摘要：采用有源功率檢測法，設(shè)計和制作了超導(dǎo)混合儲能磁體能量儲存系統(tǒng)的失超檢測中的電壓隔離校正裝置。該裝置用于隔離超導(dǎo)線圈的干擾信號，以及消除串聯(lián)線圈電感分量，是混合磁體失超檢測中的重要環(huán)節(jié)。通過搭建高溫超導(dǎo)線圈的實驗裝置，在高溫超導(dǎo)儲能磁體上進行失超檢測的實驗研究，得出了電壓矯正前后的線圈電壓波形，驗證了本實驗裝置可行性與合理性。
關(guān)鍵詞：有源功率檢測法；超導(dǎo)儲能；失超檢測；電壓隔離校正
0 引言
超導(dǎo)儲能系統(tǒng)具有大功率、高靈敏度、小體積，低損耗等諸多優(yōu)勢，在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在輸電電網(wǎng)中，能夠解決用電高峰和低谷期電網(wǎng)輸電的供求矛盾，提高電網(wǎng)的電能容量，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，超導(dǎo)儲能因為其得天獨厚的優(yōu)點，成為未來最具潛力的儲能裝置。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)在運行時，內(nèi)部線圈會因為瞬間高壓、局部高熱以及過載應(yīng)力等電磁和機械擾動，使系統(tǒng)處在失超狀態(tài)，易受損且可靠性下降。故研究失超保護系統(tǒng)有助于延長超導(dǎo)儲能裝置的穩(wěn)定性和壽命，是推廣超導(dǎo)儲能系統(tǒng)應(yīng)用的重要一環(huán)。而設(shè)計研發(fā)高靈敏度的失超檢測裝置，預(yù)先監(jiān)測超導(dǎo)系統(tǒng)運行指標，更是失超保護系統(tǒng)的焦點所在。
本文在超導(dǎo)儲能混合磁體的失超檢測系統(tǒng)中，為該系統(tǒng)設(shè)計一套光耦隔離與校正電路，用于檢測串聯(lián)超導(dǎo)磁體線圈的失超電壓，同時將該電壓與干擾信號隔離，并相應(yīng)地放大或縮小單線圈電壓，消除作為干擾因素的串聯(lián)線圈感生電壓分量。該電路有效提高失超保護系統(tǒng)的可靠性，滿足超導(dǎo)儲能系統(tǒng)失超保護的要求。
1 失超檢測裝置的設(shè)計原理與分析
失超檢測流程如圖1所示。
以下著重闡述電壓隔離矯正部分的機理：
在電壓隔離校正環(huán)節(jié)中，超導(dǎo)線圈L1和L2上的電壓v1和v2經(jīng)過電壓隔離校正電路后，一方面隔離超導(dǎo)線圈端的干擾信號；另一方面調(diào)整光耦隔離放大電路的參數(shù)，消除電感量帶來的差別。超導(dǎo)線圈在縱軸方向上串聯(lián)連接，故不考慮互感的影響。根據(jù)實際超導(dǎo)儲能混合磁體的特點，采取有源功率檢測法，并對電壓差測量環(huán)節(jié)進行了校正，如圖2所示。
r1和r2，L1和L2分別為超導(dǎo)線圈的電感和失超電阻。有源功率檢測法通過測量P=[(L1-L2)di／dt+(r1-r2)i]i=[(L1-L2)di／dt]i+(r1-r2)i2的值來檢測失超。由于誤判斷是由于感應(yīng)電壓差(L1-L2)di／dt引起的，對v2進行L1／L2倍放大，得到(L1／L2)v2，再經(jīng)過電壓差測量環(huán)節(jié)與v1進行比較，得v1-(L1／L2)v2=0，消除了感應(yīng)電壓產(chǎn)生的影響。[!--empirenews.page--]
隨后由差分運算電路、絕對值運算電路、電流傳感器電路、模擬乘法運算電路、濾波電路電路、低通濾波器、比較電路對信號進行處理，比較電路得出的信號送入數(shù)字信號處理器DSP中，判別超導(dǎo)線圈狀態(tài)，并進一步找出失超線圈的具體位置。
進一步分析可得：
從上述3種情況看出，P1值已不包含感應(yīng)電壓差分量，此時可通過有源功率檢測法測得P1值與閾值比較判斷是否失超。
2 電壓隔離電路的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)
根據(jù)上述失超檢測系統(tǒng)的原理框圖，進行硬件電路設(shè)計。本文研究的電壓隔離校正電路有2部分功能，一是檢測超導(dǎo)磁體單個線圈的電壓；二是對電壓進行隔離并按比例放大。
利用隔離器件將磁體與檢測電路以及DSP隔離開，保護整個檢測系統(tǒng)。線性光耦HCNR201可以較好地實現(xiàn)電路隔離。該耦合器是一種由3個光電元件組成的器件。圖3是HCNR201的外圍電路配置。其中Ipd1和Ipd2表示LED的輸入電流If和光敏二極管的反向電壓處在額定值時光敏二極管中流過的電流。該電流的大小與If有關(guān)。
如果LED的輸出光強發(fā)生改變，那么，光耦的前端運放N1就會調(diào)節(jié)If以進行補償，并且在PD1，PD2上保持一個穩(wěn)定的電流。將第3，4輸出端與第1，2輸入端一起接入前端運放N1回路，其中第3，4端的光敏二極管起反饋作用，它可將產(chǎn)生的輸出電流再反饋到第1，2端的LED上，以對輸入信號進行反饋控制。Ipd1，Ipd2的大小與If的關(guān)系如下：Ipd1=K1If，Ipd2=K2If，K1和K2分別為Ipd1和Ipd2隨If的變化參數(shù)。對于圖3所示電路，其輸入Uin=Ipd1R1，輸出端Uout=Ipd2R2，故有Uout／Uin=K2R2／K1R1=R2／R1。隔離放大器的增益可通過調(diào)整R2與R1的比值來實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
根據(jù)HCNR201的運行特性選定前置運放的類型和阻值。本設(shè)計電路采用雙電源供電的LM358集成運算放大器，其輸出電流可達40 mA。R2可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定，另外由于光耦會產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯(lián)電容，構(gòu)成低通濾波器。
將單邊信號接入電壓隔離放大電路，通過圖4所示的電壓隔離放大電路，達到線性輸出且隔離的目的。在升流階段，產(chǎn)生的電感電壓為正值，U1B不工作，則輸入電壓通過U1A線性或放大輸出；在降流階段，電感感應(yīng)電壓為負值，U1A不工作，則輸入電壓通過U1B線性或放大輸出。當HCNR201的第3，4端的光敏二極管受光后，其輸出信號將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂。第5，6端輸出的信號經(jīng)運放放大后輸出。電容C1，C2為反饋電容，可用于提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號，降低電路的輸出噪聲。調(diào)整R5和R1的值，可以對輸出值進行一定倍數(shù)的放大。
3 失超檢測系統(tǒng)校正電路實驗
實驗采用不同電感值的超導(dǎo)線圈YBCO與Bi2223。
3．1 實驗裝置
其主要實驗裝置及作用如下：由YBCO帶材繞制的超導(dǎo)儲能磁體，由10個超導(dǎo)線圈串聯(lián)而成，分為寬帶和窄帶，兩者具有不同的電感量；制冷機為單級G-M制冷機(600 W，77 kHz)；超導(dǎo)電源為超導(dǎo)磁體提供高精度穩(wěn)定直流電源；真空機組為杜瓦提供減壓降溫環(huán)境，與散熱器配合工作；空壓機為真空機組提供高壓空氣；冷水機為真空機組、超導(dǎo)電源和制冷機提供冷卻水源，保障設(shè)備的長期工作；液氮罐為儲存液氮容器。將超導(dǎo)線圈放置在裝有液氮的杜瓦瓶內(nèi)，通過制冷機、冷水機以及真空機組的共同作用，使液氮溫度降低至65 K并保持此低溫，進行失超保檢測實驗。
3．2 實驗連接
根據(jù)實驗?zāi)康?，設(shè)計如圖5所示的實驗電路，充電電源以某一速度為超導(dǎo)線圈充電，測試系統(tǒng)通過虛擬儀器軟件LabVIEW進行編程控制充電電流的速度并可以檢測超導(dǎo)磁體上電壓以及溫度的變化。將超導(dǎo)線圈上的電壓和電流信號輸入到失超檢測系統(tǒng)，通過示波器觀察實驗過程中的波形。[!--empirenews.page--]
3．3 寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗波形圖
寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗波形如圖6～圖10所示。
3．4 實驗結(jié)果分析
圖6～圖10為寬帶與窄帶比較時失超前后電壓電流信號波形，其中v3，v4為經(jīng)電壓隔離校正電路后的電壓，從圖中可以看出在充電電流未達到臨界電流時，超導(dǎo)線圈上的電壓v1≠v2，經(jīng)校正后超導(dǎo)線圈具有接近相等的電壓值，失超電壓低于閾值電壓且?guī)捉诹?，輸出電壓為高電平，表明失超檢測電路能夠消除感應(yīng)電壓的影響，反映線圈未失超；當充電電流達到臨界電流時，超導(dǎo)線圈開始失超，v3≠v4，失超電壓開始上升，輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，表示產(chǎn)生失超。
根據(jù)有源功率檢測法，比較電路中的閾值可設(shè)定為超導(dǎo)線圈上失超電壓差的閾值與臨界電流的乘積，檢測電路得到的P1值為超導(dǎo)線圈電壓差與線圈電流的乘積。由示波器可以看出，超導(dǎo)磁體充電的過程中受各種干擾及誤差的影響，檢測電路中存在幅值200 mV以內(nèi)的干擾信號，那么閾值的設(shè)定還需考慮干擾信號的影響，根據(jù)實驗取得經(jīng)驗值2．2 V，當失超電壓大于2．2 V時，輸出信號由高電平跳變到低電平，說明產(chǎn)生失超。
從實驗得知，失超檢測系統(tǒng)不僅使用于電感值不等的超導(dǎo)線圈之間的比較，也適用于相同電感值的超導(dǎo)線圈之間的比較，實現(xiàn)失超檢測的功能。
4 結(jié)語
本文選取有源功率檢測法作為本課題的研究方法，對現(xiàn)有有源功率檢測法的電壓差測量環(huán)節(jié)進行了校正，設(shè)計了用于超導(dǎo)儲能混合磁體的電壓隔離校正系統(tǒng)。詳細闡述了該系統(tǒng)的工作原理；并用超導(dǎo)線圈進行實驗，驗證隔離校正的可靠性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅適用于超導(dǎo)線圈電感值不等的情況，在線圈電感值相等的情況下，也能準確、及時的檢測到失超信號，保證失超保護裝置及時準確的動作，進而維護超導(dǎo)儲能混合磁體的安全穩(wěn)定運行。
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