本文是一篇工程硕士论文，本文基于高温超导带材电磁热特性测试与仿真分析，结合高温超导储能磁体的设计方法，对面向5 MW液氢超导共融储能系统的大容量高温超导环型D形磁体展开了设计与热力稳定性分析研究工作。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
能源直接影响着国家安全、社会稳定及可持续发展。随着经济的持续增长，能源对我国经济社会发展的瓶颈制约日益显现，我国能源供给相对不足与能源结构不合理带来的问题也日益凸显[1]。2020年，在联合国大会上，习近平主席宣布我国将采取切实措施，以力图在2030年实现“碳达峰”、在2060年实现“碳中和”宏伟目标[2]。到2021年，我国“双碳”目标进一步明确。国务院《政府工作报告》中指出，必须坚决完成“碳达峰”和“碳中和”的相关任务，制订行之有效行动计划，调整和完善我国产业和能源结构，大力推动新能源行业的发展[3]。
电力系统作为能源系统的核心，风、光等可再生能源出力在电力系统中所占比例逐年攀升，将为“双碳”目标的实现提供有力助力。但随着可再生能源渗透规模的不断提高，其给电力系统造成的问题与挑战将日益严峻。而储能技术日新月异的发展为应对新能源并网所带来的问题提供了一条有效的解决路径，是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要保障[4]。
储能技术是支撑能源变革、实现能源结构转型和确保能源供应安全的关键技术之一[5]。一方面，电力系统日前调度与可再生能源输出波动之间的误差会大幅增加电网调峰调频要求。同时，可再生能源接入电网所引起的高频波动对电网的稳定运行构成严重挑战[6, 7]。因此，为保证电力系统的安全稳定，在毫秒级、秒级、分钟级等短时间尺度上，需要有具备快速响应能力的储能技术[8, 9]。另一方面，可再生能源出力受环境因素影响较为显著，存在明显的季节性波动，这导致电力系统在不同季节间面临着可再生能源出力与消费需求之间的不平衡问题。这种不平衡矛盾可能会导致大量的弃风、弃光损失。因此，在季度和年度的较长时间尺度上，需要引入具备大容量存储能力的储能技术，以便实现跨季节甚至跨年度的能量存储，从而优化电力能源的综合利用效率。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 液氢超导共融储能系统研究现状
目前，超导储能磁体通常采用传导冷却或者冷却介质浸泡冷却方式来满足低温工作条件。其中，常用的制冷介质有液氦和液氮等。液氢作为冷却介质，与液氦和液氮相比，具有更高的比热容与热导率，可以更有效地从超导磁体中移除热量，为磁体运行提供更好的热稳定性。液氢温区20 K远低于液氮温区77 K，因此，磁体采用液氢浸泡运行具有更高的运行电流水平，从而有效提升磁体储能量。液氢温区虽低于液氦温区4.2 K，但价格远低于液氦价格，采用液氢浸泡冷却可以降低磁体低温系统成本，提升系统经济性。
美国能源部在2003年提出的“GRID 2030”计划[15]以及欧盟委员会在2013年制定的《欧盟能源技术战略规划》[16]中均指出超导系统在电力传输和储能领域具有重要潜力，利用超导电力系统将电力和氢能的同时输送有助于节省基础设施费用，将超导输电与液氢输送融合视为未来重要的复合储能技术之一。
为了解决可再生能源接入电网后引起的功率波动问题，国际上提出了一种结合液氢储能和超导储能的复合储能系统—LIQHYSMES（Liquid Hydrogen and Superconducting Magnetic Energy Storage）系统[17, 18]。该系统的工作原理是：将燃料电池、电解水制氢装置、氢气液化装置以及超导储能装置在物理结构上封装成一体，实现设备的共用共融，在运行逻辑上实现统一[19]。液氢不仅作为冷却介质，也为系统储能单元。仿真结果表明，该系统在短期电能质量和频率控制以及长期能源平衡方面均表现出显著效果，有助于辅助可再生能源的大规模并网[20, 21]。
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2 超导带材电磁热特性测试与仿真分析
2.1 超导带材电磁热特性介绍
临界电流、交流损耗及失超特性是超导带材重要的电磁热特性，直接与超导电力装置电磁设计与动态热稳定性分析工作密切相关。本节将对超导带材临界电流、交流损耗及失超特性展开详细介绍。
2.1.1 超导带材临界电流
如图2-1所示，超导带材超导态和电阻态之间转换与临界温度Tc、临界磁场Hc和临界电流Ic三个临界特性有关，这三个临界特性的耦合构成了超导电性主要特征，可用于描述超导带材在一组给定的条件下处于超导态或电阻态[56]
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2.2 超导带材临界电流与交流损耗测试分析
2.2.1 超导带材电磁热特性测试平台搭建
在超导带材的各种性能中，临界电流与交流损耗是衡量超导带材质量优劣的重要技术指标。由于高温超导体的导电性能具有明显的各向异性，因此在液氢超导共融储能磁体设计过程中要综合考虑液氢温区不同磁场下这种各向异性对带材性能产生的影响，为磁体运行电流确定提供重要参照依据，同时需要进行交流损耗测量为磁体热稳定性评估提供借鉴。而现有测量系统无法实现液氢温区不同磁场下超导带材临界电流及交流损耗测量，因此，需要研制液氢温区超导带材电磁热测量系统。
（1）平台硬件构成
如图2-4所示，传导冷却超导带材电磁热测量平台由超导带材测试恒温器及其配套装置、背景磁体、制冷装置、数据采集与处理系统、临界电流测试直流电源、交流损耗测试交流电源等部分组成。
1）测试恒温器及其配套装置
测试恒温器是测试平台的核心装置，如图2-5所示，恒温器上方连接各中接头、为各路信号线提供出头及旋转测试样品角度，包括真空抽口、电源接头、两路航空接头、氦管接头、样品角度旋转手柄等。真空抽头连接真空泵，将测试恒温器进行抽气而获得真空条件有利于后续降温。在抽真空完成后，氦管接头通过波纹管与氦压缩机相连进行恒温器内部降温。
两路线缆连接两路电源接头作为常温电流引线。样品角度旋转手柄调节样品台角度，0-90度可调。两路航空接头引出各路电压、温度信号：航空接头B1为32 Pin，实际使用6路温度信号24 Pin；航空接头B2出厂时引出2路电压信号4 Pin、2路加热信号4 Pin，后接10 Pin用于信号采集，1 Pin备用测样。
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3 液氢超导共融储能磁体电磁设计..................... 39
3.1 液氢超导共融储能磁体电磁设计要点 ..................... 39
3.2 液氢超导共融储能磁体设计流程 ............................... 41
4 液氢超导共融储能磁体热-力稳定性分析 ......................... 54
4.1 环型D形磁体热-力稳定性分析方法 ......................... 54
4.2 磁体正常工况下的热稳定性分析 ........................... 57
5 总结与展望................................. 72
5.1 全文总结 .................................. 72
5.2 创新点 ..................................... 73
4 液氢超导共融储能磁体热-力稳定性分析
4.1 环型D形磁体热-力稳定性分析方法
要开展超导储能磁体电磁热-力稳定性评估，需要对超导磁体电场、磁场、温度场及力学场之间关系进行梳理，为磁体热-力稳定性分析提供理论分析基础。
超导磁体电磁热力耦合有以下两个方面。一方面是超导材料本身物性关系，低温、大载流、高磁场的复杂环境以及超导带材载流性能的应变敏感性、结构变形等多重因素之间相互耦合制约，超导带材临界电流受到磁场、温度场、应力场多物理场综合影响，如本文之前所述，临界电流的衰退与磁场之间具有显著的各向异性，即临界电流在垂直场和平行场条件下的下降速度并不一致；且随着磁体运行温度的上升，临界电流会有较大的下降，当运行温度接近带材临界温度时，超导带材临界电流会迅速下降并且接近于零。而力学变形不仅会导致超导结构的破坏，危害超导结构的安全性，其也会对超导带材性能产生严重不利影响，即带材应变对超导临界电流特性退化影响，甚至当应变超过临界值时退化是不可逆的。而上述受到多场影响引起的临界电流退化又会反过来影响磁体多场行为[77]。
二是电、磁、热、力各物理量之间存在着非线性耦合效应。首先，电场与磁场存在内在联系、相互依存，二者相互统一且互为因果，形成紧密的电磁场联系[78]。对于电磁场与温度场之间，当超导磁体运行在动态响应过程中，电磁场发生变化，此时磁体通常会产生较大的交流损耗，若交流损耗产生的热量无法被液氢对流冷却及时带走，将使得磁体温度上升，严重时甚至会发生磁体失超导致整个装置损坏[79]。
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5 总结与展望
5.1 全文总结
本文基于高温超导带材电磁热特性测试与仿真分析，结合高温超导储能磁体的设计方法，对面向5 MW液氢超导共融储能系统的大容量高温超导环型D形磁体展开了设计与热力稳定性分析研究工作。主要结论如下：
（1）搭建了传导冷却超导带材电磁热测量平台，该平台在6 K及以上温度连续可调，能够在0-5 T强磁场环境下进行临界电流各向异性测量和交流损耗测试。基于该平台，完成了超导带材液氢温区临界电流与交流损耗测试与分析。实验测试结果表明：①随着运行温度的降低，其临界电流呈上升趋势，在自场情况下，20 K时超导带材的临界电流是 60 K时临界电流的3.7倍。随着背场增加，20 K与60 K下超导带材临界电流比随之增加。5 T背场时，20 K与60 K下超导带材临界电流比为9.6倍。高温超导磁体在液氢温区下有良好的工作特性，采用液氢冷却比采用液氮冷却可使超导磁体具有更高稳定裕度与经济性。②施加交流电流幅值相同时，超导带材交流损耗与带材运行温度、施加电流频率成正相关。在频率范围36 Hz - 60 Hz内，超导带材在30 K下的交流损耗是其在20 K下交流损耗的1.4倍。
（2）采用有限元仿真方法对二代高温超导带材失超特性进行电磁热耦合分析。在三维直角坐标系下，以磁场强度矢量为求解变量，建立了二代高温超导带材失超演化仿真模型，研究了二代高温超导带材局部热点失超与过电流失超下的电磁热行为，并根据其过流程度与持续时间、带材各层分流、以及对应的超导层电阻率变化情况，提出了过流失超是否可恢复型过流失超的区分判据。结果表明：①超导带材SCS4050在工作电流Iop为0.6Ic时，其最小失超能为4.62 J，失超传播速度为0.96 cm/s。当局部热源能量为1.82Qmq时，热扰动结束后，带材温度在短时保持在临界温度之上，且带材局部区域处于失超态；当局部热源能量为3.9Qmq时，在热扰动期间，超导层最大电流密度区域向其他区域扩散，热源区域由超导态转变为电阻态，并沿带材左右对称传播，2 s后失超区域扩展至热扰动初始阶段失超区域的2倍。
参考文献（略）