高温超导技术在电力装备中的应用

译者序

原书序

缩略语

第1 章　引言 1

第2 章　高温超导材料 4

2. 1　概述 4

2. 2　高温超导体背景和专业术语 5

2. 2. 1　背景 5

2. 2. 2　术语 5

2. 3　BSCCO￣2212 导体 7

2. 4　BSCCO￣2223 OPIT 线材 8

2. 4. 1　制备工艺 8

2. 4. 2　电气和力学特性 9

2. 5　YBCO￣123 涂层导体 12

2. 6　二硼化镁(MgB2 ) 16

2. 7　不同高温超导体的技术现状 19

2. 8　超导磁体设计 19

2. 9　总结 24

参考文献 24

第3 章　冷却与绝热系统 26

3. 1　引言 26

3. 2　低温恒温器结构 26

3. 3　高温超导磁体用低温制冷剂 27

3. 4　采用制冷剂直接冷却方式 28

3. 5　间接或传导冷却 29

3. 6　低温制冷系统 30

3. 6. 1　吉福德￣麦克马洪(G￣M) 制冷机 31

3. 6. 2　斯特林制冷机 33

3. 6. 3　脉冲管制冷机 34

3. 7　液氮开环冷却 35

3. 8　磁体材料 36

3. 9　电流引线 36

3. 9. 1　低温超导磁体电流引线 37

3. 9. 2　导冷引线设计 38

3. 10　低温恒温器设计实例 39

3. 10. 1　结构 39

3. 10. 2　热负荷计算 39

3. 10. 3　电流引线 41

3. 10. 4　热传导 41

3. 10. 5　制冷机的选择 42

3. 11　总结 42

参考文献 43

第4 章　旋转交流电机 44

4. 1　引言 44

4. 2　拓扑结构 44

4. 3　分析与参数计算 46

4. 3. 1　磁路和谐波分量 46

4. 3. 2　参数计算 52

4. 3. 3　电机端部参数 58

4. 4　设计 64

4. 4. 1　定子绕组设计问题 64

4. 4. 2　励磁绕组设计问题 66

4. 4. 3　电磁屏蔽罩设计问题 69

4. 4. 4　损耗和效率计算 69

4. 4. 5　设计实例 70

4. 5　制造问题 78

4. 5. 1　超导励磁绕组及其冷却系统 78

4. 5. 2　低温励磁绕组到室温轴的转矩传递 80

4. 5. 3　定子绕组 80

4. 6　仿真 81

4. 7　发电机 81

4. 7. 1　高速发电机 82

4. 7. 2　中速发电机 83

4. 8　电动机 86

4. 8. 1　高速电动机 87

4. 8. 2　低速电动机 88

4. 9　总结 90

参考文献 90

第5 章　旋转直流单极电机 93

5. 1　引言 93

5. 2　原理 93

5. 3　结构 94

5. 4　设计难点 95

5. 5　原型样机 97

5. 6　总结 98

参考文献 98

第6 章　交流同步单极电机 100

6. 1　引言 100

6. 2　原理 100

6. 3　设计分析 102

6. 4　设计难点 102

6. 5　原型样机 103

6. 6　总结 103

参考文献 103

第7 章　变压器 105

7. 1　引言 105

7. 2　结构 106

7. 3　设计分析 109

7. 3. 1　铁心尺寸 111

7. 3. 2　50 MVA 实例设计 112

7. 4　技术难题 120

7. 5　制造问题 121

7. 6　原型 122

7. 7　总结 122

参考文献 122

第8 章　故障限流器 124

8. 1　引言 124

8. 2　原理和结构 125

8. 2. 1　电阻型故障限流器 126

8. 2. 2　屏蔽铁心型感性FCL 129

8. 2. 3　饱和铁心电感型FCL 130

8. 3　设计流程 132

8. 3. 1　实例设计———电阻型故障限流器 134

8. 3. 2　实例设计———饱和铁心型故障限流器 143

8. 4　面临的问题 147

8. 4. 1　电阻型故障限流器的问题 147

8. 4. 2　电感型故障限流器的问题 148

8. 5　制造问题 149

8. 6　原型样机 149

Ⅹ 高温超导技术在电力装备中的应用

8. 6. 1　美国超导公司(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　总结 153

参考文献 153

第9 章　电缆 156

9. 1　引言 156

9. 2　结构 158

9. 2. 1　阻性低温电缆 158

9. 2. 2　高温超导电缆 159

9. 3　设计分析 161

9. 3. 1　低温电缆分析 161

9. 3. 2　高温超导电缆分析 164

9. 4　面临的问题 173

9. 4. 1　阻性低温电缆的问题 173

9. 4. 2　高温超导电缆的问题 175

9. 5　制造问题 177

9. 5. 1　阻性低温电缆的问题 177

9. 5. 2　高温超导电缆的问题 178

9. 6　原型 179

9. 6. 1　阻性低温电缆 179

9. 6. 2　高温超导电缆———高压等级 180

9. 6. 3　高温超导电缆———中压等级 181

9. 6. 4　TriaxTM高温超导电缆———低压等级 182

9. 7　总结 183

参考文献 184

第10 章　磁悬浮交通 186

10. 1　引言 186

10. 2　结构 186

10. 2. 1　电动悬浮 187

10. 2. 2　电磁悬浮 189

10. 3　设计分析 191

10. 3. 1　电动磁悬浮 191

10. 3. 2　电磁悬浮 193

10. 4　问题(技术/经济) 195

10. 4. 1　EDS 系统面临的问题 195

10. 4. 2　EMS 系统面临的问题 196

10. 5　制造问题 196

10. 6　原型样机 197

10. 6. 1　诺斯罗普.格鲁门公司的概念 197

10. 7　总结 203

参考文献 203

第11 章　磁体应用 205

11. 1　引言 205

11. 2　空心磁体 206

11. 2. 1　高场磁体 206

11. 2. 2　低场磁体 208

11. 3　铁心磁体 211

11. 3. 1　束流偏转 211

11. 3. 2　感应加热 211

11. 3. 3　同步加速器 213

11. 4　总结 214

参考文献 214

本书系统地介绍了近年来超导电力技术的发展状况，分章节就目前商品化超导材料应用性能、低温制冷设备技术状况和各种高温超导电力装备的工作原理、结构组成、设计方法、模型样机、制造工艺和工程应用进行了详细论述。其中，涉及交/直流电机、电力变压器、故障电流限制器、电力电缆、磁悬浮交通等诸多应用领域，就人们所关心的技术经济性问题，深入分析了各种电力装备及其工程应用的关键要点、存在问题及其解决途径。并且在部分章给出了设计实例，为读者快速掌握技术核心、开展自主设计提供了重要帮助和参考。本书内容具体翔实，涉及知识领域广泛，与同类图书相比，介绍内容更偏重超导装备实用化技术。

《高温超导体及其强电应用技术》全面介绍了高温超导体强电应用技术，内容包括高温超导物性及材料基础、高温超导材料的强电应用特性、高温超导材料强电应用技术、各种高温超导电力装置及高温超导强电应用特种装置；较全面地阐述了各种高温超导强电应用的基本概念、相关技术、应用特性和发展状况。

《高温超导体及其强电应用技术》可供从事应用超导技术研究工作的科技工作者、电工工程技术领域的技术人员、仪器设备研制和生产行业的技术人员及高等院校相关专业的师生参考。

序

前言

第1章 绪论

1．1 电力系统发展所面临的重大课题

1．2 超导电力技术

1．2．1 超导电机

1．2．2 超导电缆

1．2．3 超导变压器

1．2．4 超导限流器

1．2．5 超导磁储能

1．3 超导磁储能系统（SMES）的构成及其工作原理

1．4 SMES在电力系统中的应用途径

1．5 本书内容概述

参考文献

第2章 超导应用基础知识

2．1 超导基础知识

2．1．1 超导体的分类及发展历程

2．1．2 超导体的基本特性

2．1．3 超导体的三个临界值

2．1．4 第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体

2．1．5 超导体内的磁通运动

2．2 超导导线

2．2．1 超导导线的基本形式

2．2．2 低温超导导线

2．2．3 高温超导导线

2．3 超导磁体

2．3．1 超导磁体的种类

2．3．2 超导磁体的电磁特性

2．3．3 超导磁体的应用领域

2．3．4 超导磁体的电磁设计要点

2．3．5 超导磁体的失超保护

2．4 低温技术

2．4．1 低温液体

2．4．2 制冷机

2．4．3 低温容器

2．4．4 真空技术

2．4．5 超导磁体的低温系统

2．5 超导装置的电流引线

2．5．1 电流引线的分类

2．5．2 电流引线的设计要点

2．5．3 电流引线的发展现状及水平

参考文献

第3章 SMES用变流器及其控制策略研究

3．1 SMES用变流器的基本原理和拓扑结构

3．1．1 SMES用电流源型变流器的基本原理

3．1．2 SMES用电流源型变流器大容量拓扑结构

3．1．3 SMES用电压源型变流器的基本原理

3．1．4 SMES用电压源型变流器大容量拓扑结构

3．1．5 SMES用电流型变流器与电压型变流器的比较

3．2 离散化状态反馈解耦控制策略

3．2．1 离散化状态反馈解耦控制

3．2．2 离散化状态反馈解耦控制的数字实现

3．3 SMES用电流源型变流器的控制

3．3．1 电流源型变流器的数学模型

3．3．2 电流源型变流器的控制器设计

3．3．3 仿真分析

3．4 SMES用电压源型变流器的控制

3．4．1 电压源型变流器的数学模型

3．4．2 斩波器的数学模型

3．4．3 电压源型变流器控制器设计

3．4．4 仿真分析

参考文献

第4章 SMES提高电力系统稳定性

4．1 SMES抑制电力系统功率振荡的机理

4．1．1 暂态稳定分析计算的基本假设

4．1．2 含SMES的电力系统功角特性

4．1．3 基于能量函数的SMES控制理论分析

4．2 基于频率和电压调节的SMES控制器设计

4．3 SMES相量模型

4．3．1 相量仿真法及其应用于SMES的可行性

4．3．2 电压源型SMES相量模型的建立

4．3．3 SMES相量模型的仿真分析

4．4 SMES抑制电力系统功率振荡的仿真分析

4．5 SMES改善电压稳定性的基本分析

4．5．1 单负荷无穷大母线系统

4．5．2 负荷静态特性

4．5．3 SMES改善系统电压稳定性的分析

4．6 SMES提高系统稳定性的研究实例

4．6．1 30MJSMES抑制美国西部电网低频振荡

4．6．2 30kJSMES提高水轮发电机稳定性

4．6．3 1kWh/1MwSM：ES用于系统稳定控制

4．6．4 D－SMES改善系统电压稳定性

参考文献

第5章 SMES改善电力系统的电能质量

5．1 电能质量问题

5．2 动态电压恢复器（DVR）及其控制

5．2．1 工作原理

5．2．2 DVR的基本组成部分

5．2．3 DVR的控制策略

5．3 电压暂降的检测方法

5．3．1 检测方法的基本分类

5．3．2 基于瞬时无功功率理论的aqO变换方法

5．3．3 虚拟三相d－q变换方法

5．4 基于SMES的动态电压恢复器的仿真分析

5．4．1 系统仿真参数

5．4．2 检测方法的仿真分析

5．4．3 系统仿真结果

5．5 SM．ES用作不间断电源

5．5．1 后备式SMES－UPS

5．5．2 在线互动式SMES－UPS

5．5．3 双变换在线式SMES－UPS

5．6 研究实例

5．6．1 ASCSMES改善电能质量问题的安装运行实例

5．6．2 日本中部电力公司5Mj/5MVASMES

5．6．3 韩国3MJ/750kVASMES

参考文献

第6章 SMES在电力系统的新应用模式研究

6．1 基于SMES的电流控制器

6．1．1 电流控制器的作用原理

6．1．2 限制短路电流的特性分析

6．1．3 动态潮流控制特性分析

6．1．4 电流控制器技术可行性分析

6．2 基于SMES的双馈风力发电励磁系统

6．2．1 系统工作原理

6．2．2 系统控制方案

6．2．3 仿真分析

6．3 在独立电力系统中SMES的一机多职应用

6．3．1 独立电力系统特性

6．3．2 SMES一机多职概念

6．3．3 SMES磁体两种不同功能的实现方式

6．3．4 多模块超导储能脉冲电流输出实验

6．4 其他应用方式

6．4．1 电力系统状态诊断

6．4．2 超导限流－储能系统

6．4．3 在微网中的综合应用

6．5 本章小结

参考文献

第7章 35kJ/7．5 kW直接冷却高温超导SMES

7．1 SMES的系统组成

7．1．1 高温超导磁体

7．1．2 低温系统和电流引线

7．1．3 功率调节系统

7．1．4 监控系统

7．2 SMEs磁体的设计制作

7．2．1 高温超导线材

7．2．2 高温超导磁体设计

7．2．3 高温超导磁体的杂散磁场分析

7．2．4 高温超导磁体热稳定性分析

7．2．5 高温超导磁体的制作

7．3 SMES的基本特性实验

7．3．1 实验用数据采集系统

7．3．2 系统冷却

7．3．3 超导磁体通流特性

7．3．4 SMES功率调节特性

7．4 SMES抑制电力系统功率振荡的动模实验

7．5 超导磁体动态温度特性

7．5．1 直流充磁试验中磁体的温度特性

7．5．2 开环功率调节试验中磁体的温度特性

7．5．3 动模试验中磁体的温度特性

参考文献

第8章 SMES的发展战略研究

8．1 SMES的发展历程及发展趋势

8．2 SMES的关键技术

8．2．1 广泛应用超导电力的基本条件

8．2．2 超导电力的关键技术课题

8．2．3 SMES的技术课题

8．3 SMES的实验项目与方法

8．3．1 SMES试验前的准备工作

8．3．2 SMES磁体试验

8．3．3 SMES变流器试验

8．3．4 SMES功率调节试验

8．3．5 SMES的系统响应特性试验

参考文献

超导技术的应用前景非常广阔，涉及到电工电力、交通、通信等众多领域。就超导电力技术而言，虽然她还是一个前瞻性的技术，但她是一个具有战略性意义的高新技术。

《超导磁储能系统（SMES）及其在电力系统中的应用》的内容主要是作者及其所在的团队在超导技术上所做的研究工作的总结，并就超导技术的发展战略提出了一些自己的看法。书中也广泛综合了国内外的研究资料。全书共分8章，内容包括：绪论、超导应用基础知识、SMES用变流器及其控制策略研究、SMES提高电力系统稳定性、SMES改善电力系统的电能质量、SMES在电力系统的新应用模式研究、35kJ/7.5kw直接冷却高温超导SMES、SMES的发展战略研究等。

期望《超导磁储能系统（SMES）及其在电力系统中的应用》能对超导技术工作者、电气工程学科的学生以及电力相关的管理人员、技术人员理解SMES有所裨益，对促进我国超导电力技术的进步起到抛砖引玉的效果。