CN101572401A - 涉及关于动力应用的超导产生器的保护的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
涉及关于动力应用的超导产生器的保护的系统和方法。一种用于保护超导产生器励磁线圈(102)的系统(100，200)，包括控制器(114，214)，该控制器被配置为监控产生器的超导励磁线圈(102)的猝熄，并在该猝熄的情况下控制该超导励磁线圈(102)中的电流的消散，还包括产生器的电枢线圈(104)，该电枢线圈被配置为在该超导励磁线圈的猝熄的情况下响应于该控制器(114，214，216)使该超导励磁线圈(102)中的电流消散。一种用于保护超导产生器励磁线圈(102)的方法(300)，包括监控产生器的超导励磁线圈(102)的猝熄，且响应于该猝熄的检测通过该产生器的电枢线圈(104)消散该超导励磁线圈(102)中的电流。
Description
技术领域
本发明的实施例总体上涉及超导产生器，尤其是涉及关于动力应用的超导产生器的保护的系统和方法。
背景技术
在这点上，在发生故障的情况下，由超导材料(“超导体”)构造的超导产生器励磁线圈的保护对于防止励磁线圈或其他部件的损害是重要的。例如，在产生器运行期间，如果该超导励磁线圈上升到某个温度以上，从而导致其转变到非超导或“正常”状态(通常所说的“猝熄(quenching)”过程)，这将导致对励磁线圈和/或其他部件的重大损害而致使产生器无法工作和可能不可回收。为了防止当猝熄发生时的这种损害，重要的是消散励磁线圈中的电流以避免当超导体变为正常时出现的增加的电阻造成的过热。在猝熄过程中与励磁线圈串联连接的外部电阻器用于此目的。然而，该外部电阻器通常是大而且重的，由于增加的尺寸、重量、相关的成本等，其在各种动力应用中影响产生器的使用。因此，需要不使用外部电阻器而在猝熄期间快速消散励磁线圈中的电流的能力。
发明内容
在示例性实施例中，涉及关于动力应用的超导产生器的保护的系统和方法包括一种用于保护超导产生器励磁线圈的系统，其包括控制器，该控制器被配置为监控产生器的超导励磁线圈的猝熄，并在该猝熄的情况下控制超导励磁线圈中的电流的消散，还包括产生器的电枢线圈，其被配置为在超导励磁线圈的猝熄的情况下响应于控制器使超导励磁线圈中的电流的消散。
另一示例性实施例包括用于保护超导产生器励磁线圈的方法，其包括监控产生器的超导励磁线圈的猝熄，且响应于该猝熄的检测，通过产生器的电枢线圈消散超导励磁线圈中的电流。
附图说明
当参考相应附图阅读下面的详细说明时，可以更好的理解这些和其他特征、方面和优点，在该相应附图中贯穿该附图相同的符号表征相同的部分，其中：
图1是根据本发明的示例性实施例说明保护超导产生器励磁线圈的示例性系统的示意图。
图2是根据本发明的示例性实施例说明保护超导产生器励磁线圈的另一示例性系统的示意图。
图3是根据本发明的示例性实施例说明保护超导产生器励磁线圈的示例性方法的示意图。
具体实施方式
在下面的详细说明中，阐述了许多具体细节以提供各种实施例的彻底理解。然而，没有这些具体细节也可以实施该实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、工序和部件。
此外，各种操作可以被描述为多个分立操作，其以帮助理解本发明的实施例的方式执行。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要以他们被介绍的顺序来执行或者甚至它们由顺序决定。而且，短语“在实施例中”的重复使用并不必然涉及相同的实施例，尽管它可能涉及相同的实施例。最后，正如在本申请中使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等为同义的，除非被另外指明。
与相同或类似容量的传统产生器相比，超导产生器提供更轻的重量、更小的尺寸以及更有效的操作，因此在诸如风轮机系统的各种动力应用中有益。超导产生器的超导励磁线圈的保护对于防止对励磁线圈和/或其他部件的损害以及对于在诸如猝熄现象的故障(例如转变为非超导或正常状态)的情况下减少产生器的恢复时间是重要的。超导产生器的电枢线圈可被配置为用于消散超导励磁线圈中的电流以在出现这种现象期间提供该保护。
图1是根据本发明的示例性实施例用于保护超导产生器励磁线圈的示例性系统100的示意图。示例性系统100可以是超导产生器(未画出)的一部分且包括一个或多个超导(SC)励磁线圈102以及一个或多个电枢线圈104。SC励磁线圈102由诸如钛化铌(NbTi)、锡化铌(Nb3Sn)、二硼化镁(MgB2)的超导材料或诸如铋锶钙铜氧化物(例如，BSCCO-2212或BSCCO-2223)或钇钡铜氧化物(例如YBa2Cu3O7或“YBCO”)的高温超导体(HTS)来构造。电枢线圈104由诸如铜的传统线圈导体构造且能消散SC励磁线圈102中的电流，例如直接的或感应的。SC励磁线圈102在第一状态通过一个或多个开关107、108连接到励磁源(“励磁器”)106。在第二状态开关107、108可使SC励磁线圈102与励磁器106断开连接且将SC励磁线圈102连接到电枢线圈104。电枢线圈104连接到产生器的输出112，该连接可在第一状态通过一个或多个开关109、110且在第二状态使电枢线圈104与产生器输出112断开连接。产生器输出112可包括到未示出的产生器的各种其他部件的连接。
开关107-110可以是能够在产生器的操作特征(例如电压、电流、温度等)下运行的任何形式。例如，一个或多个开关107-110可以是电子的或机械的。开关107-110可以由控制器114通过诸如控制导体或布线来控制。控制器114还通过例如控制线、转换器等(例如如所示的)监控SC励磁线圈102的一个或多个操作特征诸如电流I、电压V和/或温度T。控制器114也可与励磁器106通信以进行诸如监控和/或控制励磁器106。
控制器114可配置为响应于各种输入(例如来自操作特征监控器I、V、T)提供各种输出(例如向开关107-110或励磁器106)。控制器114可以是能被相应配置的任何装置、部件等或它们的组合，诸如处理器、计算装置、继电保护装置等。
在示例性操作中，在包括系统100的产生器的工作期间，由控制器114监控SC励磁线圈102的一个或多个操作特征I、V、T以检测SC线圈102的猝熄现象。例如，控制器114可被配置为如果检测到例如关于SC线圈102的某电流、电压或温度则确定SC线圈102的猝熄现象的发生。如果控制器114相应的确定了猝熄现象，则控制器114可断开一个或多个开关107-110以通过电枢线圈104控制SC线圈102中的操作和/或故障电流的消散。例如，响应于SC线圈102的猝熄的检测，控制器114可改变开关107和/或开关108的状态以至少部分断开SC线圈102与励磁器106的连接且至少部分的将SC线圈102连接到电枢线圈104。此外，在一些实施例中，控制器114也改变开关109和/或开关110的状态以至少部分断开电枢线圈104与产生器输出112的连接。在一些实施例中，控制器114可改变开关107-110的状态以与电枢线圈104串联放置SC线圈102。此外，控制器114可与励磁器106通信以导致其停止产生用于输入到SC励磁线圈102的励磁电流。在猝熄现象期间SC励磁线圈102到电枢线圈104的部分或全部连接消散了SC励磁线圈102中的电流，以防止损害，且便于产生器恢复到正常工作。
图2是根据本发明的示例性实施例的用于保护超导产生器励磁线圈的另一示例性系统200的示意图。系统200具有与上述系统100有相似之处(例如在结构、功能等)。例如，系统200可以是超导产生器的一部分且可以包括如上所述的一个或多个SC励磁线圈102和一个或多个电枢线圈104。系统200还包括连接到SC励磁线圈102的上述励磁器106。除了上面的描述，励磁器106被配置为在第一状态输入励磁电流到SC励磁线圈102并且在第二状态停止向SC励磁线圈102输入励磁电流。在一些实施例中，励磁器106也可以在第二状态以连续导电模式运行，由此实质上SC励磁线圈102在与励磁器106的连接处(例如励磁器106的内部或外部)短路。在其他实施例中，励磁器106可选择的以负强制模式在最大顶值电压(或最大负强制模式)运行，其在第二状态减小到零输入模式(其也可以包括连续导电模式)。在最大负强制模式，励磁器106向SC励磁线圈102施加高达最大(或顶值)水平的电压，其具有导致SC励磁线圈102中的电流反相的极性，且当SC励磁线圈102中的电流减小到零时该相反的电压减小到零(例如，从而渐减的反转输入到SC励磁线圈102的励磁电流)。系统200还包括类似于上述控制器114的控制器214。例如，控制器214监控SC励磁线圈102的一个或多个操作特征，诸如电流I、电压V和/或温度T。
控制器214还控制励磁器106例如根据SC励磁线圈102将其操作从第一状态变为第二状态。系统200还包括上面所述的与电枢线圈104和产生器输出112通信的第二控制器216。控制器216被配置为控制和/或修改电枢线圈104的一个或多个操作特征，诸如电枢线圈104中的电流的幅度、相位角等。控制器216可以通过电枢线圈104控制和/或修改该特征以使得SC线圈102中的电流感应消散。控制器214与控制器216通信以响应于SC线圈102的猝熄现象而修改该操作特征。控制器216还可以被构造和配置为与上述控制器114类似，且可包括相应的起作用的附加部件。例如，在一些实施例中，控制器216可包括变流器装置。
在示例性操作中(类似于上面对于系统100的描述)，在包括系统200的产生器的操作中，控制器214监控SC励磁线圈102的一个或多个操作特征I、V、T以检测SC线圈102的猝熄现象。如果控制器214相应的确定猝熄现象，控制器214可以与控制器216通信以使其修改电枢线圈104的操作特征以引起SC线圈102中的电流的感应消散。此外，控制器214可如上所述将励磁器106从第一状态改变为第二状态。
在一些实施例中，其中控制器214检测SC线圈102的猝熄现象的系统200的示例性操作包括控制器216引起(例如注入)电枢线圈中的电流，其生成了磁动势(MMF)，该磁动势等于且相反于超导励磁线圈中电流生成的MMF，以感应停止超导励磁线圈中的电流。例如，响应于来自控制器214的通信，控制器216可向电枢线圈104供应显著的d-轴(即磁通轴)电流，其大小与由SC励磁线圈102中的电流生成的磁动势(MMF)相若。由于作为结果SC励磁线圈102中的磁通基本上被抑制，导致SC励磁线圈102中的电流和相关MMF下降到零。在那时，控制器214可使得励磁器106如上所述从第一状态变为第二状态。其后，控制器216(例如响应于控制器214)可降低电枢线圈104中的电流以消散电枢线圈104中的结果磁通。在一些实施例中，控制器216可以以一个可控速率(例如逐渐的)将电枢线圈104中的电流减小到无(例如零)。此外，在一些实施例中，控制器216可通过消散由产生器(例如通过电枢线圈104)生成的结果能量来减小电枢线圈104中的电流，其中消散该结果能量是通过连接到产生器的机械载荷，诸如一个或多个涡轮辅助设备。
系统100、200的前述示例性操作也描述了根据本发明的示例性实施例保护超导产生器励磁线圈的方法。关于那一点，图3是说明保护超导产生器励磁线圈的示例性方法300的流程图。示例性方法300包括块302，其中监控产生器的超导励磁线圈的猝熄。该监控可以根据例如关于系统100、200的上述一个或多个示例性操作来实现。例如，该监控可通过监控SC励磁线圈的一个或多个操作特征来实现，诸如关于SC励磁线圈的电流、电压或温度。
示例性方法300还包括块304，其中响应于SC励磁线圈的猝熄的检测通过产生器的电枢线圈消散SC励磁线圈中的电流。该消散还可以例如根据上面描述的关于系统100、200的一个或多个示例性操作来实现。例如，在一些实施例中，通过至少部分断开SC励磁器与产生器的励磁源的连接且至少部分的将SC励磁器连接到产生器的电枢线圈，可以消散SC励磁线圈中的电流，其中在一些实施例中，为了该消散，SC励磁线圈与电枢线圈串联设置。在其他实施例中，可以通过修改电枢线圈中的电流以感应对立SC励磁线圈中的电流来消散SC励磁线圈中的电流。
为了示例性的目的，关于诸如控制器114、214，励磁器106以及开关107-110的各种元件、部件等说明和描述了用于保护超导产生器励磁线圈的示例性系统100、200。然而，应该理解的是，包括相同特征、功能等的这种元件的其他变形、组合或集合也包括在本发明的实施例的范围内。例如，在一些实施例中由单一部件提供控制器114和励磁器106的功能，而在其他实施例中由单一部件提供控制器214和控制器216的功能。作为另一例子，在一些实施例中，开关107、108的功能可被集成到励磁器106中。按照此处的描述还可以实现其他可能。
应当理解的是，此处描述的流程图(或多个流程图)为例子。在本发明的实施例的范围内可以有对其中描述的这些图或块(或操作)的许多变形。例如，块可以以不同顺序被执行，或者块可以被增加、删除或修改。
该书面描述使用例子来公开本发明，包括最佳模式，且还使得可以实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统且执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可包括其他例子。如果其他例子具有与权利要求的字面语言无不同的结构元件，或如果它们包括具有与权利要求的字面语言的非实质性差异的等价结构元件，该其他例子规定为在权利要求的范围内。
用于保护超导产生器励磁线圈的系统100、200
超导励磁线圈(或多个超导励磁线圈)102
电枢线圈(或多个电枢线圈)104
励磁源(“励磁器”)106
开关107、108
开关109、110
产生器输出112
控制器114
控制器214
第二控制器216
操作特征(I、V、T)
用于保护超导产生器励磁线圈的方法300。
Claims (9)
1.一种用于保护超导产生器励磁线圈的系统(100)，包括：
控制器(114，214)，该控制器被配置为监控产生器的超导励磁线圈(102)的猝熄，并在该猝熄的情况下控制该超导励磁线圈(102)中的电流的消散，以及
产生器的电枢线圈(104)，该电枢线圈被配置为在该超导励磁线圈(102)的猝熄的情况下，响应于该控制器(114，214)使该超导励磁线圈(102)中的电流的消散。
2.权利要求1的系统(100)，其中该控制器(114，214)被配置为通过监控该超导励磁线圈(102)的操作特征(I，V，T)来监控该超导励磁线圈(102)的猝熄。
3.权利要求2的系统(100)，其中由该控制器监控的该超导励磁线圈(102)的操作特征(I，V，T)是该超导励磁线圈(102)中的电流、该超导励磁线圈(102)的电压或该超导励磁线圈的温度中的至少一个。
4.权利要求1的系统(100)，其中该控制器(114，124)进一步被配置为与该产生器的励磁源(106)通信以在该猝熄的情况下，停止向该超导励磁线圈(102)输入励磁电流。
5.权利要求1的系统(100)，其中：
该电枢线圈(104)被配置为通过第一开关(107)和第二开关(108)使该超导励磁线圈(102)中的电流的消散，其中该第一开关(107)和该第二开关(108)在第一状态将该超导励磁线圈(102)连接到该产生器的励磁源(106)，在第二状态将该超导励磁线圈(102)连接到该电枢线圈(104)的至少一部分；且
该控制器(114，214)被配置为在该猝熄的情况下通过使得该第一开关(107)和该第二开关(108)从第一状态变为第二状态而控制该超导励磁线圈(102)中的电流的消散。
6.权利要求5的系统(100)，其中：
该电枢线圈(104)进一步被配置为通过第三开关(109)使该超导励磁线圈(102)中的电流的消散，其中该第三开关(109)在第一状态将该电枢线圈(104)连接到该产生器的输出(112)，在第二状态断开该电枢线圈(104)与该产生器的输出(112)的连接；而且
该控制器(114，214)进一步被配置为在该猝熄的情况下，通过使该第三开关从第一状态变为第二状态以串联设置该超导励磁线圈(102)与该电枢线圈(104)的至少一部分，来控制该超导励磁线圈(102)中的电流的消散。
7.权利要求1的系统(200)，其中，该电枢线圈(104)被配置为通过该产生器的第二控制器(216)的励磁源(106)使超导励磁线圈(102)中的电流的消散，其中：
该超导励磁线圈(102)连接到该励磁源(106)且被配置为在第一状态将励磁电流输入到该超导励磁线圈(102)，并在第二状态停止或渐减反转到该超导励磁线圈(102)的励磁电流输入；
该第二控制器(216)被配置为修改该电枢线圈(104)的操作特征，以通过该电枢线圈(104)使该超导励磁线圈(102)中的电流感应消散；且
该控制器(214)在该猝熄的情况下，通过使该第二控制器(216)修改该电枢线圈(104)的操作特征，且使该励磁源(106)从第一状态变为第二状态，来控制该超导励磁线圈(102)中电流的消散。
8.权利要求7的系统(20)，其中由第二控制器(216)修改的该电枢线圈(104)的操作特征为该电枢线圈(104)中的电流，其中修改该电流以使该超导励磁线圈(102)中的电流的感应对立。
9.权利要求7的系统(200)，其中该控制器(214)和该第二控制器(216)被集成为单一控制器。
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