超导电力装置规模化应用中的基础性理论和技术课题

超导装置在电力系统中的有效应用可以大幅度提高输配电线路的输送容量,改善电能的质量,降低电网的损耗,减少电力设备占地和环境污染。国内外研究单位开展了大量的研究开发工作,研制出各类超导电力装置并挂网示范运行。本文在现有超导电力装置研究的基础上,分析超导装置引入电力系统后带来的一系列基础理论和技术问题,分别从装置层面、运行层面及系统层面具体分析并概要性地总结研究思路,以解决超导装置与电力系统的相互配合问题,促进超导装置在电力系统中的工程化应用的进程。     

高场超导磁体研究进展及其应用

高磁场对科学技术的发展具有极其重要的作用,它孕育着许多重大的科学发现和新技术的产生。超高磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种装备、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义。目前世界上许多研究机构和实验室开展了基于高温超导带材绕制高场直流超导磁体的项目。本文以高场超导磁体领域几个主要的研究机构为对象,主要介绍其在全超导高场磁体方面进行的研究工作,包括设计方案、技术特点和最新的研究进展,并对高场超导磁体的主要应用进行简要介绍。     

高临界电流密度、低损耗Cu5Ni基NbTi线材制备技术研究

重离子装置中的加速器磁体均服役在±2.25T/s的高速脉冲条件下,因此要求该种磁体所用的超导线材具有较高的临界电流和较低的损耗。针对项目需求,本文设计及制备了两种新型结构的NbTi/Cu5Ni超导线材,芯数分别为12960芯和10800芯、铜比2.0、芯丝直径均小于5 μm。系统研究了两种新型结构超导线的芯丝截面形貌、芯丝表面形貌、磁滞损耗及不同时效热处理下的临界电流密度和n值。通过优化工艺后获得了Jc(5 T、4.2 K)为2902 A/mm_²,Qh(4.2 K,± 3T)为34.2 mJ/cm_³ 的千米级NbTi/Cu5Ni超导长线,并可实现批量化生产,为重离子装置的研制提供材料基础。     

Comparison and Analysis of Twist Pitch Length Test Methods for ITER Nb3Sn and NbTi Strands

国际热核聚变反应堆ITER磁体采用的Nb3Sn及NbTi超导线为多丝扭绞结构。作为超导线设计和应用的重要参数,股线扭距及扭转方向必需满足ITER要求,并且该性能参数须进行复验。根据ITER PA要求,股线的扭距大小为15 mm ± 2 mm,扭转方向为右向。超导线扭距及扭转方向测试可以通过在一小段直的样品上判断其超导丝分布规律或者其超导丝的角度得到。这里描述和比较了多种不同的测试方法。对不同方法的测试精度,不确定度以及可行度进行了分析,同时提出了针对ITER超导股线扭距复验的推荐方法。     

高温超导变压器研发进展综述

与传统常规变压器相比,超导变压器具有很多优势,如体积小、重量轻、损耗低、无污染火灾隐患等。近十几年来,随着高温超导线材取得重要的研究进展,国际上相继开展了高温超导变压器的研发,已有三台样机成功地完成了挂网试验。简要介绍了近年来国内外高温超导变压器（包括电力变压器和机车变压器）的研发情况以及近期几个基于第二代高温超导线材的高温超导变压器项目,并指出随着高温超导线材的技术发展,限流变压器的研究值得关注。     

PIλ 电流内环控制器实现的链式APF在外超导磁体中的应用

稳态强磁场超导磁体电源采用双反星型可控硅整流技术方案,是一种典型的非线性负载,运行时会带来较大的无功冲击及谐波污染。针对科学装置的链式高压有源电力滤波方案规划,结合有源滤波系统的非线性特性,提出一种采用分数阶PI控制器代替普通PI控制器实现的电流内环解耦方法,基于改进的Oustaloup算法,实现分数阶微积分的求解。通过仿真与实验对比分析了分数阶PI与常规PI控制器的运行效果。经仿真与实验表明,采用的分数阶PI电流内环控制器是正确的,且具有一定的参考价值。     

高温超导变压器关键技术

由于超导材料的无阻载流特性,其在超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导储能、超导电机等超导电力装置中的应用引起人们极大兴趣。其中超导变压器具有体积小、重量轻、损耗低、无火灾隐患、无环境污染和低漏抗等特点。简要介绍了高温超导变压器基本结构,重点介绍了变压器研发过程中的关键技术问题,包括液氮和气氮低温绝缘特性、超导绕组损耗分析、电流引线设计、非金属低温容器设计等,为高温超导变压器的研发提供有用的参考。     

Control strategy optimization for energy efficiency and harmonic mitigation in multi-series converters

To provide electrical power for the Research System of Superconducting Magnets (RSSMs) including the background field superconducting magnet and the tested superconducting objects, the high power phase-controlled converter will be used to develop the power supply system. However, because of its inner nonlinear feature, the current harmonics and the reactive power are injected into the AC power supply system. To improve the quality of the power supply system for RSSMs, an improved synchronous control strategy is suggested for the superconducting magnet power supply system, which comprises four series-connected six-pulse converters fed by a phase-shifting transformer, respectively. According to the proposed control strategy, the basic unit is two 12-pulse converters and the control method will be changed in terms of load fluctuations which are represented by the per unit value of converter output voltage. As a result, harmonic is greatly reduced but the power factor is also high.     

环氧树脂固化工艺条件对YBCO超导带材临界电流的影响

为了研究固化条件对超导带材临界电流的影响,采用电测法实验测量了多种固化工艺条件下YBCO高温超导带材的临界电流。分析得到热处理温度140℃时,超导带临界电流出现明显退化,温度越高退化越明显;超导带临界电流随着固化时间的延长而降低,处理温度越高,随时间下降的幅度越大,并从超导体钉扎效应的角度对实验结果进行了初步的分析。