高温超导风力发电机中超导绕组及低温结构的设计基础研究

It is a great challenge to produce wind turbine generators with high power density, high reliability and high efficiency. The high temperature superconducting (HTS) technology makes it possible to produce novel wind generators beyond the power limit of tradition ones, thanks to the developing technology for the mass production of HTS materials and cryogenics. This project aims at the application of MW-class synchronous wind generators with a fully-superconducting structure. The fundamental design method and key technical issues of HTS windings for substituting of copper windings in both stator and rotor will be studied. Methods and rules for the design of the corresponding cooling structures will be explored. A 15 kW prototype model will be developed based on the above research work. Some key scientific problems, such as the complex multi-field and scale-span mechanical analysis and optimization design for HTS windings, the thermal stability and quench propagation mechanism of HTS coils, and the coupling mechanism between heat transfer and large torque transfer in multi-interface cryogenic structures, will be studied and solved. This project will become a firm step for the future MW-class industrial wind generators. It will certainly contribute to the basic theory and development technology of HTS devices for large scale applications. It can also help to build up an experienced young research team for HTS applications.

高可靠性、高功率密度、高效发电机组的开发一直是风电领域技术难题。随着高温超导（HTS）带材生产技术的发展和低温技术的日益成熟，利用高温超导技术突破传统风力发电机的性能极限已成为可能。本项目以兆瓦级全超导型同步风力发电机为应用目标，研究将HTS绕组用于励磁和电枢绕组的基本设计方法和关键技术要素，探索相关低温制冷结构的设计方法和准则；在此基础上开发15 kW级实验样机，为构建HTS绕组及低温结构的相关设计理论提供实验依据。通过本项目的顺利实施，拟研究HTS 绕组的多场跨尺度受力特征和结构设计方法、HTS绕组的热稳定性和失超传播机制、复杂多界面低温结构的热传导与大扭矩传递耦合机制等关键科学问题，力争在基础设计制造理论、实用化高温超导强电装备开发技术、青年骨干人才培养等多方面取得突破，为今后大功率高温超导风力发电机工程样机的开发奠定坚实的基础。

全超导型电机采用具有高载流能力的超导体代替传统电机励磁绕组和电枢绕组上的铜导体，有助于提高电机的气隙磁密和电枢线负荷，对开发未来超大功率风电机组有重要意义。本项目旨在解决高温超导线圈绕组及其低温结构的设计基础问题，取得成果如下：（1）开发了模块化高温超导线圈设计方法，研究了超导线圈中电流引线的漏热问题，建立了电流引线尺寸选型的优化设计理论；（2）提出和建立了一种模块化隔热扭矩结构的物理模型和优化设计理论，针对不同功率等级的应用需求开展了隔热扭矩结构的扩展设计研究；（3）开展了低温旋转密封结构设计研究，利用冷媒传输耦合结构实现静止旋转一体化的密封，提出了旋转低温系统和静止低温系统的整合设计方法；（4）开发了超导电机零部件低温收缩变形预测及补偿方法，对关键配合面的热传导条件和变形情况进行了细致研究；（5）对全超导电机的电枢绕组损耗范围进行了数值模拟，提出基于减少电枢线圈上的垂直漏磁场来减少交流损耗的理念，在此基础上完善了高温超导磁体交流损耗测试系统。（6）全自主设计开发了10 kW高温超导电机原理样机，正在进行装配测试工作。通过本项目的顺利执行，发表SCI收录论文10篇，获国家发明专利授权3项，培养博士生3人，硕士生6人。作为本项目的应用，项目组正在和广东电网电科院合作开发10 Mvar高温超导调相机。