超導磁體模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種超導磁體模擬系統(tǒng)，用于替代電壓源型PCS接口的SMES裝置中的超導儲能磁體，其特征是：由常規(guī)磁體（5）、負阻器（6）和可控電壓源（7）串聯(lián)構(gòu)成，所述負阻器（6）用于抵消常規(guī)磁體（5）中的等效電阻，所述可控電壓源（7）用于放大常規(guī)磁體電感量。本實用新型是針對電壓源型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS）接口的SMES試驗裝置的一種超導儲能磁體模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)采用常規(guī)磁體及電力電子開關(guān)構(gòu)成，不使用超導材料因而大幅降低成本；省掉了低溫系統(tǒng)因而提高裝置易用性，消除潛在危險源，同時減小意外發(fā)生時損失，加速恢復(fù)過程。
【專利說明】超導磁體模擬系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及超導及模擬裝置，尤其是一種替代超導儲能磁體構(gòu)成電壓源型PCS (功率調(diào)節(jié)系統(tǒng))接口 SMES試驗裝置的超導磁體模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超導磁儲能(superconductingmagnetic energy storage, SMES)系統(tǒng)具有高儲能效率、快速響應(yīng)和長壽命的特點，在電力系統(tǒng)中有著美好的應(yīng)用前景，近年來得到廣泛研究。在進行SMES應(yīng)用研究過程中，SMES試驗裝置具有重要地位。然而基于超導儲能磁體構(gòu)成的試驗裝置具有以下方面的不足:
[0003](I)成本高，開發(fā)周期長。由于超導材料昂貴,其構(gòu)成的儲能磁體成本很高，目前仍處在$85000?$125000/MJ的水平。此外，超導儲能磁體需要低溫系統(tǒng)為其提供零下200° C或更低的環(huán)境溫度，而低溫系統(tǒng)設(shè)計和制造技術(shù)復(fù)雜，其杜瓦瓶、制冷機、冷頭、支撐機構(gòu)等組件對材料和可靠性要求高，進一步增加了成本，延長開發(fā)周期。
[0004](2)試驗裝置易用性低，試驗準備時間長。超導儲能磁體構(gòu)成的SMES試驗裝置由常導態(tài)，要經(jīng)歷抽真空、降溫等流程，才可以進入超導態(tài)。上述流程通常需要十幾個小時，甚至更長時間。
[0005](3)試驗發(fā)生意外時損失大，具有危險性。超導磁體失超時，電阻急劇增大，若處理不當將會在磁體內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，導致磁體不可恢復(fù)損傷，使得整體試驗失敗。磁體發(fā)出的大量的熱使得制冷劑(如液氮)迅速汽化，有發(fā)生危險的可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種解決上述問題的一種方式，公開一種超導磁體模擬系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的超導儲能磁體構(gòu)成電壓源型PCS接口 SMES試驗裝置。
[0007]所述超導磁體模擬系統(tǒng)，用于替代電壓源型PCS接口的SMES裝置中的超導儲能磁體，其特征是:由常規(guī)磁體、負阻器和可控電壓源串聯(lián)構(gòu)成，所述負阻器用于抵消常規(guī)磁體中的等效電阻，所述可控電壓源用于放大常規(guī)磁體電感量。
[0008]作為實施例，所述負阻器由電流源型變流器與采樣電阻并聯(lián)構(gòu)成，所述電流源型變流器由電力電子開關(guān)的三相橋式結(jié)構(gòu)的正向輸出端串聯(lián)濾波電感構(gòu)成，設(shè)定電流源型變流器的輸出電流i。為所述超導磁體模擬系統(tǒng)串聯(lián)回路電流的兩倍，用于提供抵消常規(guī)磁體中等效電阻的負電阻特性。
[0009]作為負阻器的實施例，所述負阻器由三相電壓源型變流器替代。
[0010]作為可控電壓源的實施例，所述可控電壓源由斬波器、電容以及連接有蓄電池的buck-boost雙向變換電路并聯(lián)構(gòu)成，所述斬波器由兩條橋臂并聯(lián)組成，每條橋臂由一個開關(guān)管反向串聯(lián)一個二極管構(gòu)成，所述斬波器的輸出端作為可控電壓源的輸出端，以通過buck-boost雙向變換電路調(diào)整電容電壓實現(xiàn)電感量放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。
[0011]所述負阻器內(nèi)設(shè)的采樣電阻為與常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)尺寸相同的裝置，是與常規(guī)磁體相同匝數(shù)的無感繞法的結(jié)構(gòu)，其繞制導線為與常規(guī)磁體相同規(guī)格的導線。
[0012]作為一種實施例，所述可控電壓源中斬波器的控制脈沖由所述SMES裝置中的SMES裝置斬波器開關(guān)管的控制端經(jīng)反相裝置輸出得到，以提供與PCS施加到所述超導磁體模擬系統(tǒng)兩端的電壓同步變化的脈沖電壓。
[0013]作為另一種實施例，所述可控電壓源中斬波器的控制脈沖由控制脈沖生成電路生成，所述控制脈沖生成電路的輸入端連接常規(guī)磁體的兩端，經(jīng)由跳變沿檢測及合成模塊的輸出端作為可控電壓源中斬波器的控制脈沖輸入端。
[0014]—種buck-boost雙向變換電路的實施例是，所述可控電壓源中帶蓄電池的buck-boost雙向變換電路以三相電壓源型變流器替代。
[0015]本發(fā)明的模擬系統(tǒng)中，常規(guī)磁體提供模擬系統(tǒng)中電感的基本特性。負阻器用于抵消常規(guī)磁體中的電阻，從而使得常規(guī)磁體對外表現(xiàn)為純電感特性，同時實時補充電阻造成的能量耗散?？煽仉妷涸磳崿F(xiàn)對常規(guī)磁體電感量的放大，即將能量以其它形式存儲起來，常規(guī)磁體只是存儲了總能量中的一部分，從而降低對常規(guī)磁體電感量的要求。
[0016]本發(fā)明針對電壓源型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)PCS接口的SMES試驗裝置設(shè)計一種超導儲能磁體模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)采用常規(guī)磁體及電力電子開關(guān)構(gòu)成，不使用超導材料因而大幅降低成本；省掉了低溫系統(tǒng)因而提高裝置易用性，消除潛在危險源，同時減小意外發(fā)生時損失，加速恢復(fù)過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是基于超導儲能磁體構(gòu)建的電壓源型PCS接口的SMES裝置主電路拓撲圖，
[0018]圖2是本發(fā)明超導儲能磁體模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0019]圖3是本發(fā)明超導儲能磁`體模擬系統(tǒng)中負阻器實施例主電路拓撲圖，
[0020]圖4是本發(fā)明超導儲能磁體模擬系統(tǒng)中可控電壓源實施例主電路拓撲圖，
[0021]圖5是本發(fā)明超導儲能磁體模擬系統(tǒng)中可控電壓源斬波器部分的控制脈沖生成電路實施例，
[0022]圖6是三相電壓源型變流器。
[0023]圖中:I一SMES裝置的三相電壓源型變流器，2—SMES裝置電容，3—SMES裝置斬波器，4一超導儲能磁體，5—常規(guī)磁體，6—負阻器，7—可控電壓源，8—三相電流源型整流器，9一米樣電阻，10一斬波器，11 一電容，12 —buck-boost雙向變換電路，13一畜電池，14一比較器，15—RS觸發(fā)器，16—D觸發(fā)器，17—濾波電感。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明:如圖1、2中所示，圖1給出了基于超導儲能磁體構(gòu)建的SMES試驗裝置所對應(yīng)的主電路拓撲。說明只關(guān)注超導儲能磁體外部特性時，超導儲能磁體可等效為一個大電感量的純電感。圖2給出了超導儲能磁體模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，列寫圖2的回路電壓方程得

di
[0025]== L| —l.c~, + i?.z + Rs.i(I)
dt '
[0026]式中，θι為PCS中斬波器3施加給超導儲能磁體的電壓，圖1、2中為a、d兩端的電壓，e2為可控電壓源c、d兩端的電壓，R、L1為常規(guī)磁體的電阻、電感參數(shù)，Rs為負阻器電阻。
[0027]設(shè)計負阻器電阻艮=-!?，則(I)式簡化為
【權(quán)利要求】
1.一種超導磁體模擬系統(tǒng)，用于替代電壓源型PCS接口的SMES裝置中的超導儲能磁體，其特征是:由常規(guī)磁體(5)、負阻器(6)和可控電壓源(7)串聯(lián)構(gòu)成，所述負阻器(6)用于抵消常規(guī)磁體(5)中的等效電阻，所述可控電壓源(7)用于放大常規(guī)磁體電感量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述負阻器(6)由電流源型變流器(8)與采樣電阻(9)并聯(lián)構(gòu)成，所述電流源型變流器(8)由電力電子開關(guān)的三相橋式結(jié)構(gòu)的正向輸出端串聯(lián)濾波電感(17)構(gòu)成，設(shè)定電流源型變流器(8)的輸出電流i。為所述超導磁體模擬系統(tǒng)串聯(lián)回路電流的兩倍，用于提供抵消常規(guī)磁體(5)中等效電阻的負電阻特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述負阻器(6)由三相電壓源型變流器替代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述可控電壓源由斬波器(10 )、電容(11)以及連接有蓄電池(13 )的buck-boost雙向變換電路(12 )并聯(lián)構(gòu)成，所述斬波器由兩條橋臂并聯(lián)組成，每條橋臂由一個開關(guān)管反向串聯(lián)一個二極管構(gòu)成，所述斬波器的輸出端作為可控電壓源的輸出端，以通過buck-boost雙向變換電路(12)調(diào)整電容(11)電壓實現(xiàn)電感量放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述負阻器內(nèi)設(shè)的采樣電阻(9)為與常規(guī)磁體(5)結(jié)構(gòu)尺寸相同的裝置，是與常規(guī)磁體(5)相同匝數(shù)的無感繞法的結(jié)構(gòu)，其繞制導線為與常規(guī)磁體(5)相同規(guī)格的導線。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述可控電壓源(7)中斬波器(10)的控制脈沖由所述SMES裝置中的SMES裝置斬波器(3)開關(guān)管的控制端經(jīng)反相裝置輸出得到，以提供與PCS施加到所述超導磁體模擬系統(tǒng)兩端的電壓同步變化的脈沖電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述可控電壓源(7)中斬波器(10)的控制脈沖由控制脈沖生成電路生成，所述控制脈沖生成電路的輸入端連接常規(guī)磁體的兩端，經(jīng)由跳變沿檢測及合成模塊的輸出端作為可控電壓源中斬波器的控制脈沖輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導磁體模擬系統(tǒng)，其特征是:所述可控電壓源(7)中帶蓄電池(13)的buck-boost雙向變換電路(12)以三相電壓源型變流器替代。
【文檔編號】G01R31/00GK203535149SQ201320724623
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】何清, 周世平, 金濤, 王少榮, 左文平, 施嘯寒 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院, 華中科技大學