电气工程学报, 2015, 10(9): 8-14 doi: 10.11985/2015.09.002

电气工程新技术专刊——本专刊由沈阳工业大学电气工程学院供稿，组稿人为张凤阁教授

大功率电磁热储能系统感应加热仿真研究

焦永刚1, 张凤阁1, 殷孝雎1,2

1. 沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870

2. 沈阳工程学院 沈阳 110136

Simulation Research on Induction Heating Technology of High Power Electromagnetic Thermal Energy Storage System

Jiao Yonggang1, Zhang Fengge1, Yin Xiaoju1,2

1. Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China

2. Shenyang Institute of Engineering Shenyang 110136 China

责任编辑: 杨晓花

收稿日期: 2015-07-23   网络出版日期: 2015-09-25

Received: 2015-07-23   Online: 2015-09-25

作者简介 About authors

焦永刚 男 1990年生,硕士研究生,研究方向为电机与电器。

张凤阁 男 1963年生,教授,博士生导师,研究方向为特种电机及其控制。

摘要

本文以24kHz/100kW的电磁热储能系统为研究对象,系统采用电磁感应加热的方式,将由新能源发电系统产生的清洁电能转化成为热能,并将这些热能加以利用或者存储在水中。首先应用Ansoft-Maxwell对感应加热模型进行涡流场仿真分析得到磁场分布,利用得到的磁感应强度计算流体场热源。然后应用Ansys/Fluent对感应加热模型进行三维流体温度场仿真分析。感应加热系统的电源设计在电磁热储能系统中有着至关重要的地位,应用Matlab/Simulink对感应加热电源串联谐振电路进行建模仿真分析,得到谐振状态下的电路特性曲线,给出了PLL锁相环信号、PWM全桥逆变触发信号等波形,为电磁热储能系统的感应加热电源的研究和开发提供了一定理论依据。

关键词： 电磁热储能 ; 涡流场 ; 电磁感应加热 ; 流体温度场 ; 串联谐振电路

Abstract

24kHz/100kW electromagnetic thermal energy storage system is took as the research object in the paper. The system turn the clean electrical energy from the new energy power generation system into heat by electromagnetic induction heating, and the heat will be used or stored. Firstly, Ansoft-Maxwell is used to get the magnetic induction intensity of the electromagnetic induction heating model in eddy current field. Then Ansys/Fluent is used to analysis the fluid temperature field of the electromagnetic induction heating model. The power supply design of induction heating system plays a vital role in the electromagnetic thermal energy storage system. Matlab/Simulink is used to model and simulate the series resonance circuit of electromagnetic induction heating power source, the circuit characteristic curve of the resonance condition is got. The simulation shows the PLL phase-locked loop signal, the PWM full bridge inverter trigger signal. The research provides a theoretical basis for the induction heating power supply of electromagnetic thermal energy storage system.

Keywords： Electromagnetic thermal energy storage ; eddy current field ; electromagnetic induction heating ; fluid temperature field ; series resonance circuit

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本文引用格式

焦永刚, 张凤阁, 殷孝雎. 大功率电磁热储能系统感应加热仿真研究. 电气工程学报[J], 2015, 10(9): 8-14 doi:10.11985/2015.09.002

Jiao Yonggang, Zhang Fengge, Yin Xiaoju. Simulation Research on Induction Heating Technology of High Power Electromagnetic Thermal Energy Storage System. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(9): 8-14 doi:10.11985/2015.09.002

1 引言

由于世界范围内的煤、石油和天然气等化石燃料日渐枯竭以及对环境造成的污染,有必要寻找可再生的清洁能源来满足现在的能源需求。风能、太阳能等可再生能源由于其储量巨大、清洁、使用过程中污染少等特点越来越受到人们的关注。热能的存储技术是提高能源利用率和保护环境的重要应用,可以缓解因燃煤供暖而造成的环境污染和能源浪费的问题,这种技术在工业废热和余热的回收,电力的“移峰填谷”,将间断能源,如太阳能、风能等转化为连续能源方面,以及工业与民用建筑和节能等领域具有广泛的应用前景,目前已成为世界范围内的研究热点[1,2]。

储热可以分为热电厂直接储热与用户处电储热两种方式。热电厂直接储热一般采用水储热,用户处储热可采用水储热,也可采用相变储热。应用储能技术是解决风能和太阳能不稳定性、不可预测性、依靠天气变化性和负荷峰谷比问题的极为有效的措施,将富裕的能量储存起来,以满足负荷高峰时的需求,同时储能装置还能尽量减少存储–转换过程中的能量损失。目前,经济可行的储能技术在新能源发电系统中的研究在国内外理论界、工程界得到了越来越广泛的重视[3,4,5,6]。

感应加热电源的核心是电力电子变流技术,随着自动控制技术和电力电子器件的不断发展,感应加热电源也得到了迅速发展和广泛应用。在发展过程中,感应加热电源已形成了AC-DC-AC结构为主的拓扑形式。其主电路主要由整流、滤波、逆变、负载匹配四个部分构成。在电源控制和保护方面,DSP等高性能数字控制器的大量应用,使感应加热电源的精确控制和多电源并联控制得以实现,并使其不断向自动化和智能化发展[7,8,9,10,11,12,13]。

本文以新能源发电技术为基础,采取电磁感应加热的方式将风光互补电源电能转化为热能,利用水为媒介将热能存储起来,系统整体结构如图1所示。同时针对24kHz/100kW的电磁热储能系统,对电磁热储能系统的整体工作性能进行了多方面的研究分析,包括：电磁感应加热模型的电磁涡流场分析,流体温度场特性研究,感应加热电源的串联谐振电路的谐振状态仿真分析。最后通过实验验证了电磁热储能系统理论分析的正确性,为电磁热储能系统感应加热技术的研究与开发提供了一定理论依据。

图1

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图1   电磁热储能系统结构框图

Fig.1   Electromagnetic thermal energy storage system structure


2 电磁热储能系统感应加热结构与工作机理

电磁热储能系统以感应加热的方式将电能转化为热能并储存起来。其中电磁加热部分的加热单元结构主要包括电磁加热线圈、金属圆柱加热单元。图2为加热结构的物理模型,其中金属加热单元附有进水口、出水口,可供流水通过。其表面缠有电磁加热线圈对通过的流水进行感应加热。

图2

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图2   感应加热模型

Fig.2   Induction heating model


当铁心线圈通以交流电流时线圈周围会产生交变磁场,在铁心中便有感应电动势生成感应电流——涡流。涡流的值取决于磁场的强弱,磁场强度在紧靠线圈的地方最强,随其距离的平方而减小。由于趋肤效应的影响,电流只在导体表面层通过,表面层的深度与导体的性质和电流频率的高低有关,通常将此表面层的深度或厚度称为穿透深度。

设穿透深度为∆,则∆由下式确定

式中,f为交变电流频率;μr为相对磁导率;ρ为导体的电阻率。

以图3所示金属圆柱剖面图为例,对加热单元进行热功率推导计算。

图3

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图3   加热单元结构剖面示意图

Fig.3   The heating model structure section


对于金属圆柱体感应加热,感应线圈所消耗的电功率为

式中,I1为线圈电流;cos φ1为感应线圈中的功率因数。由此电磁感应原理钢管壁中产生感应电动势为

式中,f为电源频率;Bm为金属管壁中磁感应强度;S为钢管壁截面积;W2为钢管的等效匝数。

S = πDa,D为钢管的平均直径,a为管壁的厚度。则

在V2作用下钢管壁中产生感应涡流I2沿管壁流通产生热量。且

加热单元所需的热功率应与感应线圈所消耗的电功率相平衡,设加热单元表面积为S0,且S0 = πDL,L为线圈高度,其中功率因数cos φ1取0.945,由此可得加热单元单位表面积发热功率为

3 电磁热储能系统感应加热电磁场及温度场分析

在温度场分析之前,首先需要对模型电磁场进行仿真计算,并将磁场求解得到的涡流功率作为温度场求解的内部热源,再根据热传导方程及在一定边界条件下进行计算求解,从而确定温度分布情况。具体的计算流程图如图4所示。

图4

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图4   计算流程图

Fig.4   Calculation flow chart


首先,在三维涡流场中电磁场麦克斯韦方程组满足的方程式为

式中,B为磁感应强度矢量;H为磁场强度矢量;E为电场强度矢量;JS为传导电流密度;Jσ为涡电流密度;σ为电导率;μ为磁导率。

对电磁热储能系统流体温度场进行有限元分析,建立的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程为

式中,ρ为流体密度; 表示单位体积上的惯性力;ρF为单位体积上的质量力;divP为单位体积上应力张量的散度; 表示体积τ内流动的动能和内能的总和; 表示质量力对体积τ内流体所做的功; 表示表面力对体积τ内流体所做的功; 表示单位时间内以热传导方式通过表面S传给体积τ的热量; 表示单位时间内由于辐射或其他原因传入τ内的总热量。

利用Ansoft-Maxwell软件,对加热单元进行电磁涡流场建模仿真,金属管材料选取为Q235。涡流场仿真相关参数如表1所示。

表1   电磁涡流场仿真相关设置参数

Tab.1  The parameters of the electromagnetic eddy current field

参 数数 值
Q235电阻率/Ω·m14×10-8
Q235相对磁导率250
Q235导热系数/[W/(m·k)]43
线圈电流有效值I1/A200
线圈截面积/mm250
线圈匝数N100
功率因数cos φ10.945
电源频率f /Hz24 000
金属管长度/mm1 000
金属管外径/mm108
金属管壁厚a/mm2
涡流透入深度Δ/mm0.078

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对平行放置的加热单元进行磁场仿真,考虑邻近效应,调整合适的安置间距,分别设置加热单元的平行间距为20cm、25cm、30cm、40cm、50cm,对比加热单元表面的磁场分布可知,加热单元平行间距在约30cm时,感应加热单元表面的磁场分布相对较优,有效电磁感应强度更有利于工程应用,其中Bm趋近0.05T。仿真结果如图5所示。

图5

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图5   24kHz/30cm间距金属管表面磁感应强度云图

Fig.5   24 kHz/30cm distance metal tube surface magnetic induction intensity


对感应加热单元升温过程进行系统仿真。三维流体温度场仿真相关参数如表2所示。

表2   流体温度场仿真相关参数

Tab.2  The parameters of fluid temperature field simulation

参 数数 值
参考压力/Pa101 325
参考重力/(N/s2)9.81
入水口速度v/(m/s)0.05
外表面散热系数/( W/m2)5
体热功率密度P/( W/m3)1.39×108

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由上可得三维流体温度场的仿真结果如图6所示,从中可以看出感应加热单元中水的升温过程,同时当进水口流量为424mL/s时,出水口温度将趋近60℃。

图6

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图6   Q235管三维流体温度云图

Fig.6   Q235 pipe three-dimensional fluid temperature


4 感应加热电源串联谐振电路仿真

电磁绕组电感L、谐振电容C以及负载等效电阻Req构成的串联谐振等效电路如图7所示。

图7

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图7   串联谐振等效电路图

Fig.7   The series resonant equivalent circuit


串联谐振负载的阻抗Z和电流I分别为

式中,XL = ωL, ,ω为负载回路的工作角

频率。

若XL = XC,则φ = 0,这时电路处于谐振状态,谐振频率为

电路中的电压和电流同相位,电路阻抗为纯电阻Req,且等效电阻为最小值,负载电流达到最大。在发生串联谐振时,电感L和电容C两端的电压等于外加电压UDC的值的Q倍,Q为谐振电路品质因数,且

式中,ω0为谐振时的角频率。如果谐振电路的品质因数Q足够高并且工作频率接近负载的固有谐振频率,输出电流近似为正弦波,其输出功率Po可表示为

式中,IL为负载基波电流的有效值;U0为负载基波电压的有效值;ω为逆变器的工作频率。

对于串联型谐振逆变器来说,当L、C发生串联谐振时,负载等效阻抗呈现低阻抗。由于逆变器输入端直流母线连接有直流滤波电容,相当于恒压源。因此,在工作时,逆变器输出电压近似为矩形波,输出电流则近似为正弦波。

以24kHz/100kW的感应加热电源为研究对象,以全控型功率器件IGBT和串联谐振负载为核心,同时加入锁相环功能,并且利用Matlab软件建立仿真模型。感应加热电源的基本结构由三相电源、整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、负载等组成。系统的结构图如图8所示。其中：

图8

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图8   感应加热电源系统结构框图

Fig.8   Induction heating power supply system structure


（1）整流电路的作用是将交流电转换为直流电,采用不可控整流可使电路简单,便于控制,减小功率损耗。

（2）滤波电路的作用是减小电路的谐波干扰,提高逆变器的功率因数,减小脉动,使逆变电路输入较平稳的直流电压。

（3）逆变电路的作用是将滤波电路输出的直流电转变成交流电,提供给负载。系统采用IGBT构成全桥逆变电路,使用PWM信号驱动。

（4）锁相环电路的作用是进行频率跟踪,对负载电路的电压信号进行采集,经过鉴相器,低通滤波器和压控振荡器处理,从而调整逆变电路中驱动信号的相位,实现对负载谐振频率的自动跟踪,使逆变器工作于准谐振状态。

采用Matlab/Simulink建立感应加热电源仿真模型,如图9所示。

图9

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图9   感应加热电源仿真模型图

Fig.9   Induction heating power supply simulation model


系统的仿真参数如表3所示。系统仿真波形如图10所示。从波形可以看出,在电路谐振状态下,逆变电路输出电压是交变的方波,输出电流趋近正弦波,输出功率在0.3s之后趋于平稳。锁相环输出正弦信号与逆变电路输出电压同频。

表3   感应加热电源仿真参数

Tab.3  The parameters of induction heating power supply simulation

参 数数 值
三相电源电压有效值/V220
三相电源频率/Hz50
直流滤波电感Ld/mH5
直流滤波电容Cd/μF5 000
串联谐振电路等效电阻R/Ω2.4
谐振电感L/mH0.014 7
谐振电容C/μF17
锁相环初始频率/Hz24 000
锁相环参数Kp0.6
锁相环参数Ki10

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图10

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图10   感应加热电源谐振电路仿真波形

Fig.10   Induction heating power supply resonant circuit waveforms


5 结论

本文针对大功率电磁热储能系统,通过分析感应加热结构的原理特点,对其关键技术进行了研究,对系统的电磁场和流体温度场进行了仿真研究及实验对比,并对感应加热电源的串联谐振电路进行了仿真研究。得到了以下结论：

（1）通过对电磁热储能系统加热模型的感应加热原理的研究,以及电磁场和流体温度场的分析,得到了感应加热模型的电磁及温度特性。

（2）对感应加热电源串联谐振电路进行了建模与仿真,得到了谐振状态下的电路特性曲线,为感应加热电源的器件选型提供了依据。为电磁热储能系统的感应加热控制电源的设计提供了一定的理论依据。

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Ferromagnetic nanorings exhibit tunable magnetic states with unique magnetization reversal processes and dynamic behavior that can be exploited in data storage and magnonic devices. Traditionally, probing the magnetization dynamics of individual ferromagnetic nanorings and mapping the resonance modes has proved challenging. In this study, micro-focused Brillouin light scattering spectroscopy is used to directly map the spin wave modes and their intensities in nanorings as a function of ring width and applied magnetic field. Micromagnetic simulations provide further insights into the experimental observations and are in good agreement with the experimental results. These results can help in improving the understanding of spin wave confinement in single elements for magnonic devices and waveguides.

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Molten-salt thermocline tanks are a low-cost option for thermal energy storage in concentrating solar power systems. A review of previous experimental and numerical thermocline tank studies is performed to identify key issues associated with tank design and performance. Published models have shown that tank discharge performance improves with both larger tank height and smaller internal filler diameter due to increased thermal stratification and sustained outflow of molten salt with high thermal quality. For well-insulated (adiabatic) tanks, low molten-salt flow rates reduce the axial extent of the heat-exchange region and increase discharge efficiency. Under nonadiabatic conditions, low flow rates become detrimental to stratification due to the development of fluid recirculation zones inside the tank. For such tanks, higher flow rates reduce molten-salt residence time inside the tank and improve discharge efficiency. Despite the economic advantages of a thermocline tank, thermal ratcheting of the tank wall remains a significant design concern. The potential for thermal ratcheting is reduced through the inclusion of an internal thermal insulation layer between the molten salt and tank wall to diminish temperature oscillations along the tank wall. Future research directions are also pointed out, including combined analyses that consider the solar receiver and power generation blocks as well as optimization between performance and economic considerations.

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