（电力电子与电力传动专业论文）超导储能脉冲放电系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a bs t r a c t s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i s a n a l y z e d ，i n v o l v i n g i nt h em a g n e ts t a b i l i t ya n d q u e n c hp r o t e c t i o n i t i s p r o v i d e d ac r i t e r i o nf o rt h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t d e s i g n s e c o n d l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o m m o no p e n i n gs w i t c hi sa n a l y z e d r e l a t i v e l y t h ep u l s ef o r m i n gc i r c u i t o ft h es m e si sa n a l y z e di nt h e o r ya n d c o m p u t e dw i t hs i m u l a t i o n i ti sp r o v i d e dat h e o r e t i cb a s i sf o rm a i nc i r c u i td e s i g n o ft h es m e ss y s t e m f i n a l l y , t h ec o m m o nt e s t i n gs c h e m e so fp u l s ec u r r e n ta r e c o m p a r e da n da n a l y z e d b a s e do nt h ep u l s ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co f t h es m e s ， t h ep u l s es i g n a lt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e s ea c c o u n t s ，f o rt h ee x p e r i m e n t a ls m e s ，b a s e do ni g b t t h em a i nc i r c u i to ft h ep u l s ed i s c h a r g es y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h ev i r t u a l i n s t r u m e n t ，t h ep u l s es i g n a lt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h ed r i v ec i r c u i to ft h e o p e n i n gs w i t c hi s s e tu d t h eo n o f fs t a t e so ft h es w i t c ha r ec o n t r o l l e db yt h e t i m es e q u e n c eo fc p l d u s i n gt h el a b v i e wi nc o m p u t e r , t h ec i r c u i ts i g n a li s c o l l e c t e d d i s p l a y e da n ds t o r e d t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi sv a l i d a t e db yt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第| ii 页 。e x p e r i m e n t ，a n d t h er i g h tp u l s eo u t p u to ft h el o a di so b t a i n e d t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ee l e c t r i c i t y p u l s es i g n a l c a r lb eo b t a i n e db yt h es u p e r c o n d u c t i v i t yt e c h n o l o g y t h ep u l s e w a v ec a nb ef o r m e db yt h et i m es e q u e n c es w i t c h k e yw o r d s ：s m e s ；p u l s ep o w e r ；p u l s e f o r m i n gc i r c u i t ；i g b t ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ；p u l s ed i s c h a r g e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酣使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：序1 强锋 日期： p 彳石弓 指导老 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、i g b t 开关应用于低温超导储能脉冲放电系统。通过比较多种断路开 关特性的基础上，选择可重复开合的i g b t 作为系统控制开关，并应用于实 验系统中，在负载上得到了较好的脉冲波形。 2 、虚拟仪器技术应用于超导储能脉冲放电系统测量脉冲信号。应用 l a b v i e w 实现了脉冲信号的实时采集、显示和存储。 学位论文作者签名：闩弓骇年 日期：二o o , 6 弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的研究目的和意义 脉冲功率技术是一种研究能量储存、压缩、转换和传输的技术，它先将 电能以较低的功率存储起来，再通过开关、脉冲调制等技术在很短时间内将 能量释放给负载，从而在负载上获得很高功率的脉冲，因此，它实质上是一 种研究强电脉冲功率放大的技术。一般把脉冲放电时在负载上形成大于1 0 6 w 的功率看作是脉冲功率。 一般说来，脉冲功率装置包括以下几个部分：初级能源、中间储能和脉 冲形成系统、开关转换系统、测量系统和负载【2 j ，如图1 1 所示。 初级 能源 中间储能和脉 冲成彤回路 转换 系统型羹舾系统广吖匕兰 图1 - l 脉冲功率装置 脉冲功率装置工作过程：首先使初级能源具有足够的能量，能量存储单 元在一定时间内存储能量；然后，很快将能量释放到脉冲成形回路，脉冲成 形回路将脉冲整形，并使其达到一定幅值后，输送给负载；测量系统主要用 来对脉冲功率系统放电过程中的电参量进行测量。 脉冲功率技术以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点，在国防科研 和工业民用领域都有着重要的科学意义与应用价值。在工业上，运用微波功 率雷达高速脉冲技术可对地下资源的性质和分布状况进行勘查【3 】；水下目标 探测【4 1 ；岩石钻孔【5 】：快速加热淬火【6 】等应用。在环保上，应用脉冲电场产生 的静电场用于电除尘【7 】；运用射频脉冲功率技术装置可分解有毒的化合物【引， 也可用于微生物灭菌消毒【9 1 0 】；高压脉冲放电废水处理【1 1 】：制取臭氧【1 2 】等。 在医疗上，体外冲击波碎石技术( e s w l ) 1 1 3 1 ；产生脉冲电磁场研究对生物 培养基的影响【1 4 】等。另外，在物理实验上，离子加速器、核聚变等实验装置 中无不应用到脉冲功率技术。总之，作为一门较新的科学技术，脉冲功率技 术的发展和应用前景将是十分广阔的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 脉冲功率技术的核心问题是研究高储能密度和高功率密度的脉冲功率储 能系统，而且要求脉冲放电波形可控性好、脉冲重复性好，同时要求系统结 构简单。因此提高储能密度和重复频率，使装置轻量化、小型化和实用化是 其未来发展的方向1 5 0 j 。 超导储能系统具有其它储能方式所没有储能优势，电感和电容储能方式 的性能比较1 2 j ，如表1 1 所示。电容储能通过闭合开关把能量送到负载上， 而电感储能是通过断路开关把能量送到负载上。电容储能充放电时间短，但 其储能密度低，有漏电，不适合长期储能。相对电容储能而言，电感储能有 储能密度高、传输功率大、体积小成本低的优点。电感储能是用线圈储存能 量的，用普通导体绕制的线圈，由于有电阻损耗，电流会迅速衰减，储存的 能量很快就会耗尽。而超导储能密度大( 1o7 10 s j m 3 ) ，而且由于超导电阻 为零，可大大降低输入级的输入功率，功率密度大；更重要的是，超导储能 容易控制，可对脉冲放电波形进行控制；由于超导线材的通电密度( 10 4 1 0 5 a c m 2 ) 远大于铜等常导导体，利用超导线材制成的储能装置的体积和重 量将远小于常规的储能装置，从而可以实现电源的轻量化和小型化。 表l 一1 脉冲功率装置性能比较 储能密度储能水平 电脉h 参数 效率( ) 储能方式 ( j c m 3 )( j ) 功率( w )脉宽( s )能量传输 能量转化 电容 0 3 21 0 7 _ 1 0 81 0 i o _ 1 0 1 41 0 - 8 10 15 0 8 01 5 2 5 电 常导 3 2 01 0 8 1 0 1 01 0 9 10 1 01 0 - 412 5 6 0 1 0 2 0 感 超导 5 0 一1 0 01 0 9 _ 1 0 1 4 1 0 l l1 0 4 _ 1 0 。22 0 7 0 2 0 3 0 超导储能系统通过转换系统可用于脉冲功率技术中，超导磁储能脉冲技 术充分利用了超导磁储能系统储能效率高、储能密度大、释放能量快速、持 续性能强、无噪音、易于控制的优点。从长远目标来看，超导储能脉冲功率 技术具有极大的应用潜力。本文通过对超导储能脉冲放电系统关键技术的研 究，实现不同波形需要的高功率脉冲输出，为特定目标提供强电流脉冲功率 源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究概况 1 2 1 脉冲功率技术的发展 脉冲功率技术萌芽于2 0 世纪3 0 年代的用电容器放电产生x 射线。1 9 3 8 年，美国人k i n g d o n 和t a n i s 第一次发表了用高压脉冲电源放电产生微秒脉 冲x 射线的文章。6 0 年代是脉冲功率技术迅猛发展并形成单独学科的黄金时 代。由于对核爆炸有关的效应模拟和粒子束惯性约束核聚变研究的需求，出 现了脉冲功率领域中的强流粒子束加速器，并得到飞速发展。1 9 6 2 年，英国 原子武器研究中心的j c m a r t i n 把b l u m l e i n 线和m a r x 发生器结合起来，从 而把脉宽从微秒级压缩到纳秒级。 为了适应脉冲功率技术的发展，1 9 7 6 年在美国举行了第一届电气与电子 工程师协会( i e e e ) 脉冲功率技术国际会议，交流了研究工作的进展和成果， 会上“脉冲功率 这一术语被认同。并在1 9 7 9 年举行了第二届i e e e 国际会 议，之后这类国际会议每两年举行一次。目前，世界发达国家都很重视脉冲 功率技术的发展，其中尤以美国和俄罗斯发展最快，在脉冲电源总体技术、 关键单元器件以及在国防和工业领域的应用等研究中均已取得了较大进展。 美国从事脉冲功率研究的机构有：圣地亚国家实验室( s a n d i an a t i o n a l l a b o r a t o r i e s ) 、空军实验室( a i rf o r c er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 、海军实验室 ( n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 、泰坦公司的脉冲科学部( t i t a np u l s es c i e n c e d i v i s i o n ) 、得克萨斯工业大学( t e x a st e c hu n i v e r s i t y ) 、康奈尔大学( c o m e l l u n i v e r s i t y ) 、南加州大学( u n i v e r s i t yo fs o u t h e r nc a l i f o m i a ) 等。1 9 6 7 年在 s a n d i a 实验室建成的h e r m e s 为当时最大的脉冲功率装置，其输出电压为 1 0 m v ，电流1 6 m a ，脉宽1 2 0 n s 。1 9 8 6 年s a n d i a 实验室又建成了p b f a 口， 它是世界上第一个闯过1 0 0t w 大关的装置。 俄罗斯从事这方面工作的单位有：俄罗斯托姆斯克大电流研究所 ( i n s t i t u t eo fh i g hc u r r e n te l e c t r o n i c s ，t o m s k ) 叶卡特琳堡电物理研究所 ( i n s t i t u t eo f e l e c t r o p h y s i c s ，e k a t e r i n b u r g ) 、俄罗斯应用物理研究所( i n s t i t u t e o fa p p l i e dp h y s i c s ，n i z h n yn o v g o r o d ) 等。他们也建造了许多大型的m a r x 成形线型联合装置，1 9 8 5 年由k y p q a m o b 原子能研究所建成的a n r a p a 5 就是 其中之一，其输出电压为2 m v ，电流4 0 m a ，脉宽9 0 n s t l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在日本，脉冲功率技术主要应用于强流粒子束加速器，他们特别重视轻 离子的惯性约束聚变。从事脉冲功率技术研究的机构有东京大学、熊本大学、 大阪大学、长岗技术大学等，较著名的装置有大阪大学的r a i d e n i v 和长岗 技术大学1 9 8 6 年建成的e t i g 0 i i ，后者的电压为3 m v ，电流4 0 0 k a ，脉宽 6 0 n s f l l 。 我国脉冲功率技术的研究从2 0 世纪6 0 年代开始。目前，国内的中科院 等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、华 中科技大学、清华大学等单位的研究水平居于国内领先地位。1 9 7 9 年西南工 程物理研究院建成的“闪光一i ”装置【l 引，其输出电压为6 m v ，电流1 0 0 k a ， 脉宽8 0 n s 。9 0 年代以后，国内建成的装置有西北核技术研究所的“闪光i i ” 装置【i 刚，其输出电压为0 9 m v ，电流0 9 m a ，脉宽7 0 n s 。 1 2 2 超导技术应用现状 自从1 9 1 1 年荷兰物理学家昂里斯( o n n e s ) 发现超导电性后，人们就对 超导电性的实际应用提出了许多设想，但是，由于当时发现的超导材料的超 导电性极易受到磁场影响而被破坏，致使这些设想未能实现。直至上世纪6 0 年代发现具有实用价值的第二类超导体后，才使早期的设想得以实现。目前， 超导应用已发展成为相当规模的一门实用技术，并在能源、工业、交通、医 疗、航天、国防和科学试验领域，具有独特而不可取代的优点。 ( 1 ) 超导磁体技术 超导磁体技术在科学、交通、工业、生物医学和军工等领域已获得实际 应用并有广泛的应用前景【1 7 2 0 1 。超导磁体与常规磁体比较有下列优点【3 3 】： 可在大的空间内获得很强的磁场，所谓大的空间当然是不用铁芯的。铜所承 受的最大电流密度比超导体小2 3 个数量级，这意味着其它条件相同情况 下，超导绕制的磁体的磁场比铜绕制的常规磁体的磁场大得多，n b 3 s n 在1 5 t 磁场下的电流密度可达1 0 9 a m 2 ；磁场均匀性好，在1 0 m m 直径的球体内 磁场变化不大于1 0 一；磁场稳定性好，在一个星期内可做到磁场变化不大 于1 0 由1 0 ；节约能源。由于常规磁体存在电阻，要一直消耗很大的电功 率，而超导磁体启动之后，自身不消耗电能，运行中只需消耗用于维持低温 条件所需的电能，总能耗反为常规磁体的千分之一；重量轻、体积小。一 个产生4 5 t 磁场、内径为0 2 m 的磁体线圈，常规磁体重约1 5 - - - 2 0 吨，体 积约为l - - - - 2 m 3 ，而超导磁体的重量仅0 2 0 3 k g ，体积只有1 0 。4 m 3 ，包括低 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 温容器在内也只有0 1r r l 3 ；成本低。超导磁体的造价与常规磁体差不多， 但运行费用低，所以总成本比常规磁体低得多，由于以上优点，在一些大型 科学工程中，如高能加速器、受控核聚变实验装置、强磁场实验装置等已有 各种类型超导磁体在运行【2 l 】。 ( 2 ) 超导电机 超导线的运行电流密度一般比铜导线高约两个数量级，因此若采用超导 线取代常规的铜导线绕制电机的励磁绕组或电枢绕组，电机的效率可比常规 电机提高o ，5 4 - - - 0 8 ，电机的整机重量可以减小1 3 1 1 2 ；同步电抗可减 小到1 4 ，从而提高电机的运行稳定性。另外，由于气隙磁通密度可比常规 电机大几倍，单机容量可达到百万千伏以上【2 2 2 3 1 。1 9 9 7 年日本研制了一台 7 0 m w 级半超导同步发电机：2 0 0 3 年美国a m s c 和a l s t o m 公司研制成功 5 m w 高温超导单极电动机。目前超导电机在设计、制造和运行方面还有一 系列关键的技术问题有待解决。 ( 3 ) 超导变压器 超导变压器具有损耗低、效率高、过载能力强、单机容量大等优点，9 0 年代以来，许多国家相继开展了超导变压器的研究，进行了不同形式和不同 应用的变压器概念设计，对变压器损耗的数值计算、空芯变压器绕组间的磁 耦合等问题进行理论分析，以及进行超导变压器样机研制和实验研究1 2 4 之6 1 。 1 9 9 7 年a b b 公司研制出一台1 8 7 k v 4 2 0 v 、6 3 0 k w 的三相超导变压器；日 本九州大学与富士公司等合作于1 9 9 6 年研制了一台6 6 k v 3 3 k v 、5 0 0 k w 的 超导变压器；美国电力公司、i g c 公司、橡树国家实验室等合作于19 9 8 年研 制了一台单相1 m w 超导变压器样机；德国s i e m e n s 公司于2 0 0 1 年研制并实 验成功用于铁路机车的1 m w 超大变压器样机。 ( 4 ) 超导磁储能 超导磁储能系统( s m e s ：s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ) 是 利用超导线圈储能，通过电源励磁，在线圈中产生磁场而储存能量。其储存 1 能量e 与线圈的电感三和通过的电流，有关，即= 二u 2 。由于超导线圈在 2 通过直流电流时电阻几乎为零，同时其电流密度比般常规线圈高2 3 个数 量级，因此，它不仅能长时间无损耗地储存能量，而且能达到很高的能量密 度，超导磁储能系统具有很高的转换效率( 可达9 5 ) 、响应速度快( 可达几 毫秒) ，能对电力系统进行有功、无功补偿，可有效的提高电力系统的稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和改善供电品质，具有广泛的应用前景。 2 0 世纪八九十年代，美国曾致力发展大型超导储能装置，计划研制 5 0 0 0 m w h 的大型储能装置；日本曾提出在2 0 1 0 年建成容量为1 0 0 0 5 0 0 0 m w h 的超导储能装置的计划1 2 卜2 引。大型s m e s 装置由于投资昂贵等原 因发展比较缓慢，目前国际上超导磁储能的研究主要是微型超导储能装置及 其实际应用。美国已有多台微型s m e s ( 1 1 0 m j ) 在配电网中实际应用， 还将研制1 0 0 m j 5 0 m w 的超导储能装置列入海军全电舰船发展计划( c a p s ) 中。 ( 5 ) 超导磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高 速列车系统。磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车车厢托起 悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，从根本上克 服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，利用线性电机驱动列 车运行。它的时速高，是当今世界最快的地面客运交通工具，并且还具有安 全，舒适，无污染，与环境兼容性好，爬坡能力强以及占地面积小等一系列 优剧2 9 1 。 由于超导的零电阻特性，功耗极低，可达到节省能量的目的，有利于减 小车载蓄电池容量和重量，降低列车的自重，增大磁浮列车的有效载荷，利 用超导线圈取代传统电磁线圈，应用于磁浮系统成为研究的热点。同时，超 导磁悬浮系统中，电磁铁结构和控制方式与现有的常导磁浮列车类似，更有 工程应用前景。2 0 0 1 年1 月3 日，世界第一辆载人高温超导磁悬浮实验车在 西南交通大学研制成功。 ( 6 ) 核磁共振成像 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与外磁场的共振现象来 分析被测对象的内部状态。目前，核磁共振成像装置已广泛用于医学诊断中， 如用于早期肿瘤和心血管疾病等的诊断，它与目前采用的c t 扫描和x 光照 相比，具有能准确检查发病部位、无损伤、无辐射、诊断面广等优点1 3 们。 核磁共振成像装置主要包括磁体系统、核磁共振波谱仪和图像显示系统。 其磁体系统，应具备主要指标如下：强磁场，高度均匀的磁场、高度稳定的 磁场、符合需要的室温孔径。超导磁体特有的优点就是稳定性、零功率损耗 和高的磁场强度，使得超导磁体变成了核磁共振成像装置最关键最理想的部 件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 3 超导储能脉冲功率技术的研究状况 上世纪5 0 年代，美国密芝于大学e a r l y 等人成功的进行了兆焦量级电感 储能电源的实验研究，证实了应用电感储能作为强脉冲电源的现实性l l i 。1 9 6 7 年e d w a r d 等人对超导储能磁体在脉冲系统中的应用做了研究，并且对两个 线圈进行了放电研究，最后得出结论超导储能磁体在脉冲系统中可以被有效 的利用。 1 9 7 5 年，美国磁公司( m a g n e t i cc o r p o r a t i o no f a m e r i c a n ) 设计完成且建 造了3 0 0 1 0 的超导脉冲储能线圈口“，结构为中空螺管状外形，可运行在中心 磁通密度达2 w b m 2 ，运行电流1 0 k a ，临界电流为1 5 k a ，磁体的最大端压达 4 0 k v 。制造的超导线圈预计可在1 0 s 内充电完毕、可在2 m s 内放电完毕，重 复冲放电周期为3 0 s 。而在早些时候，美国磁公司( m c a ) 使用单芯的小直 径铜基超导体己为美国空军飞行动力实验室( u sa i rf o r c ea e r op r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 构建过几个脉冲超导储能线圈，在l m s 时间内完成了l k j 和1 0 k j 储能线圈的快速放电实验，在1 s 时间内完成了5 次脉冲实验，每次运行电流 均达临界电流9 0 以上。 1 9 9 3 年，德国在超导储能应用于脉冲功率技术的工作进行了深入细致的 研究和试验，构建了如图1 - 2 所示的平行式六螺管超导储能模块【3 z 】，其储能 量为0 5 m j ，并对储能模块的充电以及快速放电功能进行了仿真和实验。 ( a ) 平行式六螺管简示图( b ) 平行式六螺管超导储能磁体装置示意图 图1 2 平行式六螺管超导储能模块示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在超导储能脉冲功率技术方面，中国科学院电工研究所、等离子体物理 研究所、高能物理所、华中科技大学等单位在进行研究。2 0 0 5 年华中科技大 学超导电力中心成功研制了小型高温超导s m e s 装置，并在s m e s 用于电力 系统稳定性，紧急备用电源和脉冲功率能量储存设备等方面进行了研究，取 得一定的研究成果【5 i ，引】。目前我国在超导储能脉冲功率技术方面发表的成 果，主要局限于仿真研究工作p 。 1 3 本文所作的工作 本文针对实验低温超导磁体完成了基于i g b t 的超导储能脉冲放电系统 设计和基于虚拟仪器的脉冲信号测试系统设计，搭建了开关驱动电路，通过 c p l d 产生时序信号控制开关状态，应用l a b v i e w 在上位机实现信号的实时 采集、显示和存储，并通过实验验证了系统功能，在负载上获得了较好的脉 冲输出。 论文主要内容概括如下： ( 1 ) 超导储能脉冲放电系统关键技术综述分析。对超导体基本特性以及 超导磁体特性进行了分析，对常用的断路开关特性参数进行分析比较，对超 导储能脉冲功率技术的脉冲成形回路进行理论分析和仿真计算； ( 2 ) 脉冲放电系统主电路设计与仿真分析。并对电路元器件进行选型， 开关驱动电路设计，以及控制模块的设计； ( 3 ) 对常用的几种脉冲电流测试方案进行比较分析，为实验装置设计了 基于虚拟仪器的脉冲信号( 电流电压) 测量系统： ( 4 ) 搭建了超导储能脉冲放电实验系统平台，通过实验验证系统功能， 完成脉冲电流电压波形实时采集、分析和存储。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章超导储能脉冲放电系统分析 超导储能脉冲放电系统由超导储能系统、脉冲成形回路和脉冲大电流测 量系统三部分组成，本章将分别对其进行详细的阐述分析，为超导储能脉冲 放电系统设计与实现奠定理论基础。 2 1 超导储能系统概况 超导储能( s m e s ) 是超导磁场能量储存( s u p e r c o n d u c t i v em a g n e t i ce n e r g y s t o r a g e ) 的简称，s m e s 系统具有储能效率高、储能密度大、释放能量快速、 持续性能强、无噪音、易于控制的优点，是种前景十分诱人的储能装置。 超导储能系统主要由超导线圈、失超保护、冷却系统等组成，首先对超导体 的基本特性进行简明概述。 2 1 1 超导电性 一、超导体的基本特性 超导体具有零电阻特性、迈斯纳( m e i s s n e r ) 效应和约瑟夫森( j o s e p h s o n ) 效应等三大基本特性。 ( 1 ) 零电阻 1 9 1 1 年荷兰物理学家翁内斯( o n n e s ) 在研究金属电阻随温度变化的规 律时发现，当温度降低时，水银的电阻先是平稳地减小，而在4 2 k 附近电阻 突然降为零。于是称这种情况下发生的零电阻现象为物质的超导电性，具有 超导电性的材料称为超导体。零电阻效应是超导的基本特征之。发生电阻 突然下降为零的这个温度称为超导的临界转变温度z ，当丁 c 时金属为正 常态，t 乃为超导态。许多金属和合金在低温下都会出现超导现象，不同 金属转变成超导态的临界温度不同。 ( 2 ) 迈斯纳效应 1 9 3 3 年，德国的迈斯纳( m e i s s n e r ) 通过实验发现，当置于磁场中的超 导体从正常态变到超导态后，原来穿过超导体的磁力线会被完全排斥到超导 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 体之外，同时超导体外的磁通密度增加。只要t 去百o ) t i t ) 防1 8 ) p o 通过控制磁场的输入功率，可以得到开关的触发时间： f 坠型嗑坚二坠!( 2 1 9 ) p o 丘。 知触发时间和磁场的瞬时功率有关。通过合理的磁体结构设计磁控开关 运行速度会高于热控开关【6 5 】。 ( 3 ) 临界电流式 临界电流式通过触发储能电容使开关电流上升到临界电流，实现猝熄。 为了使开关完全到达正常态，电容的电压应满足【6 6 1 ： u = 0 3 r n i 。 ( 2 2 0 ) 式中，t 是开关的临界电流，r 。是开关正常态电阻。 猝熄回路是一典型的二阶零输入响应电路，有： c 堡+ r c 生+ 掰，：o ( 2 - 2 1 ) 由于回路电阻较小，符合r ( 鲁+ ，) 时，式( 2 2 3 ) 近似为：m 也a i 唾， ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 则有：= 了m f ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 u o - - r f l = 争f 。 此时，自感三和采样电阻尺。构成肛积分环节，对被测电流进行积分还 原，输出电压砜与被测电流i 成正比，前提是不等式所确定的条件必须得到 保证，即采样电阻r 。要取较小的值，或被测电流的变化率别斫要足够大。因 此，工作在自积分状态下的线圈常用来测量快速变换的脉冲电流。 在外积分状态下，需外加一个积分环节，等效电路如图2 5 所示。图中 电阻尺和电容c 一起构成无源积分器；以为积分后的输出电压。 图2 - 5 外移 分等效电路 由上图可写出电路方程： m 要= 要+ ( 尺+ r ) i t + ( 2 2 8 ) d td t 、 ” 当三冬 俾+ ，) 时，式( 2 2 8 ) 近似为：ma ，i 。( r + 厂) ，则有： i i = 羔磊d i ，u o 吉j i i 出= 面m 币z 。 可知积分器输出砜与被测电流f 成正比关系，在这种状态下，要尽量减 小，r ，并要满足灭，c 的取值较大，适合用于被测电流变化相对较小。 利用r o g o w s