[发明专利]一种用于超导储能系统能量转换的变流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超导储能系统充、放电的变流器。

背景技术

近年来，随着电力电子技术，超导磁体技术以及低温技术的发展，随着超导材料性价比的提高，超导线材在强磁场下载流能力的大幅提高，超导储能技术也日益成熟，受到广泛的重视。在高能物理试验中超导磁体几乎已经取代了所有体积庞大、耗电多的常规磁体。在超导电力领域，微型超导磁体储能系统在国外已经实现了商品化，广泛用于改善电能质量，提高电力系统稳定性等。

超导磁体储能系统(SMES)具有储能效率高、储能密度大、释放能量快速、易于控制等优点。首先，SMES的储能密度大大超过普通电容器、蓄电池等常规手段，由于超导线材的载流密度远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；其次，由于超导磁体在超导态下通态电阻为零，所以只需要很小的外部电压就可以维持所存贮的能量，可大大降低输入级的功率，而输出级功率可以达到很大；再次，SMES容易控制，可对脉冲放电波形进行控制。另外，更重要的是，超导磁体能长期无损地储存能量，并且能量释放时间可从微秒扩大到若干小时，这使得超导储能不仅能在微秒、毫秒放电领域与电容器竞争，在秒级放电领域与旋转储能装置和电池组竞争，而且使它还能在其他许多领域大显身。

超导储能磁体实际上是一个储有有限能量的大电感，当储能磁体放电时，磁体中的电流也随之不断衰减，输出电压也不断发生变化，这给实际的应用带来了不便。此外，在储能系统放电时一般要求输出电压稳定、电压调节范围大、开关频率高、功率密度大等，这些都对超导磁体储能系统的大规模应用提出了挑战。

作为储能系统能量变换的关键技术，超导磁体变流技术在整个系统中尤为重要。由于大多数用电设备都需要稳定的电压输出，为了将超导磁体所存储的能量稳定、高效、大功率的输出，首先需要通过变流器将磁体能量转换成稳定的电压输出，再根据实际应用需要连接相应的用电设备，这将为储能系统的广泛应用提供便利。

超导储能变流器目前常用方案为直流斩波电路，如美国专利Pub.No.US2002/0030952“超导磁体放电方法及装置”就是通过直流斩波器对储能磁体放电过程进行控制，维持电压的稳定输出。该斩波器采用单级Boost电路，在开关管关断的时候，磁体两端的电压就是输出电容两端的电压。图1所示的US2002/0030952“超导磁体放电方法及装置”具体结构图中10、11为磁体部分，19为磁体充电电源，其它部分为斩波器，它将超导磁体的电流直接变换成电压。它由开关22和20直接对磁体电流进行斩切。当开关20断开时，磁体两端的电压就等于输出电压，而超导磁体系统由于低温绝缘和其他一些条件所限，磁体两端的电压不能很高，这就使得具有上述结构的超导变流器无法直接应于高压系统中，限制了超导储能系统的应用，同时在输出电压较高时，这种直接对磁体电流进行斩切的方式将会带来很大的开关损耗，也增大了磁体的交流损耗，不利于超导磁体系统的稳定。

发明内容

本发明所要解决问题是：降低斩波器工作时磁体两端的电压，维持磁体端电压在低温系统的绝缘水平以内，而负载侧的电压则可以根据实际的应用场合调整，达到较高的电压范围。

本发明解决技术问题采用的方案为：采用两级Boost斩波升压控制超导储能磁体放电过程，第一级电压较低，满足了超导磁体的绝缘要求。第二级再根据负载要求将电压升至较高水平。本发明中第一级斩波电路采用PWM控制方式或滞环控制方式，主要目的是把磁体两端的电压限制一个较低的电压等级。第一级斩波电路中尽管磁体电流较大，但输出电压不高，采用多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并联便可以降低通态电阻和开关损耗。第二级斩波由于电压较高，采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为开关器件，通过PWM控制方式调节绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关占空比来调节后级的输出电压，实现了后级输出电压可调，超导磁体放电电压可控的目的。

本发明首先可以降低对超导磁体的绝缘要求，简化磁体结构设计，降低磁体的建造成本，同时还不影响超导储能磁体系统的应用范围，避免了采用变压器升压和多重化均流方案带来的体积庞大、电流分布不均等问题，具有结构紧凑、可靠性高、功率密度大、能量转换效率高等优点。

附图说明

图1为现有技术美国专利US2002/0030952的原理图；