高溫超導技術(shù)在電力裝備中的應用

譯者序

原書序

縮略語

第1 章　引言 1

第2 章　高溫超導材料 4

2. 1　概述 4

2. 2　高溫超導體背景和專業(yè)術(shù)語 5

2. 2. 1　背景 5

2. 2. 2　術(shù)語 5

2. 3　BSCCO￣2212 導體 7

2. 4　BSCCO￣2223 OPIT 線材 8

2. 4. 1　制備工藝 8

2. 4. 2　電氣和力學特性 9

2. 5　YBCO￣123 涂層導體 12

2. 6　二硼化鎂(MgB2 ) 16

2. 7　不同高溫超導體的技術(shù)現(xiàn)狀 19

2. 8　超導磁體設計 19

2. 9　總結(jié) 24

參考文獻 24

第3 章　冷卻與絕熱系統(tǒng) 26

3. 1　引言 26

3. 2　低溫恒溫器結(jié)構(gòu) 26

3. 3　高溫超導磁體用低溫制冷劑 27

3. 4　采用制冷劑直接冷卻方式 28

3. 5　間接或傳導冷卻 29

3. 6　低溫制冷系統(tǒng) 30

3. 6. 1　吉福德￣麥克馬洪(G￣M) 制冷機 31

3. 6. 2　斯特林制冷機 33

3. 6. 3　脈沖管制冷機 34

3. 7　液氮開環(huán)冷卻 35

3. 8　磁體材料 36

3. 9　電流引線 36

3. 9. 1　低溫超導磁體電流引線 37

3. 9. 2　導冷引線設計 38

3. 10　低溫恒溫器設計實例 39

3. 10. 1　結(jié)構(gòu) 39

3. 10. 2　熱負荷計算 39

3. 10. 3　電流引線 41

3. 10. 4　熱傳導 41

3. 10. 5　制冷機的選擇 42

3. 11　總結(jié) 42

參考文獻 43

第4 章　旋轉(zhuǎn)交流電機 44

4. 1　引言 44

4. 2　拓撲結(jié)構(gòu) 44

4. 3　分析與參數(shù)計算 46

4. 3. 1　磁路和諧波分量 46

4. 3. 2　參數(shù)計算 52

4. 3. 3　電機端部參數(shù) 58

4. 4　設計 64

4. 4. 1　定子繞組設計問題 64

4. 4. 2　勵磁繞組設計問題 66

4. 4. 3　電磁屏蔽罩設計問題 69

4. 4. 4　損耗和效率計算 69

4. 4. 5　設計實例 70

4. 5　制造問題 78

4. 5. 1　超導勵磁繞組及其冷卻系統(tǒng) 78

4. 5. 2　低溫勵磁繞組到室溫軸的轉(zhuǎn)矩傳遞 80

4. 5. 3　定子繞組 80

4. 6　仿真 81

4. 7　發(fā)電機 81

4. 7. 1　高速發(fā)電機 82

4. 7. 2　中速發(fā)電機 83

4. 8　電動機 86

4. 8. 1　高速電動機 87

4. 8. 2　低速電動機 88

4. 9　總結(jié) 90

參考文獻 90

第5 章　旋轉(zhuǎn)直流單極電機 93

5. 1　引言 93

5. 2　原理 93

5. 3　結(jié)構(gòu) 94

5. 4　設計難點 95

5. 5　原型樣機 97

5. 6　總結(jié) 98

參考文獻 98

第6 章　交流同步單極電機 100

6. 1　引言 100

6. 2　原理 100

6. 3　設計分析 102

6. 4　設計難點 102

6. 5　原型樣機 103

6. 6　總結(jié) 103

參考文獻 103

第7 章　變壓器 105

7. 1　引言 105

7. 2　結(jié)構(gòu) 106

7. 3　設計分析 109

7. 3. 1　鐵心尺寸 111

7. 3. 2　50 MVA 實例設計 112

7. 4　技術(shù)難題 120

7. 5　制造問題 121

7. 6　原型 122

7. 7　總結(jié) 122

參考文獻 122

第8 章　故障限流器 124

8. 1　引言 124

8. 2　原理和結(jié)構(gòu) 125

8. 2. 1　電阻型故障限流器 126

8. 2. 2　屏蔽鐵心型感性FCL 129

8. 2. 3　飽和鐵心電感型FCL 130

8. 3　設計流程 132

8. 3. 1　實例設計———電阻型故障限流器 134

8. 3. 2　實例設計———飽和鐵心型故障限流器 143

8. 4　面臨的問題 147

8. 4. 1　電阻型故障限流器的問題 147

8. 4. 2　電感型故障限流器的問題 148

8. 5　制造問題 149

8. 6　原型樣機 149

Ⅹ 高溫超導技術(shù)在電力裝備中的應用

8. 6. 1　美國超導公司(AMSC) 的故障限流器 149

8. 6. 2　SuperPower 公司的故障限流器 150

8. 6. 3　Zenergy Power 公司的故障限流器 151

8. 6. 4　Nexans 公司的故障限流器 152

8. 7　總結(jié) 153

參考文獻 153

第9 章　電纜 156

9. 1　引言 156

9. 2　結(jié)構(gòu) 158

9. 2. 1　阻性低溫電纜 158

9. 2. 2　高溫超導電纜 159

9. 3　設計分析 161

9. 3. 1　低溫電纜分析 161

9. 3. 2　高溫超導電纜分析 164

9. 4　面臨的問題 173

9. 4. 1　阻性低溫電纜的問題 173

9. 4. 2　高溫超導電纜的問題 175

9. 5　制造問題 177

9. 5. 1　阻性低溫電纜的問題 177

9. 5. 2　高溫超導電纜的問題 178

9. 6　原型 179

9. 6. 1　阻性低溫電纜 179

9. 6. 2　高溫超導電纜———高壓等級 180

9. 6. 3　高溫超導電纜———中壓等級 181

9. 6. 4　TriaxTM高溫超導電纜———低壓等級 182

9. 7　總結(jié) 183

參考文獻 184

第10 章　磁懸浮交通 186

10. 1　引言 186

10. 2　結(jié)構(gòu) 186

10. 2. 1　電動懸浮 187

10. 2. 2　電磁懸浮 189

10. 3　設計分析 191

10. 3. 1　電動磁懸浮 191

10. 3. 2　電磁懸浮 193

10. 4　問題(技術(shù)/經(jīng)濟) 195

10. 4. 1　EDS 系統(tǒng)面臨的問題 195

10. 4. 2　EMS 系統(tǒng)面臨的問題 196

10. 5　制造問題 196

10. 6　原型樣機 197

10. 6. 1　諾斯羅普.格魯門公司的概念 197

10. 7　總結(jié) 203

參考文獻 203

第11 章　磁體應用 205

11. 1　引言 205

11. 2　空心磁體 206

11. 2. 1　高場磁體 206

11. 2. 2　低場磁體 208

11. 3　鐵心磁體 211

11. 3. 1　束流偏轉(zhuǎn) 211

11. 3. 2　感應加熱 211

11. 3. 3　同步加速器 213

11. 4　總結(jié) 214

參考文獻 214

本書系統(tǒng)地介紹了近年來超導電力技術(shù)的發(fā)展狀況，分章節(jié)就目前商品化超導材料應用性能、低溫制冷設備技術(shù)狀況和各種高溫超導電力裝備的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、設計方法、模型樣機、制造工藝和工程應用進行了詳細論述。其中，涉及交/直流電機、電力變壓器、故障電流限制器、電力電纜、磁懸浮交通等諸多應用領域，就人們所關(guān)心的技術(shù)經(jīng)濟性問題，深入分析了各種電力裝備及其工程應用的關(guān)鍵要點、存在問題及其解決途徑。并且在部分章給出了設計實例，為讀者快速掌握技術(shù)核心、開展自主設計提供了重要幫助和參考。本書內(nèi)容具體翔實，涉及知識領域廣泛，與同類圖書相比，介紹內(nèi)容更偏重超導裝備實用化技術(shù)。

《高溫超導體及其強電應用技術(shù)》全面介紹了高溫超導體強電應用技術(shù)，內(nèi)容包括高溫超導物性及材料基礎、高溫超導材料的強電應用特性、高溫超導材料強電應用技術(shù)、各種高溫超導電力裝置及高溫超導強電應用特種裝置；較全面地闡述了各種高溫超導強電應用的基本概念、相關(guān)技術(shù)、應用特性和發(fā)展狀況。

《高溫超導體及其強電應用技術(shù)》可供從事應用超導技術(shù)研究工作的科技工作者、電工工程技術(shù)領域的技術(shù)人員、儀器設備研制和生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

序

前言

第1章 緒論

1．1 電力系統(tǒng)發(fā)展所面臨的重大課題

1．2 超導電力技術(shù)

1．2．1 超導電機

1．2．2 超導電纜

1．2．3 超導變壓器

1．2．4 超導限流器

1．2．5 超導磁儲能

1．3 超導磁儲能系統(tǒng)（SMES）的構(gòu)成及其工作原理

1．4 SMES在電力系統(tǒng)中的應用途徑

1．5 本書內(nèi)容概述

參考文獻

第2章 超導應用基礎知識

2．1 超導基礎知識

2．1．1 超導體的分類及發(fā)展歷程

2．1．2 超導體的基本特性

2．1．3 超導體的三個臨界值

2．1．4 第Ⅰ類超導體和第Ⅱ類超導體

2．1．5 超導體內(nèi)的磁通運動

2．2 超導導線

2．2．1 超導導線的基本形式

2．2．2 低溫超導導線

2．2．3 高溫超導導線

2．3 超導磁體

2．3．1 超導磁體的種類

2．3．2 超導磁體的電磁特性

2．3．3 超導磁體的應用領域

2．3．4 超導磁體的電磁設計要點

2．3．5 超導磁體的失超保護

2．4 低溫技術(shù)

2．4．1 低溫液體

2．4．2 制冷機

2．4．3 低溫容器

2．4．4 真空技術(shù)

2．4．5 超導磁體的低溫系統(tǒng)

2．5 超導裝置的電流引線

2．5．1 電流引線的分類

2．5．2 電流引線的設計要點

2．5．3 電流引線的發(fā)展現(xiàn)狀及水平

參考文獻

第3章 SMES用變流器及其控制策略研究

3．1 SMES用變流器的基本原理和拓撲結(jié)構(gòu)

3．1．1 SMES用電流源型變流器的基本原理

3．1．2 SMES用電流源型變流器大容量拓撲結(jié)構(gòu)

3．1．3 SMES用電壓源型變流器的基本原理

3．1．4 SMES用電壓源型變流器大容量拓撲結(jié)構(gòu)

3．1．5 SMES用電流型變流器與電壓型變流器的比較

3．2 離散化狀態(tài)反饋解耦控制策略

3．2．1 離散化狀態(tài)反饋解耦控制

3．2．2 離散化狀態(tài)反饋解耦控制的數(shù)字實現(xiàn)

3．3 SMES用電流源型變流器的控制

3．3．1 電流源型變流器的數(shù)學模型

3．3．2 電流源型變流器的控制器設計

3．3．3 仿真分析

3．4 SMES用電壓源型變流器的控制

3．4．1 電壓源型變流器的數(shù)學模型

3．4．2 斬波器的數(shù)學模型

3．4．3 電壓源型變流器控制器設計

3．4．4 仿真分析

參考文獻

第4章 SMES提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

4．1 SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機理

4．1．1 暫態(tài)穩(wěn)定分析計算的基本假設

4．1．2 含SMES的電力系統(tǒng)功角特性

4．1．3 基于能量函數(shù)的SMES控制理論分析

4．2 基于頻率和電壓調(diào)節(jié)的SMES控制器設計

4．3 SMES相量模型

4．3．1 相量仿真法及其應用于SMES的可行性

4．3．2 電壓源型SMES相量模型的建立

4．3．3 SMES相量模型的仿真分析

4．4 SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的仿真分析

4．5 SMES改善電壓穩(wěn)定性的基本分析

4．5．1 單負荷無窮大母線系統(tǒng)

4．5．2 負荷靜態(tài)特性

4．5．3 SMES改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的分析

4．6 SMES提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究實例

4．6．1 30MJSMES抑制美國西部電網(wǎng)低頻振蕩

4．6．2 30kJSMES提高水輪發(fā)電機穩(wěn)定性

4．6．3 1kWh/1MwSM：ES用于系統(tǒng)穩(wěn)定控制

4．6．4 D－SMES改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

參考文獻

第5章 SMES改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量

5．1 電能質(zhì)量問題

5．2 動態(tài)電壓恢復器（DVR）及其控制

5．2．1 工作原理

5．2．2 DVR的基本組成部分

5．2．3 DVR的控制策略

5．3 電壓暫降的檢測方法

5．3．1 檢測方法的基本分類

5．3．2 基于瞬時無功功率理論的aqO變換方法

5．3．3 虛擬三相d－q變換方法

5．4 基于SMES的動態(tài)電壓恢復器的仿真分析

5．4．1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

5．4．2 檢測方法的仿真分析

5．4．3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

5．5 SM．ES用作不間斷電源

5．5．1 后備式SMES－UPS

5．5．2 在線互動式SMES－UPS

5．5．3 雙變換在線式SMES－UPS

5．6 研究實例

5．6．1 ASCSMES改善電能質(zhì)量問題的安裝運行實例

5．6．2 日本中部電力公司5Mj/5MVASMES

5．6．3 韓國3MJ/750kVASMES

參考文獻

第6章 SMES在電力系統(tǒng)的新應用模式研究

6．1 基于SMES的電流控制器

6．1．1 電流控制器的作用原理

6．1．2 限制短路電流的特性分析

6．1．3 動態(tài)潮流控制特性分析

6．1．4 電流控制器技術(shù)可行性分析

6．2 基于SMES的雙饋風力發(fā)電勵磁系統(tǒng)

6．2．1 系統(tǒng)工作原理

6．2．2 系統(tǒng)控制方案

6．2．3 仿真分析

6．3 在獨立電力系統(tǒng)中SMES的一機多職應用

6．3．1 獨立電力系統(tǒng)特性

6．3．2 SMES一機多職概念

6．3．3 SMES磁體兩種不同功能的實現(xiàn)方式

6．3．4 多模塊超導儲能脈沖電流輸出實驗

6．4 其他應用方式

6．4．1 電力系統(tǒng)狀態(tài)診斷

6．4．2 超導限流－儲能系統(tǒng)

6．4．3 在微網(wǎng)中的綜合應用

6．5 本章小結(jié)

參考文獻

第7章 35kJ/7．5 kW直接冷卻高溫超導SMES

7．1 SMES的系統(tǒng)組成

7．1．1 高溫超導磁體

7．1．2 低溫系統(tǒng)和電流引線

7．1．3 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

7．1．4 監(jiān)控系統(tǒng)

7．2 SMEs磁體的設計制作

7．2．1 高溫超導線材

7．2．2 高溫超導磁體設計

7．2．3 高溫超導磁體的雜散磁場分析

7．2．4 高溫超導磁體熱穩(wěn)定性分析

7．2．5 高溫超導磁體的制作

7．3 SMES的基本特性實驗

7．3．1 實驗用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

7．3．2 系統(tǒng)冷卻

7．3．3 超導磁體通流特性

7．3．4 SMES功率調(diào)節(jié)特性

7．4 SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的動模實驗

7．5 超導磁體動態(tài)溫度特性

7．5．1 直流充磁試驗中磁體的溫度特性

7．5．2 開環(huán)功率調(diào)節(jié)試驗中磁體的溫度特性

7．5．3 動模試驗中磁體的溫度特性

參考文獻

第8章 SMES的發(fā)展戰(zhàn)略研究

8．1 SMES的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢

8．2 SMES的關(guān)鍵技術(shù)

8．2．1 廣泛應用超導電力的基本條件

8．2．2 超導電力的關(guān)鍵技術(shù)課題

8．2．3 SMES的技術(shù)課題

8．3 SMES的實驗項目與方法

8．3．1 SMES試驗前的準備工作

8．3．2 SMES磁體試驗

8．3．3 SMES變流器試驗

8．3．4 SMES功率調(diào)節(jié)試驗

8．3．5 SMES的系統(tǒng)響應特性試驗

參考文獻

超導技術(shù)的應用前景非常廣闊，涉及到電工電力、交通、通信等眾多領域。就超導電力技術(shù)而言，雖然她還是一個前瞻性的技術(shù)，但她是一個具有戰(zhàn)略性意義的高新技術(shù)。

《超導磁儲能系統(tǒng)（SMES）及其在電力系統(tǒng)中的應用》的內(nèi)容主要是作者及其所在的團隊在超導技術(shù)上所做的研究工作的總結(jié)，并就超導技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略提出了一些自己的看法。書中也廣泛綜合了國內(nèi)外的研究資料。全書共分8章，內(nèi)容包括：緒論、超導應用基礎知識、SMES用變流器及其控制策略研究、SMES提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、SMES改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、SMES在電力系統(tǒng)的新應用模式研究、35kJ/7.5kw直接冷卻高溫超導SMES、SMES的發(fā)展戰(zhàn)略研究等。

期望《超導磁儲能系統(tǒng)（SMES）及其在電力系統(tǒng)中的應用》能對超導技術(shù)工作者、電氣工程學科的學生以及電力相關(guān)的管理人員、技術(shù)人員理解SMES有所裨益，對促進我國超導電力技術(shù)的進步起到拋磚引玉的效果。