一种基于约瑟夫森结阵的光伏并网量子逆变器建模方法

1.本发明属于逆变器领域，具体涉及一种基于约瑟夫森结阵的光伏并网量子逆变器建模方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的进步，功率半导体器件已得到广泛应用，包括应用于新能源电力、机械电子、交通、通信、航空航天等高技术产业。在新能源电力领域，光伏等新能源发电接入电网一般采用电力电子逆变器等装置，其功率半导体器件主要为绝缘栅双极型晶体管(igbt)、集成门极换流晶闸管(igct)等。然而，上述电力电子逆变器属于高可控、低惯量装置，主要采用pwm调制策略，在逆变器交流侧形成交流电压，其高可控特性给新能源并网带来灵活可控的同时，但其可变特性也带来新能源接入安全稳定方面的挑战。
3.本发明提出基于约瑟夫森结阵的光伏并网量子逆变器设计方法，相比于传统基于pwm调制策略的逆变器交直流变换原理，量子逆变器在交直流变换方面具有本质的区别。


技术实现要素：

4.本发明的目的是通过新型可编程约瑟夫森结阵，合成稳定的交流量子基准电压，需要建立约瑟夫森结高频交流效应模型、约瑟夫森结夏皮罗台阶效应模型、偏置电流驱动的非线性振荡模型，并设计光伏组件输出直流偏置电流、提出基于可编程逻辑门阵列的偏置电流控制与集成电路设计，并采用波形合成法生成约瑟夫森交流电压标准，向交流电路和电网系统注入同步稳定功率，进而实现交直流量子电压基准逆变器，其具体设计示意图如图1所示。
5.针对上述发明目的，本发明提出以下技术方案：
6.一种基于约瑟夫森结阵的光伏并网量子逆变器建模方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤1：建立约瑟夫森结高频交流效应模型；
8.具体如下：
9.建立约瑟夫森结高频交流效应模型，即采用简单“超导-常规金属-超导”(superconductor-normal metal-superconductor，sns)约瑟夫森结模型描述约瑟夫森高频交流效应，并将该模型作为设计约瑟夫森结振荡电路的基础。
10.在高温超导环境下，由电子组成的库珀对表现得非常稳定，即在sns型约瑟夫森结两侧，库珀对分别具有稳定的同步一致性。该同步一致性可分别采用量子力学波函数与描述，其中a1和a2分别为约瑟夫森结两侧超导体序参数的幅值，而δ1和δ2是两侧超导体序参数的相位，则两者相位差为δ＝δ
1-δ2。若在约瑟夫森结两侧加恒定电压即v≠0，约瑟夫森隧穿超导交变电流密度即可表达为：
11.12.式中，j是通过约瑟夫森结势垒的电流密度，k为耦合系数，用于表征sns型约瑟夫森结两侧超导体弱联接的耦合程度，ρ为库珀电子对密度，h为普朗克常数，e为电子电荷。考虑v为约瑟夫森结两端的直流电势差，则约瑟夫森结交流效应表现为经过sns型约瑟夫森结的电流为交变电流，角频率ω＝2πf，即频率相应地，约瑟夫森结两端相位差
13.步骤2：根据步骤1所述的约瑟夫森结高频交流效应模型，用一定频率的微波辐照约瑟夫森结，建立直流偏置电流驱动的新型约瑟夫森结夏皮罗台阶效应模型；
14.具体如下：
15.约瑟夫森结可通过电阻－电容旁路结(rcsj,resistive and capacitive shunted junction)的模型来模拟，即等效为一个理想的约瑟夫森器件和一个电容与一个电阻并联。
16.交流约瑟夫森结电流与外加微波信号之间存在相互作用，即采用频率为f0的微波频率辐照约瑟夫森结，当结的约瑟夫森频率f等于f0的n次倍频时，外加微波和结辐射的电磁波发生共振，因此在约瑟夫森结的i-v特性曲线上可观测到夏皮罗台阶效应。
17.根据步骤1约瑟夫森结高频交流效应模型，用一定频率的微波辐照约瑟夫森结，当结偏置电流为-is，0或is时，结两侧将输出n＝-1，n＝0或n＝1级夏皮罗台阶电压。考虑偏置电流与微波辐照影响激励下，可构建的约瑟夫森结电路模型描述如下：
18.施加了直流偏置并辐照了电磁波的约瑟夫森结等效电路可用如下方程表示：
[0019][0020]
将或代入式(2)中，可得：
[0021][0022]
进一步，令τ＝ωct，则可得到无量纲的方程如下：
[0023][0024]
上式中，为mccumber参数。
[0025]
步骤3：建立光伏组件直流输出下的直流偏置电流模型；
[0026]
具体如下：
[0027]
采用shorkley-read公式，构建光伏组件的单指数模型，用于表达光伏组件输出电流与组件电压、光生电流、温度之间的关系，如下：
[0028][0029]
式中，a表示二极管品质因子，nc为组件中光伏电池数量，k为波尔茨曼常数即k＝1.38
×
10-23
j/k，此处j为单位焦耳，k为单位热力学温度，q为电子电荷，t为热力学温度(k)，i为光伏组件输出电流，v为光伏组件输出电压，i
ph
为光伏组件内部电流源，r
sh
为光伏组件内部电流源并联电阻，rs为光伏组件内部电阻，i0为二极管短路电流。
[0030]
采用一阶泰勒展开公式，整理式(5)可近似得：
[0031]
i＝(1 ghrs)-1
(i
ph-ghv)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]
式中，式(5)为非线性公式，可通过光伏组件制造商提供的测试数据，使用数值分析或曲线拟合估算光伏组件输出电流。如：采用某个商用晶硅电池，假设输出电压大约为0.5v，则5个光伏电池串联可输出最高电压为2.5v，当考虑组件短路，可测得最大短路电流为3.7a。
[0033]
步骤4：构建偏置电流fpga可编程高速驱动下的新型约瑟夫森结阵列；
[0034]
具体如下：
[0035]
基于步骤2得到的新型约瑟夫森结夏皮罗台阶效应模型与步骤3得到的直流偏置电流模型，在一定频率的微波辐照下，当约瑟夫森结偏置电流为-is，0或is时，约瑟夫森结两侧将输出n＝-1，n＝0或n＝1级夏皮罗电压台阶。合成量子电压，并在合成量子电压时结成新型约瑟夫森结阵列，进一步通过可编程逻辑门阵列fpga，快速精确控制所述新型约瑟夫森结阵列中所有结的偏置电流，使约瑟夫森结阵列输出电压随时间快速变化，进而在大小和方向上对量子电压台阶精确控制。
[0036]
本发明采用在单个超导薄膜上任意位置制备平面的约瑟夫森结，可制造大规模约瑟夫森结集成电路，与其他类型的高温超导结相比，具有可扩展性。
[0037]
步骤5：实施所述新型约瑟夫森结阵列下的光伏量子逆变器正弦交流电压合成；
[0038]
具体如下：
[0039]
利用波形合成法来实现约瑟夫森交流电压标准，所使用的超导结为二进制约瑟夫森结阵，即各段结阵的单结数量按二进制的排列为1(20)，1(20)，2(21)，4(22)，8(23)，
…
，2
n-1
(2
n-1
)，则阵列中共有2n个单结。
[0040]
对串联了2n个结的一串约瑟夫森结，当夏皮罗台阶的阶数n＝
±
1时，其台阶电压可表达为：
[0041][0042]
考虑70.08ghz微波辐照，针对串联了8192个约瑟夫森结的可编程约瑟夫森结阵列，当偏置电流id取-4～-2ma和2～4ma范围时，约瑟夫森结阵列两端输出交流台阶电压，其最大峰值为：
[0043][0044]
进一步的，所述方法还包括步骤6：设计适用于光伏量子逆变器研制及其约瑟夫森
结阵列的超低温制冷系统；
[0045]
适用于光伏量子逆变器研制的超低温制冷系统设计，主要包括设计三个子系统：低温冷源制冷机系统、低温恒温容器系统和精密测量系统，具体设计如下：
[0046]
步骤6.1：低温冷源制冷机系统包括一台液氦及一台液氮压缩制冷机，液氦压缩机采用的型号为kdc6000v氦压缩机，其作用是将由于外部热能及逆变器产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦，而液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导逆变器外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却，保持－196℃即77k低温液氮状态。液氦及液氮压缩制冷机的目标是达到连续工作1年即8760小时以上无故障，这使得量子逆变器运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。
[0047]
步骤6.2：为保证稳定运行的低温超导环境，低温恒温容器系统需设计为真空绝热环境，以降低外界对量子逆变器约瑟夫森结阵列的传热，并减少温度振荡。另外，制冷机冷头设计为在50k温度下以提供35w制冷量。当约瑟夫森结阵列需放在样品冷台上时，制冷机冷头与样品冷台间采用热阻材料，这样有利于冷头与结阵列间的冷传递。
[0048]
步骤6.3：精密测量控制系统主要包括样品台和制冷机冷头处温度的测量与控制装置、量子逆变器微波与偏置电流的传输测量装置以及电脑上位机与各个仪器间的通信传输系统。其中，温控具有两路独立的pi(proportional integer)控制回路，通道a连接在制冷机冷头处，通道b连接在样品台处，两个通道的温度计可测量样品台和冷头的温度，当温度低于设定温度时，加热棒便开始给冷头加热，反之亦然。传输测量环节是将恒温容器内部微波线缆与外部的微波源连接，用于向约瑟夫森结阵列传输具有特殊频率和功率的微波；同时将恒温器内部的电流引线与外部的恒流源电流源连接，用于传输驱动约瑟夫森结阵所需要的偏置电流。
[0049]
本发明具有以下有益效果：
[0050]
相比于传统基于pwm调制策略的逆变器交直流变换原理，量子逆变器在交直流变换方面具有本质的区别，本发明量子逆变器具有无穷大惯性、制备体积小，其外部电流扰动具有高抗干扰性，是稳定电压源，可坚强支撑交流电路和电网稳定运行。
附图说明
[0051]
图1基于约瑟夫森结阵列的光伏量子逆变器设计示意图；
[0052]
图2直流偏置和辐照电磁波下的约瑟夫森结等效电路图；
[0053]
图3 fpga控制偏置电路示意图；
[0054]
图4可编程约瑟夫森结基准电压生成原理示意图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图与具体实施方式进一步说明本发明。
[0056]
步骤1：建立约瑟夫森结高频交流效应模型，即采用简单结构“超导-常规金属-超导”(superconductor-normal metal-superconductor，sns)型约瑟夫森结模型描述约瑟夫森结高频交流效应，并将该模型作为设计约瑟夫森结振荡电路的基础。
[0057]
超导体中的电子结成对，称之为库伯对(cooper pairs)，库伯对的电子会凝聚成为一种宏观的量子态，可以采用量子力学波函数与描述，其中a1和a2分别为约瑟
夫森结两侧超导体序参数的幅值，而δ1和δ2是超导体两侧序参数的相位，则两者相位差为δ＝δ
1-δ2。当约瑟夫森结没有电流通过时，同一块超导体的库伯对表现出的宏观相位相同。当有电流通过约瑟夫森结时，由于绝缘层很薄，所以库伯对可以在两块超导体之间进行隧穿，并形成隧穿电流，该隧穿电流可以表示为：
[0058]
i＝icsin(δδ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0059]
其中，ic为约瑟夫森结的临界电流，δδ为约瑟夫森结两端超导体的相位差。以上就是约瑟夫森结的直流效应，即当结两端电压为零时，存在一个超导电流，这个超导电流存在一个临界值ic。
[0060]
在高温超导环境下，库珀对表现的非常稳定，即在sns型约瑟夫森结两侧，库珀对分别具有稳定的同步一致性。该同步一致性即分别采用量子力学波函数与描述。若在约瑟夫森结两侧加恒定电压即v≠0，约瑟夫森隧穿超导交变电流密度即可表达为：
[0061][0062]
式中，j是通过约瑟夫森结势垒的电流密度，k为耦合系数，用于表征sis型两侧超导体弱联接的耦合程度，ρ为库珀电子对密度，h为普朗克常数，e为电子电荷。考虑v为约瑟夫森结两端的直流电势差，则约瑟夫森结交流效应表现为经过sis结的电流为交变电流，角频率ω＝2πf，即频率相应地，约瑟夫森结两端相位差
[0063]
对不同的隧穿通道，可采用ambegaokar-baratoff方程
[0064][0065]
式中，e为电子电荷，kb为玻尔兹曼常数，δi(t)表示第i个能隙的序参量，ci为能隙i的比例系数，c1取决与t与ic/i
c0
实验曲线的曲率，ic为临界电流，rn正常态电阻。
[0066]
步骤2：建立直流偏置电流驱动的新型约瑟夫森结夏皮罗台阶效应模型
[0067]
约瑟夫森结可通过电阻－电容旁路结(rcsj,resistive and capacitive shunted junction)的模型来模拟，即等效为一个理想的约瑟夫森器件和一个电容与一个电阻并联，如附图2所示。
[0068]
交流约瑟夫森结电流与外加微波信号之间存在相互作用，即采用频率为f0的微波频率辐照约瑟夫森结，当结的约瑟夫森频率f等于f0的n次倍频时，外加微波和结辐射的电磁波发生共振，因此在约瑟夫森结的i-v特性曲线上可观测到夏皮罗台阶效应。
[0069]
根据步骤1约瑟夫森效应模型，用一定频率的微波辐照约瑟夫森结，当结直流偏置电流为-is，0或is时，结两侧将输出n＝-1，n＝0或n＝1级夏皮罗台阶电压。考虑偏置电流与微波辐照影响激励下，可构建的约瑟夫森结电路模型，描述如下。
[0070]
施加了直流偏置并辐照了电磁波的约瑟夫森结等效电路如附图2所示，可用如下方程表示：
[0071]
[0072]
式中，id为直流偏置电流，ia是外加微波幅值，ωa是外加微波频率。该等效方法可以将具有约瑟夫森结的电路转化为经典电路进行分析。因为约瑟夫森结的等效电路既有电感又有电容，所以它是一个储能元件，约瑟夫森结存储的能量对于超导量子计算是非常重要的参数，它的储能可以表示为：
[0073]
e＝∫
t
v(t
′
)i(t
′
)dt
′
＝-ejcosδδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0074]
其中，ej＝icδ0/2π称为约瑟夫森能量，它常用作为衡量约瑟夫森器件的重要参数之一，另一个重要的参数是充电能量ec＝e2/2c。对一个约瑟夫森结来说，当结面积较大时，结电容较大，而充电能量ec较小，但约瑟夫森能ej较大；反之，当结面积较小时，结电容较小，充电能ec较大，而约瑟夫森能ej较小。
[0075]
将或代入式(2)中，可得：
[0076][0077]
进一步，令τ＝ωct，则可得到无量纲的方程如下：
[0078][0079]
上式中，为mccumber参数。
[0080]
步骤3：建立光伏组件直流输出下的直流偏置电流模型
[0081]
采用shorkley-read公式，构建光伏组件的单指数模型，用于表达光伏组件输出电流与组件电压、光生电流、温度之间的关系，如下：
[0082][0083]
式中，a表示二极管品质因子，nc为组件中光伏电池数量，k为波尔茨曼常数即k＝1.38
×
10-23
j/k，j为单位焦耳，k为单位热力学温度，q为电子电荷，t为热力学温度(k)，i为光伏组件输出电流，v为光伏组件输出电压，，r
sh
为光伏组件内部电流源并联电阻，rs为光伏组件内部电阻，i0为二极管短路电流。光生电流i
ph
可以表示为：
[0084]iph
＝[i
sc
(1 rs/r
sh
) ki(t-tn)](s/sn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0085]
二极管短路电流i0可以表示为：
[0086]
i0＝i
or
(t/tn)3exp[(qe
go
/bk)(1/t
n-1/t)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0087]
通过对v-i特性曲线特殊点的分析，提取参数，串联电阻rs可以写为：
[0088][0089]
式(12)、(13)、(14)中，i
or
为二极管反向电流，q为电子电量，k为玻尔兹曼常数，j/k为参考温度，sn为参考光照强度，a表示二极管品质因子，e
go
为能带隙能量，b为曲线拟合系
数。
[0090]
采用一阶泰勒展开公式，整理式(5)可近似得：
[0091]
i＝(1 ghrs)-1
(i
ph-ghv)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0092]
式中，式(5)为非线性公式，可通过光伏组件制造商提供的测试数据，采用数值分析或曲线拟合估算光伏组件输出电流。如：采用某个商用晶硅电池，假设输出电压大约为0.5v，则如附图1所示5个光伏电池串联可输出最高电压为2.5v；当考虑组件短路，可测得最大短路电流为3.7a。
[0093]
步骤4：构建偏置电流fpga可编程高速驱动下的新型约瑟夫森结阵列
[0094]
基于步骤2夏皮罗台阶电压模型与步骤3光伏组件输出直流偏置电流模型，在一定频率的微波辐照下，当约瑟夫森结偏置电流为-is，0或is时，约瑟夫森结两侧将输出n＝-1，n＝0或n＝1级夏皮罗电压台阶。合成量子电压时结阵，一般偏置在“ 1”和
“‑
1”台阶上，而“ n”和
“‑
n”台阶的电压值是“ 1”和
“‑
1”台阶电压值的n倍，若想合成大幅度电压，可将结阵偏置到高阶的台阶上。
[0095]
如附图3所示，本发明通过matlab编制二进制码，并将二进制码通过vivado hls综合设计，生成硬件描述语言verilog比特流下载至fpga板块；进一步通过fpga将比特流传送至偏置电路，使相应子阵列上的偏置电流，按照设定的程序驱动对应的子阵列，进而合成量子电压。同时，没受到偏置电路驱动的子阵列不产生量子电压。通过可编程逻辑门阵列fpga，快速精确控制新型结阵中所有结的偏置电流，使结阵输出电压随时间快速变化，即形成大小和方向都精确可控的量子电压台阶。
[0096]
本发明采用在单个超导薄膜上任意位置，制备平面型约瑟夫森结，通过大规模约瑟夫森结集成电路制备，获得大规模新型约瑟夫森结阵列。与其他类型的高温超导结相比，本发明设计的约瑟夫森结阵列具有可扩展性。
[0097]
步骤5：约瑟夫森结阵下的光伏量子逆变器正弦交流电压合成
[0098]
利用波形合成法来实现约瑟夫森交流电压标准，所使用的超导结为如附图4所示的二进制约瑟夫森结阵，即各段结阵的单结数量按二进制的排列为1(20)，1(20)，2(21)，4(22)，8(23)，
…
，2
n-1
(2
n-1
)，则阵列中共有2n个单结，即结构图如附图4中约瑟夫森交流电压合成段所示。
[0099]
对串联了2n个结的一串约瑟夫森结，当夏皮罗台阶的阶数n＝
±
1时，其台阶电压可表达为：
[0100][0101]
考虑70.08ghz微波辐照，针对串联了8192个约瑟夫森结的可编程约瑟夫森结阵列，当偏置电流id取-4～-2ma和2～4ma范围时，附图4约瑟夫森结阵列两端输出交流台阶电压，其最大峰值为：
[0102][0103]
步骤6：设计适用于光伏量子逆变器研制及其约瑟夫森结阵列的超低温制冷系统
[0104]
适用于光伏量子逆变器研制的超低温制冷系统设计，主要包括设计三个子系统：低温冷源制冷机系统、低温恒温容器系统和精密测量系统，具体设计如下：
[0105]
步骤6.1：低温冷源制冷机系统包括一台液氦及一台液氮压缩制冷机，液氦压缩机采用的型号为kdc6000v氦压缩机，其作用是将由于外部热能及逆变器产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦，而液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导逆变器外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却，保持－196℃即77k低温液氮状态。液氦及液氮压缩制冷机的目标是达到连续工作1年即8760小时以上无故障，这使得量子逆变器运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。
[0106]
步骤6.2：为保证稳定运行的低温超导环境，低温恒温容器系统需设计为真空绝热环境，以降低外界对量子逆变器约瑟夫森结阵列的传热，并减少温度振荡。另外，制冷机冷头设计为在50k温度下以提供35w制冷量。当约瑟夫森结阵列需放在样品冷台上时，制冷机冷头与样品冷台间采用热阻材料，这样有利于冷头与结阵列间的冷传递。
[0107]
步骤6.3：精密测量控制系统主要包括样品台和制冷机冷头处温度的测量与控制装置、量子逆变器微波与偏置电流的传输测量装置以及电脑上位机与各个仪器间的通信传输系统。其中，温控具有两路独立的pi(proportional integer)控制回路，通道a连接在制冷机冷头处，通道b连接在样品台处，两个通道的温度计可测量样品台和冷头的温度，当温度低于设定温度时，加热棒便开始给冷头加热，反之亦然。传输测量环节是将恒温容器内部微波线缆与外部的微波源连接，用于向约瑟夫森结阵列传输具有特殊频率和功率的微波；同时将恒温器内部的电流引线与外部的恒流源电流源连接，用于传输驱动约瑟夫森结阵所需要的偏置电流。
[0108]
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。