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随着高温超导材料技术的进步,以及电力系统发展的新需求,高温超导储能系统(HTS—SMES)已日臻成熟并步入实用化。现阶段这一高新技术成果的研发,其前沿性的关键技术之一聚焦于高温超导磁体的优化设计。 本文对归属随机类优化算法的粒子群算法(PSO)进行了有工程实用价值的改进研究。所构造的改进算法汲取了模拟退火算法的“上山性”,并融合了交叉和变异算子,从而为快速全局优化提供了一种性能更趋完善的新方法。在严格论证的基础上,本文首次成功应用该快速全局优化新算法解决了高温超导储能磁体的优化设计问题。 其次,为了解决现有全局优化算法不能同时兼顾设计精度和计算效率的矛盾,本文提出了两种各具特色的表面响应模型(RSM):所提出的基于MQ函数的张量基构造高维径向基函数(RBF)的新方法,有效地提高了所构造RSM模型的精度;所提出的基于移动最小二乘法(MLS)的RSM,计算实例验证了本文的新见解具有灵活、可靠,可根据采样点分布自动调节支撑区间的能力。 本文进一步提出了基于表面响应模型(RSM)与随机类优化算法相结合的一类新的快速全局混合优化算法。实例证明,这类混合算法既能有效地减少优化计算中有限元分析的解算次数,又能保证所搜索到的解为全局最优解。 基于理论分析研究,本文建立了单螺线管型、轴线平行式组合螺线管系统和环状螺线管系统三类磁体的电磁场、储能和电感参数的计算模型及其数值解,以及力场的数值计算方法。其中,对环状螺线管系统的磁场所建立的高精度的数值计算模型和方法,突出体现了作者的新见解。 本文以已投入运行的35KJ/7KW高温超导储能磁体为样本,进行了系统的对比性研究,确证了本文在高温超导磁体优化设计领域中独立完成的理论分析的方法及其相关的计算公式,并以本文提出的PSOC快速全局优化算法的工程应用,成功地对35KJ/7KW高温超导储能磁体进行了优化设计,并完成了300MJ/100MW高温超导磁体概念设计的探索性研究。 最后,本文还对减小超导磁体端部径向分量B_ρ专题进行了初步的研究,以便最大限度地提高超导磁体运行的工作电流,进而提高装置的储能能力。