[發明專利]一種基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法

在審

• 申請號: 202210637909.2
• 申請日: 2022-06-07
• 公開（公告）號: CN115048833A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 陳妍君;宗明;張宇俊;肖業凡;李沁愉;陸慧豐;顧志銘
• 申請（專利權）人: 國網上海市電力公司;上海交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;H01B12/00;G06F119/08
• 代理公司: 上海兆豐知識產權代理事務所(有限合伙) 31241
• 代理人: 章蔚強

本發明公開了一種基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法，包括如下步驟：步驟1，搭建三維電纜微觀模型，該模型為基于COMSOL有限元仿真的超導電纜傳輸損耗計算模型，并采用周期性邊界條件方法來計算電纜損耗；步驟2，在三維電纜微觀模型中對超導電纜的運行電流進行參數化掃描仿真，對不同工況下的超導電纜傳輸損耗進行計算，構建超導電纜傳輸損耗數據庫，導入至MATLAB中進行擬合計算；步驟3，搭建電力系統宏觀模型，模擬超導電纜在正常運行狀態下與故障運行狀態下的超導性能變化。本發明能夠對超導電纜在不同工況下的電熱情況進行仿真。

技術領域

本發明涉及一種用于超導電纜領域的基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法。

背景技術

近年來，超導材料由于其優越的功率傳輸特性，促使超導電纜的商業化應用成為了研究熱點。但是相比于傳統的輸電電纜，高溫超導電纜的建設與安裝成本幾乎高于傳統電纜的三倍，其中制冷系統的成本是制約其經濟效益提升的主要因素。當超導材料傳輸交流電或者處于交變磁場的環境下，超導材料就會產生交流損耗。在高溫超導電纜正常運行過程中，其交流損耗的主要來源是給超導體通以變電流而產生的傳輸損耗。而該傳輸損耗也是制冷機的主要熱負荷來源。因此，高溫超導電纜制冷系統的優化需要從對其傳輸損耗的計算進行研究。

由于高溫超導電纜制冷系統的功耗一方面包括對熱負荷不敏感的設備，通常指冷泵、水冷機組等設備；另一方面包括對熱負荷敏感的設備，通常指主制冷機。因此，制冷系統的功耗主要受到超導電纜的傳輸損耗大小的影響。設計一種基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法具有較大的意義。良好的超導電纜制冷系統是保證超導材料在正常運行狀態下和故障運行狀態下的性能穩定的一個重要因素。由于目前業界對于超導電纜在各種工況下的溫度場仿真計算，并未考慮正常狀態下的傳輸損耗以及超導電纜內部溫升沿著軸向上的變化，無法實現制冷系統在不同工況下的能耗分配問題，導致超導電纜制冷系統的成本無法縮減。

文獻“Safety Verification of a 275-kV HTS Cable System Under Short-Circuit Current Accidents[J],IEEE Transactions on Applied Superconductivity,28.4(2018),1-5.”于2018年提出了一套用于計算超導電纜內部液氮溫度沿著電纜長度方向上的算法。對于液氮的溫度計算以及壓力計算采用了偏微分方程進行理論分析。并采用有限差分法，將其轉化為一套仿真代碼，模擬了在正常運行狀態下考慮交流損耗與不考慮交流損耗的溫度分布情況。與此同時，模擬了在故障情況下超導電纜中不同組件的溫度隨著時間的變化。此文獻著重在于用解析法對超導電纜內部的溫度分布進行計算，因此會帶來的問題是編程較難，且計算量較大；：此文獻在模擬正常運行狀態下的超導電纜溫度場分布情況時，輸入的損耗為恒定值,無法模擬超導電纜實時損耗數據。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法，能夠對超導電纜在不同工況下的電熱情況進行仿真。

實現上述目的的一種技術方案是：一種基于超導電纜傳輸損耗的制冷系統優化方法，包括如下步驟：

步驟1，搭建三維電纜微觀模型，該模型為基于COMSOL有限元仿真的超導電纜傳輸損耗計算模型，并采用周期性邊界條件方法來計算電纜損耗；

步驟2，在三維電纜微觀模型中對超導電纜的運行電流進行參數化掃描仿真，對不同工況下的超導電纜傳輸損耗進行計算，構建超導電纜傳輸損耗數據庫，導入至MATLAB中進行擬合計算；

步驟3，搭建電力系統宏觀模型，模擬超導電纜在正常運行狀態下與故障運行狀態下的超導性能變化。

進一步的，步驟2中對不同工況下的超導電纜傳輸損耗進行計算，構建超導電纜傳輸損耗數據庫的具體方法為，通過改變超導電纜運行電流模擬其在不同工況下的傳輸損耗，將數據擬合成損耗與運行電流相關的計算公式，從而進行超導電纜傳輸損耗數據庫構建。