控制超导旋转电机的控制系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及控制包括至少一个超导绕组的超导旋转电机的控制系统和方法。
【背景技术】
[0002] 超导旋转电机成为许多不同技术领域和工业中的进一步发展的越来越重要的部 分。可W从超导旋转电机可W提供的功率密度和增加的效率的改进而大大地受益的领域的 实例为例如船舶推进器、风力祸轮机、大型祸轮发电机、电动飞机和汽车等领域，或可W使 用带有高功率密度或高效率的电机的一般任意种类的领域。
[0003] 作为实例，大尺寸风力祸轮机的盛行使得能量成本降低，并且有动机继续该盛行。
[0004] 但是，常规机器不能随时传递对于风祸轮尺寸的连续地扩大尺寸而必要的功率密 度。超导旋转电机可W典型地具有高达常规机器（例如，基于永磁铁、感应、开关磁阻和其 它类型的机器）的两倍的功率密度，该使得该种超导旋转电机对于具有在例如10兆瓦特 (MW) W上的额定功率的未来风力祸轮而言是非常好的。
[0005] 超导旋转电机典型地包括冷却至特定超导旋转电机的操作温度的至少一个超 导线圈。超导线圈的负载取决于操作温度、磁场的强度，并且在所谓的高温超导体（化曲 temperature supercon化ctor，HT巧的情况下，还取决于磁场关于超导体线圈的方向。
[0006] 所有类型的旋转电机（包括超导体旋转电机）的操作基础是两个或多个磁场的相 互作用，一般一个磁场由一个或多个固定绕组（例如，在同步电机背景中典型地称为电枢 绕组的多相绕组）引起，并且另一个磁场由一个或多个旋转绕组（在同步电机背景中典型 地称为磁场绕组）引起。
[0007] 超导材料（例如，M浊2, BiSCCO, YBC0, NbTi，NbSrg具有或大或小的程度上取决于 在超导线圈处的磁场的密度和方向的传输电流特征。因此，当至少一个绕组为超导时，来自 其它绕组的磁场的存在会通过改变磁场条件而影响超导绕组。
[000引在超导线圈处的另外的磁场的存在会减少电流容量并且可W引起温度的增加，该 些如果没有被正确地处理的话会非常严重。在最坏的情况下，温度增长会潜在地引起热失 控。
[0009] 因为包括超导旋转电机的旋转电机器基本上是W至少两个磁场之间的相互作用 为基础的，所W当将超导技术应用在电机例如像发电机或电动机中时，设计者必须识别期 待超导旋转电机被暴露于的最大磁场并且相应地设置超导绕组的操作条件。
[0010] 因此，为了避免例如由温度增加太多而造成的该超导旋转电机的潜在灾难性的故 障（例如超导体绕组的热失控，其通常称为失超），操作条件典型地保持在被设计为容纳超 导旋转电机的满负载或甚至错误负载的情况或状态的安全或甚至非常安全侧。因此，最大 操作温度、来自超导和非超导绕组的磁场和超导绕组的电流会限定在所有情况下超导绕组 可W承担的最大电流容量。但是，W该种方式选择的超导绕组的电流会导致带有不变或更 低场（激励）的超导旋转电机，该继而引起在部分负载上的更低效率。
[0011] 因此，有对于在超导旋转电机中的部分负载上改进效率的简单和有效方法的需 要，并且有w安全的方式该么做的需要。
[0012] 专利说明书US8, 076, 894公开一种超导旋转电机驱动系统，其中，执行控制操作， 使得应用至同步旋转电机的超导场绕组的场电流满足根据在同步旋转电机和功率单元之 间交换的电功率的变化的场电流方程。
【发明内容】
[0013] 目的是提供一种在部分负载上允许或具有改进的效率的用于超导旋转电机的控 制系统和用于控制或操作超导旋转电机的方法。
[0014] 另外，目的是使得一个或多个超导绕组的最大利用成为可能。
[0015] 还有一个目的是使得超导旋转电机的性能的更好的灵活性且更准确的控制成为 可能。
[0016] 还有一个目的是W安全的方式提供该个。
[0017] 根据一个方案，通过包括至少一个超导绕组的超导旋转电机的控制系统来实现一 个或多个该些目标到至少一定程度，其中，控制系统被适配为：控制在使用期间将功率提 供给至少一个超导绕组或者在使用期间从至少一个超导绕组接收功率的电源或功率单元 (前面仅指示为功率单元），其中，控制系统还被适配为；针对至少一个超导绕组动态地接 收给定超导绕组的一个或多个参数的一个或多个实际值的一个或多个表示，每个参数表示 给定超导绕组的物理条件；并且还被适配为：动态地得出要由功率单元在给定超导绕组中 保持的一个或多个电流值，其中，通过考虑所接收的一个或多个实际值而得出一个或多个 电流值。
[0018] 然后，功率单元可W将得出的一个或多个电流值应用在给定超导绕组中。
[0019] 该样，因为使得通过考虑超导绕组的实际或当前状态而控制成为可能，所W获得 超导旋转电机的性能的更好的灵活性和更准确的控制。
[0020] 在一个实施方式中，超导旋转电机为同步机器。
[0021] 在一个实施方式中，控制系统被适配为得出一个或多个电流值，该一个或多个电 流值作为在超导旋转电机或至少一个超导绕组的预定安全裕度内的最大值，同时仍然确保 超导旋转电机或至少一个超导绕组是超导的。
[0022] 该样，控制系统会控制应用到超导绕组的电流尽可能是最大值，同时在一定安全 裕度内仍然是超导的。与考虑最差情况条件的提供电流的静态界限或限制（即，满负载和 最大预测操作温度与磁场）相比，该在部分负载上即远离最差情况条件并且还在更有利的 操作磁场处提供好得多的效率。
[0023] 在一个实施方式中，一个或多个参数的一个或多个实际值的一个或多个表示包 括：
[0024] 给定超导绕组的操作温度的当前值，
[0025] 给定超导绕组的电流的至少一个当前值，和
[0026] 给定超导绕组的磁场的至少一个当前值。
[0027] 在一种实施方式中，给定超导绕组的磁场的当前值根据W下中的任一种来获得或 估计：
[002引使用直接或间接测量或估计至少一个超导绕组的磁场的一个或多个磁传感器，
[0029] 将派克变换（Park transformation)应用到提供两个值的一个或多个接收电流 和电压上，其中，一个值（Id)与超导旋转电机的电枢通量成正比，电枢通量与给定超导绕组 (102 ;103)生成的通量同方向，并且另一个值与超导旋转电机的力矩成正比，W及使用超 导旋转电机的电磁模型从两个提供的值估计磁场，或者
[0030] 获得给定超导绕组的电压并且使用获得的电压和操作温度的当前值W及给定超 导绕组的临界电流估计磁场。
[0031] 在一个实施方式中，至少一个超导绕组包括超导旋转绕组和/或超导固定绕组。
[0032] 在一个实施方式中，超导绕组是超导场绕组和/或超导固定绕组为超导电枢绕 组。
[0033] 在一个实施方式中，至少一个超导绕组包括超导场绕组（如果利用DC电流供电）， 并且至少一个超导绕组可W为固定点或旋转的。
[0034] 在一个实施方式中，至少一个超导绕组包括超导电枢绕组（如果利用AC电流和电 压来操作），并且至少一个超导绕组可W为旋转的或固定的。通常，如