CN109884403B - 一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导电力技术领域，是一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，包括多通道高精度数据采集卡和可编程处理器。首先，将多通道高精度数据采集卡采集的超导单元的电流信号与电压信号转换成模拟信号送至可编程处理器，然后通过可编程处理器预先编写的带通滤波模块、补偿基准电压生成模块、自动寻找补偿因子模块、补偿后电压生成模块、相位追踪模块、误差修正模块和交流损耗求解模块实时显示超导单元的传输交流损耗。

Description

一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案

所属技术领域：

本发明属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案。

背景技术：

自超导材料发现以来，由于其在电力技术领域具有潜在的巨大优势一直倍受国际学者的青睐与关注。由于超导体在交变磁场或交变传输电流工作场所下运行会产生损耗，这种损耗被称为超导体的交流损耗。从物理本质上讲，交流损耗可分为磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗。超导体的交流损耗加重了电力设备中冷却系统的负担，一旦超导材料产生的热量不能及时被带走，超导设备将失效甚至烧毁，造成重大损失。直至今日，超导体在电力设备中的交流损耗特性研究仍是国际学者们的重要研究内容。

目前，对超导体交流损耗的实验研究，已发展了多种测量方法，如热测法、电测法和磁测法。这三种方法中，电测法操作简单，测试速度快，是目前测量超导体交流损耗的最常用方法。电测法，也叫传输电流法，通过测量传输电流，以及高温超导单元上与传输电流同相位的电压分量来计算传输交流损耗。此方法的关键技术就是如何区分出超导单元的感性电压和阻性电压。传统的方法是用锁相放大器测量超导单元电压信号(u_s)与传输电流(i)的相位差(Ψ)，然后利用公式P＝u_s·i·cosΨ，即可算出超导单元的传输交流损耗。在工频大电流的情况下，由于参考信号的质量不高，且易受外界干扰，最终采集的电流频率和相位都严重不稳，容易导致锁相放大器“失锁”。此外，锁相放大器属于精密仪器，价格昂贵，在进行超导单元的大电流电测量时，容易造成测量电压超量程并造成仪器损坏。此外，还有利用补偿线圈互感产生补偿电压来抵消超导单元感性电压的技术方案，但该技术方案也存在一定的局限性，针对不同的超导单元需要配置不同的补偿线圈以满足实际测量需求，尤其在大电流工况下，补偿线圈的成本较大，并且初级线圈与主电路的串联对主电路电源负担加重。

针对各种超导单元在任何载流下的交流损耗测试，为了准确测得超导单元阻性电压分量，本发明提出一种利用参考电流生成补偿电压来抵消超导单元感性电压的无感补偿技术方案，从而获得阻性电压分量，最终实现快速安全可靠的交流损耗测量。

发明内容：

针对现有超导单元电测法所采用的锁相放大器比较昂贵、易损坏且难以满足大电流工况的问题以及采用补偿线圈对主电路影响大的特点，本发明提供一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，该方法通过多通道高精度数据采集卡及可编程处理器，实时、快速测量超导单元的传输交流损耗。

为实现上述目的，按照本发明采用的无感补偿技术方案，提供了一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，包括多通道高精度数据采集卡和可编程处理器。

其中，所述的多通道高精度数据采集卡输入端用于接入超导单元电流信号i与电压信号u_s的输出端，所述的多通道高精度数据采集卡输出端接入在可编程的处理器输入端。

工作时，所述的多通道高精度数据采集卡将采集的数字信号转换成模拟信号传送至所述的可编程处理器，然后在所述的可编程处理器中经过带通滤波模块得到主频率的超导单元电流信号i和电压信号u_s；接着将滤波后得到的电流信号i经过补偿基准电压生成模块得到补偿基准电压信号u_c，同时通过自动寻找补偿因子模块得到补偿因子k和补偿电压信号k·u_c，进而在补偿后电压生成模块中将滤波后超导单元电压信号u_s减去得到的补偿电压信号k·u_c，随后将上述作差得到补偿后电压信号u_r与超导单元滤波后电流信号i经过相位追踪模块，结合自动寻找补偿因子模块自动寻找合适的补偿因子k值，直至两个信号相位一致，补偿因子k锁定，再然后将此时的补偿后电压信号u_r与超导单元电流信号i经过误差修正模块，修正由于补偿电压信号k·u_c带来的误差，得到超导单元的同相电压成分u_in-phase，最后经过功率求解模块得到超导单元的传输交流损耗P_Loss。

所述的带通滤波模块采用无限长单位冲激响应滤波器的三阶Butterworth拓扑结构；所述的补偿基准电压生成模块采用微分(或积分求反)拓扑结构；所述的相位追踪模块采用互功率谱拓扑结构；所述的自动寻找补偿因子模块采用二分法拓扑结构；所述的补偿后电压生成模块、误差修正模块和交流损耗求解模块为四则运算拓扑结构。

优选的，上述用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，所述的带通滤波模块分两步滤波：第一步，对原始采集信号采用2N次微分滤掉高频成分，第二步，将滤掉高频的信号经4N次积分滤掉低频成分，最后再经2N次微分得到超导单元电流信号i与电压信号u_s。其中N为正整数。

优选的，上述用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，所述的超导单元电流信号i采用罗氏线圈或无感电阻实现。

优选的，上述用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，所述的误差修正模块采用滤波后电流信号i(参考信号)来修正。

总体而言，通过本发明所构思的以上用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案与现有技术相比，能够取得下列有效增益：

1、本发明提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，基于高精度数字采集技术和可编程处理器技术，利用高保真数学运算工具快速精确地消除超导单元电压信号的感性电压成分，进而获得超导单元同相电压成分u_in-phase；通过外置的无感电阻或罗氏线圈直接获得超导单元电流信号i，进而基于此电流信号进行微分或积分求反运算，即补偿电压生成模块得到补偿基准电压信号u_c，然后通过自动寻找补偿因子模块和补偿后电压生成模块得到补偿后电压信号u_r，然后再结合自动寻找补偿因子模块、相位追踪模块和误差修正模块获得超导单元同相电压成分u_in-phase；由于该无感补偿技术方案利用超导单元参考电流信号i对补偿后电压信号u_r进行修正，从而完美地解决了补偿电压信号k·u_c带来的误差，从而实现了对超导单元电压信号u_s的精确无感补偿；

2、本发明提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，跟利用传统的锁相放大器相比，消除了锁相放大器由于参考信号不稳而造成的“失锁”现象，同时避免了实验中过电压对锁相放大器的损害，实验安全和可靠性大大提高；

3、本发明提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，可以用于各种超导单元的传输交流损耗测量，特别适用于通有大电流(上千安培)的超导电缆交流损耗测量，测试方法新颖，操作方便；

4、本发明提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，由于基于可编程处理器实现了闭环控制，可以快速精准获得超导单元的同相电压成分u_in-phase，实现了对超导单元传输损耗的实时补偿与测量。

附图说明

图1是实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案的原理图；

图2是实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案在进行损耗测量时的各电压和电流向量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案的原理图；实施例提供的这种无感补偿技术方案，包括多通道高精度数据采集卡和可编程处理器。

其中，所述的多通道高精度数据采集卡输入端用于接入超导单元电流信号i与电压信号u_s的输出端，所述的多通道高精度数据采集卡输出端接入在可编程的处理器输入端。

工作时，所述的多通道高精度数据采集卡将采集的数字信号转换成模拟信号传送至所述的可编程处理器，然后在所述的可编程处理器中经过带通滤波模块得到主频率的超导单元电流信号i和电压信号u_s

i＝A·cos(θ) (1)

u_s＝B·cos(θ+ψ)＝B·cos(ψ)·cos(θ)-B·sin(ψ)·sin(θ) (2)

其中，A，B分别为超导单元电流信号i和电压信号u_s的幅值，θ为超导单元电流信号i的实时相位，ψ为超导单元电压信号u_s相较于超导单元电流信号i的超前相位，ψ∈(0，90)之间的任意定值，B·cos(ψ)·cos(θ)为超导单元的同相电压成分。所述的带通滤波模块采用无限长单位冲激响应滤波器的三阶Butterworth拓扑结构；所述的带通滤波模块分两步滤波：第一步，对原始采集信号采用2N次微分滤掉高频成分，第二步，将滤掉高频的信号经4N次积分滤掉低频成分，最后再经2N次微分得到超导单元电流信号i与电压信号u_s。其中N为正整数。

接着将经过带通滤波后得到的超导单元电流信号i经过补偿基准电压生成模块，即对电流信号i进行微分(或积分求反)运算，得到补偿基准电压信号u_c

u_c＝di/dt＝C·cos(θ+Φ)＝C·cos(Φ)·cos(θ)-C·sin(Φ)·sin(θ) (3)

其中，C为补偿基准电压信号u_c的幅值，Φ是补偿基准电压信号u_c相较于超导单元电流信号i的超前相位，近似为90度的定值，仅与模块采样间隔有关。

与此同时，通过自动寻找补偿因子模块赋值补偿因子k，与补偿基准电压信号u_c作乘积运算获得补偿电压信号k·u_c，进而在补偿后电压生成模块中将滤波后超导单元电压信号u_s减去得到的补偿电压信号k·u_c，得到补偿后电压信号u_r

u_r＝u_s-k·u_c＝(B·cos(ψ)-k·C·cos(Φ))·cos(θ)-(B·sin(ψ)-k·C·sin(Φ))·sin(θ) (4)

随后，将上述作差得到补偿后电压信号u_r与超导单元滤波后电流信号i经过相位追踪模块，利用互功率谱拓扑运算得到此两个信号的相位关系，结合自动寻找补偿因子模块，利用二分法自动寻找合适的补偿因子k值，直至两个信号相位一致，补偿因子k锁定。此时，式(4)中

B·sin(ψ)-k·C·sin(Φ)＝0 (5)

则此时补偿后电压信号u_r

u_r＝B·cos(ψ)·cos(θ)-k·C·cos(Φ)·cos(θ) (6)

其中，前半部分为超导单元同相电压组分，后半部分为补偿电压信号引进误差。

再然后，将此时的补偿后电压信号u_r与超导单元电流信号i经过误差修正模块，修正由于补偿电压信号k·u_c带来的误差，得到超导单元的同相电压成分u_in-phase

u_in-phase＝u_r+k₂·i＝B·cos(ψ)·cos(θ) (7)

其中，k₂＝k·C·cos(Φ)/A，是个定值，k₂·i是误差修正信号。

最后经过功率求解模块得到超导单元的瞬时传输交流损耗P_Loss

P_Loss＝u_in-phase·i＝A·B·cos(ψ)·cos²(θ) (8)

其中，P_Loss为超导单元传输交流损耗瞬时功率。

实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，超导单元电流信号i采用罗氏线圈或无感电阻实现。

实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案，误差修正模块采用滤波后电流信号i(参考信号)来修正。

图2是实施例提供的用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案在进行损耗测量时的各电压和电流向量图。其中，OL、ON分别表示超导单元电流信号i和电压信号u_s；OH表示补偿基准电压信号u_c；OF表示补偿电压信号k·u_c，与补偿基准电压信号u_c同相位；FN表示补偿后电压信号u_r，GF表示误差修正信号k₂·i，即补偿电压引进误差，两个信号均与超导单元电流信号i同相位；OM表示超导单元的同相电压成分u_in-phase；∠LON、∠LOH分别表示超导单元电压信号u_s与补偿基准电压信号u_c相较于超导单元电流信号i的超前相位ψ和Φ，其中，ψ和Φ均为恒定值，且Φ近似90度，仅与微分采样间隔相关。

所属领域的普通技术人员容易理解，以上实施例仅用以清楚说明本发明用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿技术方案而已，并不用以限制本发明，凡是未脱离本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，包括多通道高精度数据采集卡和可编程处理器；工作时，所述多通道高精度数据采集卡将采集的数字信号转换成模拟信号传送至所述可编程处理器，然后在所述可编程处理器中经过带通滤波模块得到主频率的超导单元电流信号i和超导单元电压信号u_s，接着将滤波后得到的电流信号i经过补偿基准电压生成模块得到补偿基准电压信号u_c，同时通过自动寻找补偿因子模块得到补偿因子k和补偿电压信号k·u_c，进而在补偿后电压生成模块中将滤波后超导单元电压信号u_s减去所述补偿电压信号k·u_c，得到补偿后电压信号u_r，随后将所述补偿后电压信号u_r与超导单元滤波后电流信号i经过相位追踪模块，结合自动寻找补偿因子模块自动寻找合适的补偿因子k值，直至两个信号相位一致，所述补偿因子k锁定，再然后将此时的所述补偿后电压信号u_r与所述超导单元电流信号i经过误差修正模块，修正由于所述补偿电压信号k·u_c带来的误差，得到超导单元的同相电压成分u_in-phase，最后经过交流损耗求解模块得到超导单元的传输交流损耗P_Loss。

2.如权利要求1所述的一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，所述多通道高精度数据采集卡输入端用于接入超导单元电流信号i与电压信号u_s的输出端，所述多通道高精度数据采集卡输出端接入在可编程的处理器输入端。

3.如权利要求1所述的一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，所述带通滤波模块采用无限长单位冲激响应滤波器的三阶Butterworth拓扑结构；所述补偿基准电压生成模块采用微分拓扑结构；所述相位追踪模块采用互功率谱拓扑结构；所述自动寻找补偿因子模块采用二分法拓扑结构；所述补偿后电压生成模块、所述误差修正模块和所述交流损耗求解模块为四则运算拓扑结构。

4.如权利要求1所述的一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，所述带通滤波模块分两步滤波：第一步，对原始采集信号采用2N次微分滤掉高频成分，第二步，将滤掉高频的信号经4N次积分滤掉低频成分，最后再经2N次微分得到超导单元电流信号i与电压信号u_s，其中N为正整数。

5.如权利要求1或2所述的一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，所述超导单元电流信号i采用罗氏线圈或无感电阻实现。

6.如权利要求1或2所述的一种用于超导单元传输交流损耗测量的无感补偿方法，其特征在于，所述误差修正模块采用滤波后电流信号i来修正。

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