[发明专利]一种提高超导磁储能线圈优化计算速度的方法

说明书

本发明涉及一种提高超导磁储能线圈优化计算速度的方法，给定超导带材总量、绕制而成的线圈总饼数一定，通过使用改进粒子群算法，大大减少了得到最优磁体尺寸的计算时间，在最优尺寸下，可以使得磁体的最大储能密度达到最高。具体是在有限元软件COMSOL中建立相应的超导磁体储能模型，在MATLAB中建立粒子群算法，通过在MATLAB中修改参数即粒子位置值，传入COMSOL中，COMSOL中计算相应的最大储能密度值将其作为适应度函数值输出回MATLAB中，通过改进的粒子群算法快速计算出最优尺寸从而使得磁体的最大储能密度达到最高，最终达到减少优化时间的目的。

技术领域

本发明涉及一种提高超导磁储能线圈优化计算速度的方法，得到了在给定带材总量、给定绕制线圈的总饼数时，超导磁储能线圈的最优尺寸，在此尺寸下，可使得对应饼数的超导储能线圈的储能密度达到最大。

背景技术

随着人类社会的发展，能源问题越来越得到重视，超导磁储能装置(HighTemperature Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)具有体积小、重量轻、储能密度高、功率密度高、能量转换效率高、反应速度快、功率补偿能力强等优点，在抑制因发电机机端短路故障引起的功率震荡、提高电力系统稳定性、改善供电品质等方面具有独特的优势而一直被国内外众多学者所研究。

高温超导材料具有明显的电磁各向异性特性，其临界电流的大小与磁场的大小及磁场与带材表面的角度均相关，故高温超导磁体的临界电流准确计算较困难。超导磁体的储能总量和电感均与带材性能、磁体结构参数密切相关，并呈现明显的非线性关系。超导磁体的电磁优化设计过程多采用商业化有限元软件进行参数化扫描以获得最佳的结构参数，但此种方法全局寻优能力较差。同时，由于超导材料的本构关系和电磁各向异性，软件建模时算法收敛性差，计算时间较长。

高温超导储能磁体设计方法的国内外现状总结如下：高温超导储能磁体优化设计过程通常由优化目标的确定、优化算法的确定、优化变量的确定、约束条件的设置和后处理等组成。根据优化目的的不同，其优化目标可分为超导材料的用量、超导磁体的储能量、磁体的体积、磁体的带材利用率、磁体的储能密度、磁体的磁场均匀度等方面。优化变量一般选择超导磁体的几何参数，而采用粒子群算法优化磁体的尺寸进而优化磁体的最大储能密度目前未有人提出。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述高温超导磁体优化设计计算速度较慢的问题，提供一种提高超导磁储能线圈优化计算速度的方法，，采用了粒子群算法显著提升了计算速度。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种提高超导磁储能线圈的优化计算速度方法，包括以下步骤：

(1)给定带材总量L米，给定绕制的总饼数M(超导线圈由给定饼数的单螺线管线圈堆叠而成)，给定带材种类，设定的温度，相应的带材临界电流特性。

(2)在COMSOL有限元软件中建立相应的超导磁体二维储能模型，能够计算出超导磁体的体积储能密度。超导磁体在带材确定的情况下，密度确定，所以只需要求的最优的体积储能密度，就能够求得相应的最优质量储能密度。体积储能密度定义如下：

其中，E为螺线管的总储能，由式(3)得到，V_coil为线圈体积大小，绕制线圈时假定线圈紧密绕制，中间没有空隙，则给定带材总长度的情况下线圈体积一定与给定带材总体积相等。并且，式(1)中线圈体积V_coil可以按式(2)定义：

V_coil＝Mπ(r₂²-r₁²)b＝abL (2)