及相关技术的不断进步,高温超导电缆逐渐从实验室走向实际并网运行,但是截至目前,实际并入电网的高温超导电缆项目都是针对交流输电的场合而研究和设计的。事实上,高温超导材料的零电阻特性只有在直流应用条件下才能满足,而在交流应用中,不可避免的存在交流损耗。而且相对交流输电而言,直流输电本身具有更灵活的控制特性。本文就是在这样的背景下,结合高温超导技术与直流输电的优势,对高温超导直流输电系列问题进行了分析和研究。本文首先依据自行设计的实验电缆模型,建立了高温超导电缆伏安特性测试系统,并利用该系统分别对铋系(第一代Bi系)和钇系(第二代YBCO)高温超导带材在不同大小和方向的背景磁场下的临界电流进行测试,为电缆的进一步优化设计和应用提供了实验依据。然后以螺旋电流磁场分析和电流分布理论为基础,建立超导电缆磁场计算的理论模型,计算高温超导电缆的电磁参数,为高温超导电缆的设计,制造和优化提供基本参数。同时利用Ansoft/Maxwell建立电缆的仿真模型,分别对冷绝缘结构电缆和热绝缘结构电缆内部及周围的磁场分布进行了仿真分析和计算,并进行比较,在基于实验结果的基础上,得出利用具有较好磁场特性的YBCO高温超导带材设计冷绝缘结构直流电缆更具优势的结论,同时证明本文提出的电缆模型是可行的。本文的最后提出了高温超导直流输电系统方案,并应用Matlab/Simulink建立了电流源型直流输电系统,对超导输电系统的的升压启动过程、小扰动及降压停运过程、整流侧直流线路接地故障、交流侧单相接地故障、系统的交直流阻抗频率特性进行了仿真分析,同时对输电系统在采用不同电压等级和输电线电阻条件下的功率损耗进行了分析和比较,得出将高温超导技术与直流输电技术中相结合可以采用更低的电压等级输送更大的功率却具有更小的输电损耗,高温超导直流输电具有很多其他输电技术不可比拟的优越性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-14
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 国内外超导电缆工程的研究现状和发展态势  11-13
  1.3 论文各部分的主要内容  13-14
第二章高温超导材料及高温超导电缆  14-26
  2.1 高温超导材料的特性及研究进展  14-20
    2.1.1 高温超导体的基本特性  14-15
    2.1.2 超导体的临界参量  15-17
    2.1.3 超导材料的分类  17-18
    2.1.4 高温超导带材  18-20
  2.2 高温超导电缆及其关键技术  20-25
    2.2.1 高温超导电缆的分类及结构  20-21
    2.2.2 高温超导电缆中的关键技术及设计过程  21-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章高温超导带材临界电流测试  26-37
  3.1 高温超导带材临界电流各向异性的理论模型  26-28
  3.2 临界电流测量原理  28-30
  3.3 直流输电高温超导电缆伏安特性测试系统  30-36
    3.3.1 高温超导电缆模型  30-32
    3.3.2 测试系统的组成及软件设计  32-34
    3.3.3 实验过程及测试结果  34-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章直流输电高温超导电缆电磁特性分析  37-53
  4.1 电磁场问题求解的理论基础  37-38
  4.2 超导电缆磁场计算数学模型  38-44
    4.2.1 螺旋电流导体场磁场计算的数学模型  38-40
    4.2.2 直流输电高温超导电缆模型的磁场理论分析  40-44
  4.3 直流输电高温超导电缆电磁特性仿真分析  44-52
    4.3.1 Maxwell 2D静磁场求解器  44-46
    4.3.2 仿真模型及结果分析  46-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章高温超导直流输电技术及仿真分析  53-68
  5.1 高温超导直流输电系统方案  53-55
  5.2 高温超导直流输电系统的仿真分析  55-66
    5.2.1 直流输电系统的数学模型及控制方式  55-57
    5.2.2 仿真模型的建立  57
    5.2.3 仿真过程及结论分析  57-66
  5.3 本章小结  66-68
第六章总结与展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-74
攻硕期间取得的研究成果  74

高温超导直流输电技术探讨

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