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深耕材料模拟与多场仿真 助力先进电工装备国产化——华北电力大学先进材料与输变电技术课题组
2021-11-25
面向“碳达峰、碳中和”建设高比例新能源为主体的新型电力系统，实现能源战略转型，是以绿色清洁的方式满足能源需求，实现经济社会可持续发展的重要途径。近年来，特高压输电技术在我国快速发展，特高压骨干网架的形成，为建设坚强智能电网，实现西电东输，支持国家经济发展奠定了重要基础。
在特高压交直流输电工程中，特高压设备的优化设计与安全运行承受严峻的考验，一方面设备的电压等级和容量更高，另一方面直流偏磁、谐波等运行条件愈加复杂，由此带来的设备振动、噪声、发热、绝缘等问题日益突出。在高功率密度、高场强的运行条件下，设备处于电、磁、热、流、力、声等多物理场中，表现出复杂的材料特性与多场耦合效应。针对单场进行材料性能模拟和数值仿真的传统方法，已经不能够满足材料综合性能模拟、设备优化设计与可靠运行的工程要求。
华北电力大学先进材料与输变电技术课题组针对特高压输变电设备运行中的材料性能工程模拟、多物理场耦合仿真、储能材料及关键技术等问题进行深入研究，取得了多方面的研究成果，为先进电工材料研发与电工装备国产化提供了重要支撑。
1 电工材料服役磁性能的精确预测
随着直流输电和柔性输电技术的发展，电力电子器件已广泛应用于新型电力系统，使得电力系统中产生了直流偏磁和大量谐波，导致磁通畸变、铁心半周饱和、变压器损耗增大，易出现变压器局部过热等问题，严重危害电力系统安全运行。因此研究硅钢片在非正弦激励下的磁性能，对变压器铁心与构件的服役磁性能进行精确工程模拟具有重要意义。然而要准确计算交直流混合激励下的铁心损耗和构件杂散损耗并非易事，以往的研究工作只关注了正弦激励下、高次谐波激励下的损耗模拟问题，并没有针对直流偏磁与谐波叠加的情况进行重点研究，尚缺乏行之有效的方法。
先进材料与输变电技术课题组针对特高压变压器铁心损耗问题，提出了考虑非对称特征的静态磁滞模型参数辨识方法，利用直流偏磁极限磁滞回线生成一阶回转曲线，得到非对称的双Everett函数及其相应的静态磁滞模型，进一步地考虑了直流偏置量、谐波次数、谐波含量等对异常损耗的影响，对相关的系数进行了修正。结合人工智能方法，提出适用于任意交直流复合激励的动态磁滞模型。针对交直流叠加激励下的变压器杂散损耗计算问题，提出用于杂散损耗计算及其验证的TEAM P21基准问题，采用杂散损耗修正系数对实验结果进行修正，利用精细化建模仿真方法和分区建模计算法，对变压器结构件杂散损耗进行精确模拟和计算。
先进材料与输变电技术课题组从空、负载条件下漏磁通改变导致的线圈涡流损耗差异及损耗分离理论出发，构建了适用于非正弦激励下硅钢片磁性能模拟的动态磁滞模型，其静态部分对Preisach磁滞模型进行改进并提出改进的TEAM P21基准模型，提出面向非对称磁滞回线模拟的参数辨识方法，动态部分则进一步考虑非正弦激励变量对损耗参数特性的影响，并深入分析偏磁激励对附加铁损的影响，实现了多谐波、直流偏磁、交直流混合激励等复杂非正弦激励下硅钢片损耗特性的准确模拟和预测。针对该问题的研究成果已成功应用于保定天威保变电气股份有限公司的特高压变压器优化设计，相关产品在青海—河南等特高压输电工程正式投运，取得了良好的经济和社会效益，为国家重大电力工程建设提供了技术和装备支撑。
2 基于高效并行计算的磁－机械频域耦合模型
高电压、大容量的输变电设备（如变压器、电抗器等）铁心本体在运行时长期承受着外施应力和复杂激励，由此导致的振动噪声问题日益严峻，获得电工钢片的磁－弹特性并结合有效的耦合场计算方法对输变电设备的振动特性进行分析是减振降噪优化设计的关键。
先进材料与输变电技术课题组针对复杂工况下铁心本体的振动噪声问题，从单片取向硅钢片在多重因素影响下的综合磁性能出发，结合铁心振动噪声实验，得到了工频下拉应力和压应力对取向硅钢片磁致伸缩、磁滞回线以及铁损特性的影响，进一步研究并得到了频率、谐波、应力对取向硅钢片磁特性、磁致伸缩特性及噪声特性的影响规律。同时，基于磁－机械场耦合原理，提出基于谐波平衡与定点技术的高效频域并行计算方法，实现了在频域内对非线性稳态多物理场的谐波解的快速并行计算，是多物理场高效数值计算方法的重要补充。基于实验，对产品级的叠片铁心和电抗器模型的振动特性进行测试和仿真，获得了偏磁、谐波等不同激励因素对不同形式铁心结构振动特性影响规律。结合遗传算法等优化算法，提出了变压器铁心和电抗器等设备的减振降噪措施。研究成果为特高压输变电设备铁心振动噪声的减振降噪设计和优化提供了十分重要的理论依据。
3 高性能锂电池及其关键材料
随着“双碳”目标的提出，储能材料与技术将在未来能源战略与经济发展中发挥举足轻重的作用。锂离子电池容量不足和安全性问题限制了其更大规模的应用，成为当前电动汽车产业发展亟须解决的重要问题。锂离子电池的电极材料选取是决定电池性能的重要因素。先进材料与输变电技术课题组基于第一性原理对新型MXenes材料进行深入研究，筛选理论容量更高、更稳定、有应用潜力的锂离子电池阳极材料。通过一系列计算筛选出了Ti2N、V2N两种结构，它们分别具有975 mAh/g和924 mAh/g的超高理论容量，并且在高温模拟下保持良好的稳定性，是十分理想的阳极材料。纯MXenes结构在堆叠时容易发生堆垛现象，不利于其制作大规模的电池组，为此课题组构建了MXenes/石墨烯3种异质结构并进行深入分析与计算。通过对固态电解质进行海量筛选，对筛选出的电解质通过模拟计算得到其性能指标，最终确定合适的固态电解质种类，进而深入分析其结构特征，提出更高效的电解质材料。目前研究团队已与蜂巢能源科技有限公司达成合作协议，未来计划合作制备固态、半固态电解质材料和电极材料并进行测试，验证材料的实际性能及其可靠性，为高性能电池材料的可靠制备奠定重要基础。
