高温超导发电机中故障电磁场环境和转子磁体失超机理的研究

The project is a basic science research on the mechanisms and characteristics of possibility of quench of the high temperature superconducting(HTS) rotor magnets in generator under the operating condition, especially under malfunction condition. The primary goal of the research is to investigate and simulate the different fault conditions that may occur in the operation of a generator, and the corresponding complicated electromagnetic field that faces the superconducting rotor magnets, on the basis of the varieties of the operation of a generator. In the course of the project, the existing simulation experience on superconducting of the finite element and innovative simulation technology will be integrated, in order to complete the construction of the finite element quench model under equivalent circuit multi-physical fields. In the meanwhile, a series of experiments will be conducted on the possible reasons that may cause the quench of superconducting coils, in order to find out the constraints on the design of electromagnetic circuit of the machine in real operation. On the basis of the experimental and simulation results, the design scheme of the superconducting generator’s electromagnetic circuit will be optimized. Eventually, on the basis of critical parameters of the quench of HTS magnet, research on quench detection and protection will be conducted. Real-time measurement on temperature of different points of HTS rotor magnet by applying the international advanced detection technology on sealed fiber will be made, and the theoretical model will be perfected by repeated comparisons on experimental results.

本项目是对高温超导转子磁体在发电机工况下尤其是故障工况下可能的失超机理及其特性的基础科学研究。根据发电机运行的多样性找到并仿真出发电机各类故障条件和与之相对应的超导转子磁体所面临的复杂电磁场环境成为本项目的首要研究基础。项目进行过程中，综合现有的超导有限元仿真经验和创新的仿真技术，完成基于等效电路网络多物理场有限元失超模型的构建。在仿真的同时，选取超导材料的失超物理特性为研究对象，并以此对超导发电机实际运行中可能会引起磁体失超的原因逐一进行实验，获得各种失超原因对超导发电机电磁设计的约束条件。在仿真和实验研究的基础上，优化超导发电机的电磁设计方案。最后，以超导磁体的失超临界参数为依据进行失超检测与保护的研究。利用国际先进的内封测量光纤失超检测技术对超导磁体各点进行实时的温度测量，通过实验结果反复对比论证完善理论模型。

本项目的研究对象为高温超导风力发电机额定容量为2.5 MW，其励磁线圈的尺寸较大，传统方法难以准确而快速地计算该大型高温超导线圈的临界电流。本研究创新性地提出了一种基于稳态模型的高温超导线圈临界电流快速算法，该方法在保证计算精度的前提下，能大大提高计算效率。该快速算法普遍适用于大型高温超导线圈的临界电流计算中。基于该快速算法，仿真获得2.5 MW高温超导风力发电机励磁线圈的临界电流，得到其自场下的临界电流为940 A，在有其他磁极和定转子铁芯的发电机环境中，励磁线圈的临界电流为883 A。.其次，本项目搭建了2.5 MW超导风力发电机整机有限元仿真模型，并基于该模型仿真高温超导风力发电机的额定工作性能。针对实际运行中可能出现的三相短路故障，进一步搭建了短路故障场路耦合模型，与传统的短路故障分析忽略转子转速的变化不同，本研究创新性地提出设置转子的恒功率机械条件，从而引入了转子转速的变化对暂态过程的影响。基于该模型仿真了2.5 MW高温超导风力发电机在三相短路故障情况下的电磁特性，得到了电枢电流、励磁电流、电磁转矩以及转子转速的动态响应特性。其中，电枢电流、励磁电流、电磁转矩的峰值分别达到了14 p.u.、1.48 p.u.和9 p.u.；转子的转速在短路过程中也出现了明显的下降；短路过程中定子电流以及电磁转矩都远大于常规发电机，这些因素均不利于超导风力发电机长期安全稳定运行。为了研究高温超导励磁线圈的最小失超能量与失超传播速度，本研究搭建了面向高温超导带材与线圈的热扰动失超实验平台，并对超导带材与小型线圈的热扰动失超实验结果进行分析。然后，搭建了基于电磁热多物理场耦合技术的有限元模型，仿真高温超导带材和线圈的失超特性，通过比对仿真和实验结果，确认电磁热耦合模型能有效地仿真带材和线圈的热扰动失超特性。基于上述电磁热耦合模型，仿真获得了2.5 MW高温超导风力发电机中励磁线圈的最小失超能量与失超传播速度，为励磁线圈的稳定安全运行提供参考。