超导磁储能能量交互模型及其应用研究

超导磁储能系统具有高储能效率、高功率密度、快响应速度的应用优势,在未来智能电网中的高效、快速、智能化能量调控应用中具有重要的研究和应用价值。然而,由于超导磁储能系统中的超导磁储能磁体部分属于应用超导领域,而功率调节系统部分则属于电气工程领域,学科之间的差异极大地限制了超导磁储能系统的广泛应用。为此,本文基于电路-磁场-超导体耦合分析方法,构建了超导磁储能能量交互模型和实验平台,实现了以上两个研究领域之间的紧密耦合和友好桥接,并依此拓展了超导磁储能系统在各种电力系统应用中的实用方案设计及应用可行性分析。本文的主要研究内容、贡献和创新点可分为以下四大部分。1.从能量交互分析的角度出发,提炼出超导磁储能系统用于解决各种电力系统问题的本质特征,并利用能量守恒和等效电路变换原则,构建了超导磁储能系统的能量交互电路模型,为从事超导技术领域应用的研究人员提供了与实际电力系统相等效的能量交互电路模型,更利于研究人员进行超导磁体的各向异性分析、交流损耗计算、线圈结构优化设计及制冷系统优化设计等。2.从电路-磁场-超导体耦合分析的角度出发,根据实际能量交互过程中的超导磁储能磁体运行特性和规律,建立了各向异性和交流损耗计算模型,并利用数学归纳和数据拟合方法,进一步拓展了直接与超导磁储能磁体工作电流相关的超导体模型,为从事电气工程领域应用的研究人员提供了具有独立输入输出关系、并能真实反映超导体特性的超导磁储能元件。3.开发了超导磁储能能量交互实验平台,一方面可用于超导磁储能系统并网前的能量交互性能测试和评估,另一方面,还可以为实际超导磁储能磁体及功率调节系统优化设计提供必要的实验测试和数据支撑。同时,针对低压用电侧应用,提出并验证了具有非常高电能变换效率的常温和低温桥式直流斩波器技术。4.提出了超导磁储能-低温氢能-燃料电池复合应用方案和超导磁储能-低温氢能-超导直流电缆复合应用方案,完成了面向低温液氢燃料电池汽车应用、低压直流微型电网应用及未来智能电网应用的实用超导磁储能系统方案设计及技术可行性分析,并通过对以上应用场合中的超导磁储能能量交互及电能管理研究,展望了超导磁储能系统在未来智能电网中的发、输、配、用电环节中的核心应用模式和重要应用前景。