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1、(10)申请公布号 CN 103576033 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103576033 A (21)申请号 201310573382.2 (22)申请日 2013.11.13 G01R 31/00(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网湖北省电力公司电力科学研究 院 华中科技大学 (72)发明人 何清 周世平 金涛 王少荣 左文平 施啸寒 (74)专利代理机构 武汉楚天专利事务所 42113 代理人 雷速 (54) 发明名称 超导磁体模拟系统 (57) 摘要 一种超导磁体模拟系统， 用于替代。
2、电压源型 PCS 接口的 SMES 装置中的超导储能磁体， 其特征 是 ： 由常规磁体 （5） 、 负阻器 （6） 和可控电压源 （7） 串联构成， 所述负阻器 （6） 用于抵消常规磁体 （5） 中的等效电阻， 所述可控电压源 （7） 用于放大常 规磁体电感量。本发明是针对电压源型功率调节 系统 （PCS） 接口的 SMES 试验装置的一种超导储能 磁体模拟系统。该模拟系统采用常规磁体及电力 电子开关构成， 不使用超导材料因而大幅降低成 本 ； 省掉了低温系统因而提高装置易用性， 消除 潜在危险源， 同时减小意外发生时损失， 加速恢复 过程。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书。
3、 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103576033 A CN 103576033 A 1/1 页 2 1. 一种超导磁体模拟系统， 用于替代电压源型 PCS 接口的 SMES 装置中的超导储能磁 体， 其特征是 ： 由常规磁体 （5） 、 负阻器 （6） 和可控电压源 （7） 串联构成， 所述负阻器 （6） 用 于抵消常规磁体 （5） 中的等效电阻， 所述可控电压源 （7） 用于放大常规磁体电感量。 2.根据权利要求1所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述负阻器 （6） 由。
4、电流源型变 流器 （8） 与采样电阻 （9） 并联构成， 所述电流源型变流器 （8） 由电力电子开关的三相桥式结 构的正向输出端串联滤波电感 （17） 构成， 设定电流源型变流器 （8） 的输出电流 ic为所述超 导磁体模拟系统串联回路电流的两倍， 用于提供抵消常规磁体 （5） 中等效电阻的负电阻特 性。 3.根据权利要求1所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述负阻器 （6） 由三相电压源 型变流器替代。 4. 根据权利要求 1 所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述可控电压源由斩波器 （10） 、 电容 （11） 以及连接有蓄电池 （13） 的buck-boost双向变换电路 （。
5、12） 并联构成， 所述斩 波器由两条桥臂并联组成， 每条桥臂由一个开关管反向串联一个二极管构成， 所述斩波器 的输出端作为可控电压源的输出端， 以通过 buck-boost 双向变换电路 （12） 调整电容 （11） 电压实现电感量放大倍数的调节。 5. 根据权利要求 2 所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述负阻器内设的采样电阻 （9） 为与常规磁体 （5） 结构尺寸相同的装置， 是与常规磁体 （5） 相同匝数的无感绕法的结 构， 其绕制导线为与常规磁体 （5） 相同规格的导线。 6.根据权利要求4所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述可控电压源 （7） 中斩波器 （10） 的。
6、控制脉冲由所述 SMES 装置中的 SMES 装置斩波器 （3） 开关管的控制端经反相装置输 出得到， 以提供与 PCS 施加到所述超导磁体模拟系统两端的电压同步变化的脉冲电压。 7. 根据权利要求 4 所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述可控电压源 （7） 中斩波 器 （10） 的控制脉冲由控制脉冲生成电路生成， 所述控制脉冲生成电路的输入端连接常规磁 体的两端， 经由跳变沿检测及合成模块的输出端作为可控电压源中斩波器的控制脉冲输入 端。 8.根据权利要求4所述的超导磁体模拟系统， 其特征是 ： 所述可控电压源 （7） 中带蓄电 池 （13） 的 buck-boost 双向变换电路 。
7、（12） 以三相电压源型变流器替代。 权 利 要 求 书 CN 103576033 A 2 1/4 页 3 超导磁体模拟系统 技术领域 0001 本发明涉及超导及模拟装置， 尤其是一种替代超导储能磁体构成电压源型 PCS （功 率调节系统） 接口 SMES 试验装置的超导磁体模拟系统。 背景技术 0002 超导磁储能 （superconducting magnetic energy storage， SMES） 系统具有高储 能效率、 快速响应和长寿命的特点， 在电力系统中有着美好的应用前景， 近年来得到广泛研 究。在进行 SMES 应用研究过程中， SMES 试验装置具有重要地位。然而基于超。
8、导储能磁体 构成的试验装置具有以下方面的不足 ： 0003 （1） 成本高， 开发周期长。 由于超导材料昂贵， 其构成的储能磁体成本很高， 目前仍 处在$85000$125000/MJ的水平。 此外， 超导储能磁体需要低温系统为其提供零下200 或更低的环境温度， 而低温系统设计和制造技术复杂， 其杜瓦瓶、 制冷机、 冷头、 支撑机构等 组件对材料和可靠性要求高， 进一步增加了成本， 延长开发周期。 0004 （2） 试验装置易用性低， 试验准备时间长。超导储能磁体构成的 SMES 试验装置由 常导态， 要经历抽真空、 降温等流程， 才可以进入超导态。 上述流程通常需要十几个小时， 甚 至更长。
9、时间。 0005 （3） 试验发生意外时损失大， 具有危险性。 超导磁体失超时， 电阻急剧增大， 若处理 不当将会在磁体内产生大量的热， 导致磁体不可恢复损伤， 使得整体试验失败。 磁体发出的 大量的热使得制冷剂 （如液氮） 迅速汽化， 有发生危险的可能。 发明内容 0006 本发明所要解决的技术问题是提供一种解决上述问题的一种方式， 公开一种超导 磁体模拟系统， 替代传统的超导储能磁体构成电压源型 PCS 接口 SMES 试验装置。 0007 所述超导磁体模拟系统， 用于替代电压源型PCS接口的SMES装置中的超导储能磁 体， 其特征是 ： 由常规磁体、 负阻器和可控电压源串联构成， 所述负。
10、阻器用于抵消常规磁体 中的等效电阻， 所述可控电压源用于放大常规磁体电感量。 0008 作为实施例， 所述负阻器由电流源型变流器与采样电阻并联构成， 所述电流源型 变流器由电力电子开关的三相桥式结构的正向输出端串联滤波电感构成， 设定电流源型变 流器的输出电流 ic为所述超导磁体模拟系统串联回路电流的两倍， 用于提供抵消常规磁体 中等效电阻的负电阻特性。 0009 作为负阻器的实施例， 所述负阻器由三相电压源型变流器替代。 0010 作为可控电压源的实施例， 所述可控电压源由斩波器、 电容以及连接有蓄电池的 buck-boost 双向变换电路并联构成， 所述斩波器由两条桥臂并联组成， 每条桥臂。
11、由一个 开关管反向串联一个二极管构成， 所述斩波器的输出端作为可控电压源的输出端， 以通过 buck-boost 双向变换电路调整电容电压实现电感量放大倍数的调节。 0011 所述负阻器内设的采样电阻为与常规磁体结构尺寸相同的装置， 是与常规磁体相 说 明 书 CN 103576033 A 3 2/4 页 4 同匝数的无感绕法的结构， 其绕制导线为与常规磁体相同规格的导线。 0012 作为一种实施例， 所述可控电压源中斩波器的控制脉冲由所述 SMES 装置中的 SMES 装置斩波器开关管的控制端经反相装置输出得到， 以提供与 PCS 施加到所述超导磁体 模拟系统两端的电压同步变化的脉冲电压。 。
12、0013 作为另一种实施例， 所述可控电压源中斩波器的控制脉冲由控制脉冲生成电路生 成， 所述控制脉冲生成电路的输入端连接常规磁体的两端， 经由跳变沿检测及合成模块的 输出端作为可控电压源中斩波器的控制脉冲输入端。 0014 一种 buck-boost 双向变换电路的实施例是， 所述可控电压源中带蓄电池的 buck-boost 双向变换电路以三相电压源型变流器替代。 0015 本发明的模拟系统中， 常规磁体提供模拟系统中电感的基本特性。负阻器用于抵 消常规磁体中的电阻， 从而使得常规磁体对外表现为纯电感特性， 同时实时补充电阻造成 的能量耗散。 可控电压源实现对常规磁体电感量的放大， 即将能量。
13、以其它形式存储起来， 常 规磁体只是存储了总能量中的一部分， 从而降低对常规磁体电感量的要求。 0016 本发明针对电压源型功率调节系统 PCS 接口的 SMES 试验装置设计一种超导储能 磁体模拟系统。该模拟系统采用常规磁体及电力电子开关构成， 不使用超导材料因而大幅 降低成本 ； 省掉了低温系统因而提高装置易用性， 消除潜在危险源， 同时减小意外发生时损 失， 加速恢复过程。 附图说明 0017 图 1 是基于超导储能磁体构建的电压源型 PCS 接口的 SMES 装置主电路拓扑图， 0018 图 2 是本发明超导储能磁体模拟系统的结构示意图， 0019 图 3 是本发明超导储能磁体模拟系统。
14、中负阻器实施例主电路拓扑图， 0020 图 4 是本发明超导储能磁体模拟系统中可控电压源实施例主电路拓扑图， 0021 图 5 是本发明超导储能磁体模拟系统中可控电压源斩波器部分的控制脉冲生成 电路实施例， 0022 图 6 是三相电压源型变流器。 0023 图中 ： 1SMES装置的三相电压源型变流器， 2SMES装置电容， 3SMES装置斩波 器， 4超导储能磁体， 5常规磁体， 6负阻器， 7可控电压源， 8三相电流源型整流器， 9采样电阻， 10斩波器， 11电容， 12buck-boost 双向变换电路， 13蓄电池， 14比 较器， 15RS 触发器， 16D 触发器， 17滤波电。
15、感。 具体实施方式 0024 下面结合附图对本发明进一步说明 ： 如图1、 2中所示， 图1给出了基于超导储能磁 体构建的 SMES 试验装置所对应的主电路拓扑。说明只关注超导储能磁体外部特性时， 超导 储能磁体可等效为一个大电感量的纯电感。图 2 给出了超导储能磁体模拟系统的结构示意 图， 列写图 2 的回路电压方程得 0025 0026 式中， e1为 PCS 中斩波器 3 施加给超导储能磁体的电压， 图 1、 2 中为 a、 d 两端的 说 明 书 CN 103576033 A 4 3/4 页 5 电压， e2为可控电压源 c、 d 两端的电压， R、 L1为常规磁体的电阻、 电感参数，。
16、 Rs为负阻器电 阻。 0027 设计负阻器电阻 Rs=-R， 则 （1） 式简化为 0028 0029 控制 e2与 e1同步变化， 且幅值为 e1的一定比例， 即 e2=Ke1， K 为 0K1 的系数。 代入 （2） 式得 0030 0031 上式说明由模拟系统 a、 d 两端看进去的特性为一个纯电感， 大小为常规磁体电感 量 L1的 1/（1-K） 倍。因此， 模拟系统表现出与超导储能磁体相同的外特性， 可作为替代品 用于 SMES 试验装置。 0032 图 3 给出了实现负阻器的主电路拓扑。其中， 取样电阻 Rs具有与常规磁体 5 相同 的结构尺寸， 使用相同的导线采用无感绕法绕制相。
17、同多的匝数， 以此来确保它与常规磁体 5 具有相同的温升过程， 从而精确跟踪磁体电阻的变化。三相电流源型整流器 8 提供稳定电 流， 其电流指令为 a-d 支路电流 i 的两倍， 从而可以使 a、 b 两端表现为阻值为 -Rs的负电阻 特性。a-d 支路电流 i 为流过超导磁体的电流， 十分平稳， 因此三相电流源型整流器 8 对输 出电流的要求不会出现陡峭变化， 对整流器控制系统的性能要求较低， 使用常规电流控制 方法如 PI 调节器即可实现三相电流源型整流器 8 对电流指令的无差跟踪。 0033 图 4 给出了可控电压源的主电路拓扑 , 它由斩波器 10 及连接有蓄电池 13 的 buck-。
18、boost 双向变换电路 12 构成。斩波器 10 由两条桥臂并联组成， 每条桥臂由一个开关 管反向串联一个二极管构成， 该结构与 PCS 中斩波器结构相同。斩波器 10 与 buck-boost 双向变换电路 12 都并联连接到电容 11 上， 利用耦合电容 11 缓冲交换的能量。控制可控电 压源中斩波器 10 的开关管 V3、 V4 与 PCS 中斩波器 3 的开关管 V1、 V2 互补动作， 能够实现 可控电压源端电压 （c-d 两端） e2跟踪随 PCS 所施加到 a-d 两端的电压 e1同步变化。控制 buck-boost 双向变换电路 12 工作模式及开关管驱动脉冲占空比的大小， 。
19、可调节蓄电池 13 与电容 11 交换电功率的大小和方向， 完成对直流电压的控制， 从而调整模拟系统中电感放 大倍数。由于直流电压存在高频率的纹波， 为保证控制精度及控制系统的稳定性， 式 （3） 中 的 K 不能过于接近 1， 即可控电压源中电容 11 电压不能太接近 PCS 中 SMES 装置电容 2 电 压。考虑到直流电压纹波通常在 5% 以内， 在保证一定裕度的情况下， 应将电感放大倍数控 制在 10 以内。 0034 可控电压源斩波器 10 的开关管 V3、 V4 的驱动信号可由 SMES 装置中 PCS 斩波器 3 开关管 V1、 V2 的驱动信号取反得到。为使模拟系统具有独立运行。
20、能力， V3、 V4 的驱动信号 需要独立生成， 这可以通过检测 PCS 中 SMES 装置斩波器 3 施加到 a-d 两端的电压 e1实现。 e1的变化反映了斩波器开关管的动作 ： e1下降沿表明 V1、 V2 关断， e1上升沿表明 V1、 V2 开 通。图 5 给出了以 e1为输入的 V3、 V4 驱动信号生成电路的实施例， 它由四个比较器 14、 两 个 RS 触发器 15、 四个逻辑门以及一个 D 触发器 16 构成。两个比较器和一个 RS 触发器为一 组， 构成边沿检测电路， 设置不同的门槛值 k1、 k2可分别提取出上升沿和下降沿。逻辑门及 D 触发器 16 构成脉冲合成电路， 。
21、可将两组边沿检测电路提取到的上升沿和下降沿合并以用 说 明 书 CN 103576033 A 5 4/4 页 6 作 V3、 V4 的驱动信号。 0035 由于斩波器的工作频率通常达几 kHz， 甚至十几 kHz， 为避免使用数字处理器进行 变化沿检测及脉冲生成引起不可接受的延时， 本发明直接使用基本元件直接实现 V3、 V4 驱 动信号生成电路。此外， 驱动信号生成电路变化沿检测部分由两个比较器和一个 RS 触发器 组成， 实现了滞环比较规律， 能够有效避免 e1纹波引起的检测错误。通常电压传感器 （如霍 尔元件） 的反映时间在几百 ns 左右， 模拟电路引起的延时为 ns 级， 因此 e2。
22、对 e1跟踪的总延 时可控制在 2s 内， 远小于斩波器的工作周期， 满足要求。 0036 负阻器亦可以基于图 6 所示的三相电压源型变流器实现。通过控制 e、 f 两端电压 为 a-d 支路电流 i 与目标电阻 Rs的乘积， 即可使得 e、 f 两端表现为阻值为 -Rs的负电阻特 性。与图 3 实现方案相比， 基于三相电压源型变流器的方案省去了采样电阻 9， 且电流源功 率为电流源型整流器的二分之一， 因而成本大幅减小。但基于三相电压源型变流器的方案 只能提供预先知晓的负阻值， 不能精确跟踪温度变化导致的常规磁体中电阻的变化， 仅可 应用在电流不是太大， 磁体温度变化范围较小的情况。 003。
23、7 可控电压源 （附图 4） 主电路拓扑中连接有蓄电池 13 的 buck-boost 双向变换电路 12 亦可由图 6 所示的三相电压源型变流器替代， 实现维持直流电压为设定值的功能。该替 代方案省去了蓄电池， 减小了成本。 但该方案直接使用电网能量控制直流电压， 不能应用于 要求具有储能的场合， 仅可以用于 PCS 接口电路测试。蓄电池方案由于电池的存在， 模拟系 统表现出实际的储能能力， 可用于电压跌落补偿， 电网振荡抑制等需要储能元件支持的试 验研究场合。 说 明 书 CN 103576033 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103576033 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103576033 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103576033 A 9 。