光控型高温超导逆变器的制作方法

本发明涉及一种高温超导逆变器。

背景技术：

电力电子变流器在特高压直流输电、电机调速、供电电源、日常照明、电动汽车等方面获得了广泛的应用，大功率、高频化、高集成和低功耗是电力电子变流器的重要发展趋势。

传统的半导体变流器，采用晶闸管(bjt)、mosfet、igbt等半导体器件作为电力电子开关器件，由于半导体开关器件存在导通电阻，流过电流时，不可避免地会产生焦耳热。随着大功率电力电子装置容量的不断提升，半导体器件将产生大量的焦耳热，严重影响元件和系统的性能，降低了变流器的运行效率，限制变流器的能量转换密度。

在某些环境温度较高、散热条件恶劣的场合，比如风力发电、地下矿物勘探、核反应堆等环境，电力电子器件的散热条件开始恶化，会造成系统的整体效率降低，性能变差，甚至会损坏电力电子器件，对整个系统的工作性能造成严重影响。为了实现良好的散热，很多大功率电力电子装置需要配套复杂庞大的散热装置，散热装置体积较大，占据了较多的空间，这也就限制了大功率电力电子装置的小型化。

超导材料有着优异的电力特性，基于超导材料制作的超导开关具有零电阻导通和高载流能力的特点，可以在某些低电压、大电流的电路中代替常规电力电子开关器件。利用超导开关制成的超导逆变器能够有效地避免导通时焦耳热的产生，提高逆变器的效率和能量转换密度。

目前，人们对高温超导材料在电力系统、电力电子和电力传动等领域已经开展了广泛的应用研究，超导输电线、超导限流器、超导储能系统(smes)、超导变压器、超导电机等领域已经取得了突破性进展，但是高温超导材料在变流器中的应用研究相对较少。davida.barton等人于1998年设计并搭建了dc/ac变换器，将高温超导开关单元模块应用于dc/ac的转换实验当中，成功实现了逆变功能。kozoosamura等人于2011年采用全桥电路拓扑设计了一台高温超导逆变器实验样机，成功将直流电流逆变，获得频率为0.2hz～100hz的交流电，同时，他们的实验证明该样机可以获得频率高达2000hz的交流电。国内，中国科学院电工研究所对高温超导逆变器进行了一系列的研究，2014年，严金俊、张国民等人研究了磁控式高温超导开关的特性，为进一步研究高温超导逆变电路奠定了基础。

超导开关按触发方式分类可以分为热控式超导开关、磁控式超导开关、流控式超导开关和光控式超导开关。根据超导bcs理论，在低温下，电子与晶格的相互作用使晶格受到扰动而发射声子，该声子与另一个电子相互作用，使得两个电子之间产生引力，当引力大于两个电子之间的库仑力时，两个电子就会结合成库珀对(cooperpair)。这种电子-声子-电子的相互作用，使得超导体在费米能级附近出现一个能隙，系统能量降低，从而形成超导态。当足够的外来能量作用在超导体上时，库珀对被破坏，超导体将从超导态转变为正常态。基于这一原理，如果将超导薄膜置于超导临界温度以下的环境中，使其处于超导态，当激光入射到该超导薄膜被吸收产生热量后，库珀对将会被破坏，该超导薄膜会从超导态转变为正常态，从而引起电阻率的跃变。没有激光入射时，超导薄膜又将重新形成库珀对，从正常态转变为超导态。光控型超导开关具有开关频率高，抗干扰性好，可靠性高等特点。在一些电磁环境较复杂的应用场合，如电信基站、超导磁共振、无线电能传输等场合，磁控式高温超导逆变器容易受到外部磁场的干扰，导致误触发，而采用光控型超导开关可以有效防止误触发，具有潜在的应用前景。。

将光控型超导开关应用在逆变电路中，取代半导体电力器件，可以消除开关器件焦耳热的产生，减少能量损耗，提高逆变器的工作效率和能源利用率，符合节能降耗的理念。同时，由于散热装置的减少，高温超导逆变器的体积将会比常规逆变器小很多。另外，采用激光进行触发，有效地避免了磁控式超导逆变器受环境背景磁场影响导致的误触发，缩短逆变开关的开关时间，提高逆变频率。

2011年日本的kozoosamura等人在论文中提出了一种高温超导逆变器样机，采用了单相全桥逆变电路，磁场控制触发高温超导开关。2014年国内的严金俊、张国民等人申请了高温超导逆变器的专利cn201410033464.2，同样采用磁场控制触发高温超导开关，逆变电路为三相全桥逆变电路。这些专利和文献均采用了磁控式超导开关，开关结构相对简单，但是存在开关速度慢，逆变频率低，容易受到环境背景磁场的干扰等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是克服常规逆变器损耗大、载流能力弱等缺点，提出一种光控型高温超导逆变器。本发明具有损耗低，载流能力强，抗电磁干扰能力强，逆变频率高等优点，可以解决大功率逆变装置器件运行时的发热问题，减小装置的体积，延长装置的使用寿命，提高装置在极端恶劣条件下的运行效率。可以广泛应用于无线电能传输、直流输电、地下矿物勘探、太阳能、风能等新能源发电并网中，有效地降低损耗，提高发电效率。

本发明包括输入部分、逆变部分和输出部分。逆变部分连接于输入部分和输出部分之间，电能以直流电的形式由输入部分传输至逆变部分，逆变部分通过开关有规律地开通和关断动作，将直流电转变为交流电，最后，将交流形式的电能传输至输出部分。

所述的输入部分包括直流电源、电阻和电感，直流电源、电阻和电感依次串联。所述的电感容量需要足够大，以保证输出电流连续平直。

所述的逆变部分是光控型高温超导逆变器的核心部分，本发明采用三相电流型逆变电路作为超导逆变器的逆变部分。该逆变部分采用六个光控超导开关代替常规三相电流型逆变电路中的电力电子开关器件，第一光控超导开关与第四光控超导开关串联，第三光控超导开关与第六光控超导开关串联，第五光控超导开关与第二光控超导开关串联，三组串联的光控超导开关并联。输入部分电感的另一端与并联的三组串联光控超导开关的一端连接，输入部分直流电源的另一端与并联的三组串联光控超导开关的另一端连接。

所述输出部分输出u、v、w三相交流电。输出部分的一端从三组串联的光控超导开关中间节点引出，第一光控超导开关和第四光控超导开关之间连接输出部分的u相，第三光控超导开关和第六光控超导开关之间连接输出部分的v相，第五光控超导开关和第二光控超导开关之间连接输出部分的w相。输出部分的另一端根据应用场合，连接三相负载或者三相电网。

所述的光控超导开关包括高温超导薄膜、石英窗口、引出线、光导纤维和激光器。激光器可以发射强度足够、波长合适的激光脉冲，通过光纤和石英窗口照射到高温超导薄膜表面，使得高温超导薄膜失去超导电性，即失超，变为正常态。激光器与触发控制电路连接，超导材料通过引出线接入逆变电路。通过控制激光器的发光状态，达到控制超导材料在超导态和正常态之间转换的目的。

所述的高温超导薄膜工作在液氮或制冷机制冷的低温环境中。

本发明采用光控超导开关替代常规逆变器的电力电子开关器件，将超导体的零电阻特性应用到逆变电路中，能够降低焦耳热的产生，减小装置的体积，有效提高逆变器的工作效率和输出电流。

本发明采用激光进行触发控制，而不是磁场控制或者热控制，能够有效地避免受环境影响导致的误触发，提高装置运行的可靠性，进一步提高逆变频率。

附图说明

图1是本发明的三相电流型超导逆变电路结构示意图。

图2是光控超导开关结构示意图。

图3是光控超导开关光触发信号变换状况示意图。

图4是三相电流型超导逆变电路三相交流输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明包括输入部分、逆变部分和输出部分。逆变部分连接于输入部分和输出部分之间，电能以直流电的形式由输入部分传输至逆变部分，逆变部分通过开关有规律地开通和关断动作，将直流电转变为交流电，最后，将交流形式的电能传输至输出部分。

所述的输入部分包括直流电源7、电阻8和电感9。直流电源7、电阻8和电感9依次串联。

所述的逆变部分采用三相电流型逆变电路，并且采用六个光控超导开关1、2、3、4、5、6代替常规三相电流型逆变电路的电力电子开关器件。

所述的输出部分输出u、v、w三相交流电。

图1所示是本发明光控型高温超导逆变器所采用的三相电流型超导逆变电路结构。如图1所示，逆变部分的六个光控超导开关1、2、3、4、5、6的超导材料工作在液氮或制冷机制冷的低温环境中。输入部分的电阻8的一端与直流电源7连接，电阻8的另一端与电感9的一端连接，电感9的一端连接逆变部分的光控超导开关。

逆变部分中，第一光控超导开关1与第四光控超导开关4串联，第三光控超导开关3与第六光控超导开关6串联，第五光控超导开关5与第二光控超导开关2串联，三组串联的光控超导开关并联。输入部分的电感9的另一端与并联的光控超导开关的一端连接，直流电源7的另一端与并联的光控超导开关的另一端连接。

所述输出部分的一端从三组串联的光控超导开关中间节点引出，第一光控超导开关1和第四光控超导开关4之间连接输出部分的u相，第三光控超导开关3和第六光控超导开关6之间连接输出部分的v相，第五光控超导开关5和第二光控超导开关2之间连接输出部分的w相，输出部分的另一端根据应用场合，可以连接三相负载或者三相电网。

图2所示是光控超导开关的结构示意图。如图2所示，光控超导开关包括高温超导薄膜a，石英窗口b，引出线c，光导纤维d，低温容器e，激光器f，液氮g和触发控制电路h。高温超导薄膜a固定在石英窗口b的底部，高温超导薄膜a和石英窗口b放置在低温容器e内。低温容器e内充满液氮g。高温超导薄膜a两端引出导线c。激光器f产生的激光通过与其连接的光导纤维d射入低温容器e的石英窗口b内，照射到高温超导薄膜a的中央，激光器f连接触发控制电路h，触发控制电路h控制、调节激光器f发射的激光强度，控制光控超导开关的工作状态。

与常规的三相电流型逆变电路工作原理类似，本发明三相电流型超导逆变电路工作时，六个光控超导开关必须成对处于超导状态，保证电路构成通路。在电流连续的时候，每个光控超导开关导通角为2π/3，每隔π/3换相一次，六个光控超导开关按照第一光控超导开关1、第二光控超导开关2、第三光控超导开关3、第四光控超导开关4、第五光控超导开关5、第六光控超导开关6的顺序依次处于超导状态。

如图3所示，在0～π/3期间，第一光控超导开关1和第六光控超导开关6的外加激光强度为零，第一光控超导开关1和第六光控超导开关6处于超导状态，电路中电流从第一光控超导开关1和第六光控超导开关6流过，输出部分输出的两相电流u和v之间的线电压等于直流电压ud；在π/3～2π/3期间，第一光控超导开关1和第二光控超导开关2的外加激光强度为零，第一光控超导开关1和第二光控超导开关2处于超导状态，第六光控超导开关6恢复到正常态，电路中电流从第一光控超导开关1和第二光控超导开关2流过，输出部分输出的电流u和w两相之间的线电压等于直流电压ud；在2π/3～π期间，第二光控超导开关2和第三光控超导开关3的外加激光强度为零，第二光控超导开关2和第三光控超导开关3处于超导状态，第一光控超导开关1恢复到正常态，电路中电流从第二光控超导开关2和第三光控超导开关3流过，输出部分输出的电流v和w之间的线电压等于直流电压ud。如此依次循环，实现逆变功能。在整个周期内，三相输出电流波形如图4所示，u、v、w三相电流波形依次相差120度。

在整个超导逆变电路工作过程中，电流只需要流经处于超导状态的光控超导开关，几乎不会产生焦耳热，可以很好地提高电路的工作效率和工作频率，降低损耗。