收稿日期：2009-11-09；修回日期：2010-01-03
作者简介：周雪松（1964—），男，江西南昌人，教授，博士生导师，从事电力电子和电力系统自动化方面的研究。
E -mail ：zxsmyj@https://www.doczj.com/doc/363925233.html,
输出稳定问题和与电网并网优化配合的问题，是一种理想的提高风电系统动态性能和解决系统稳定性的手段［2］。因此，设计有效而恰当的控制系统对整个系统起着至关重要的作用，而其关键是如何合理地选择控制信号和相应的控制策略。本文在简述
SMES 应用于风电系统中抑制功率波动原理的基础
上，对SMES 的控制系统进行分析，研究相应的控制策略和采取的各种控制信号。之后针对SMES 在抑制功率波动中提高响应速度的问题，进行分析研究，并阐述其未来发展趋势。
1SMES 与风电场
SMES 系统主要由超导磁体、功率变换装置和
控制系统3部分组成，其中超导磁储能体包括超导线圈、低温容器和制冷装置。图1给出SMES 的结构框图，工作原理是：SMES 系统预先在超导线圈中存储一定的能量（一般为最大存储磁能的25%~75%），当功率高于（或低于）基准功率（电网所要求的功率）时，控制器检测到信号并通过触发电路向变流器发出触发脉冲，使其工作于整流状态（或逆变状态），将多余的能量以磁能的形式存储在超导线圈中（或将超导线圈中的能量回馈到电网）。冷却装置保证了超导线圈的工作环境。失超保护针对失超时所引起的过热、高压放电和应力过载，对超导线圈进行保护。
含有超导磁储能装置的风电场并网系统如图2所示。如果忽略各种损耗，风力发电机输入的机械功率将被转换成电功率，电功率经过变压器和输电线路后并到常规电网。当风速一定时，SMES 处于限制状态，风电场输入的机械功率与输出的电功率相等，处于稳定的平衡状态。但在实际运行中，由于风速的随时性，引起风车输出机械功率的变化，从而导致风
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力发电机的输入与输出功率的不平衡。此时，通过
SMES 对功率的“吞吐”作用（利用SMES 快速响应
和高储能密度特点），使风电场的输出功率达到平衡。从而改善风电系统的稳定性，降低风电系统成为常规电网大负荷的概率，为风电的并网提供可靠的理论依据。
文献［3］建立了含有超导磁储能装置的单机无穷大风电系统的Phillips-Heffron 模型，说明SMES 对风力发电功率波动具有很好的抑制作用。文献［4］指出，将SMES 应用于变速恒频风力发电机（DFIG ）励磁系统，可有效地提高DFIG 的并网风力发电系统的运行特性和系统稳定性。文献［2，5-7］则研究了SMES 对含风电的电力系统暂态稳定性的改善。文献［8］指出将SMES 用于风电系统，形成了主动致稳的思想，克服了过去主要依赖于继电保护和自动控制装置的被动致稳思想方法的弊端。文献［9］针对风电系统中的联络线处的短路故障和风速扰动问题，提出将SMES 用于风电系统，可以提高风电场的稳定性，平滑功率输出，降低风电场对电网的冲击。文献［10］根据系统稳定性的要求，利用
SMES 对电力系统进行稳定控制，从本质上提高了
电力系统的稳定性。
2控制信号和控制策略
变流器件的开关时间和控制策略的好坏是影响
SMES 快速响应能力的主要因素。因此，选择和设计
优良的控制系统是研究SMES 的一个重要课题。图
3给出了SMES 的控制系统［11］。
如图3所示，SMES 的控制系统由上层控制和底层控制2部分组成。上层控制作为主控制器用于提供内环控制器所需要的有功功率和无功功率控制的参考值，它是由SMES 本身特性和系统要求决定的，由不同目标的多个控制器及其协调环节组成。底层控制根据上层控制所提供的功率参考值（P SET 、
Q SET ），产生各相桥臂的触发脉冲序列，控制SMES 与
系统之间电流的大小和相位，完成对变换器的触发，实现了四象限运行。控制系统的任务是由系统提取信息，根据系统需要控制SMES 的功率输出。而控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效地实。以下研究风电场中的控制策略和控制
信号的选取。
2.1控制策略
上层控制主要涉及系统控制范畴。目前许多电
力装置或FACTS 的控制理论和方法都适用。但由于
SMES 具有某些特殊的动态行为和特性，可能会使
电力系统中的一些常规控制手段失效，须专门研究
SMES 的控制策略和控制方式。目前，用于SMES 的
控制研究主要有以下几种方法。
（1）PID 控制：这是电力系统中常用控制方式。它用比例、积分、微分这几种典型的控制模块，再加上几种校正网络，综合成既能改善系统稳态性能，又能提高系统动态性能的满足控制要求的控制规律。文献［12］采用极点配置方法设计PID 控制器，实现了对系统次同步谐振的阻尼。
（2）反馈线性化：即通过对系统非线性因素的精确补偿，将原系统转换为线性系统，使用线性控制理论的方法进行控制。反馈线性化方法可分为两大类，微分几何法和反馈线性化方法，近年来发展起来的逆系统方法属于后一类。文献［13］采用逆系统非线性PI 方法对SMES 装置的有功和无功功率控制进行仿真研究。
（3）非线性控制：非线性PID 控制器是利用非线性跟踪-微分器和非线性组合将线性PID 控制器进行改进设计，其最大特点是不依赖于被控对象模型，且具有线性PID 控制器结构［14-15］。
（4）鲁棒控制：通过降低系统灵敏度来抵御外部扰动和系统参数的摄动。文献［16］设计了一种SMES 鲁棒分散控制系统，可用于系统的频率控制。
（5）自适应控制：有利于解决互联系统之间相互干扰及参数的不确定性问题。文献［17］运用反馈线性化方法，在系统线性化的基础上采用自适应控制，使系统发生故障时，能自适应地调节系统参数，该
SMES 系统接于单机无穷大系统的发电机侧，仿真
结果表明，能有效地增强系统稳定性。
（6）模糊逻辑控制：属于智能控制范畴，它是建立在模糊集理论基础上的控制方法，对于复杂的非线性、时变、不确定性系统，采用开闭环控制和定性与定量控制结合的多模态控制方式，具有很好
的
周雪松等：超导磁储能装置在风电系统控制中的应用第6期
新能源（风电并网专栏）
解决非线性和误动作的能力。从理论上来说，有希望成为综合解决复杂电力系统控制所面临的诸多问题的一种有效方法，但在应用中面临许多困难。文献［18］运用具有模糊控制策略的SMES改善阻尼同步发电机的低频振荡，文献［19］则是采用这种具有模糊控制器的SMES，进行电力系统稳定控制。
（7）人工神经网络（ANN）：也属于智能控制领域，用大量简单处理单元经广泛连接，组成可模拟大脑神经系统结构和功能的人工网络，具有较强的鲁棒性和自学习能力，能很好地处理受控系统中输入量与输出量之间的非线性关系。因此，将ANN用于SMES控制也是一个很值得探索的研究方向。文献［20-21］采用含有ANN控制器的SMES，以增强系统的暂态稳定性，仿真研究表明，其控制效果比单纯PID控制器的效果要好。
底层控制的目的是根据给定的有功功率和无功功率参量，通过控制功率开关器件的导通和关断，来实现对SMES与系统之间电流的大小和相位的控制。目前应用最多的是基于三相静止坐标系的电流控制方式和基于同步坐标系的电流控制方式。在三相系统中，产生PWM（脉宽调制）波的方法一般包括：三角载波法、空间矢量法、优化PWM法和随机PWM法，其中三角载波法和空间矢量法应用最多。
2.2控制信号的选取
制约风电并网的主要因素有系统的短路故障和阵风的扰动，同时其他一些因素也对系统的稳定构成了不同程度的损害。在SMES中，反馈信号和测量信号的精确检测是系统准确、实时运行的关键，对风电场的稳定运行具有重大的影响。针对以上2种扰动形式，基于控制平衡理论，选取的控制信号主要有以下几种参量。
（1）转速变差量：适用于单台风机，用其设计的控制器具有精度高，性能较强。文献［2，7］中设计的控制器均采用此控制信号，通过仿真，使风电场的输出特性得到了很大的改善，特别是使无功功率的波动得到了抑制。但在实际中，扰动发生后各台风电机的转速偏差量是不同的，在大量不同的转速偏差中提取一个控制信号是很困难的。因此对风电场进行集中控制时，SMES有功控制器的控制信号不宜选取转速的偏差量。
（2）功率偏差量：采用此信号作为控制器的控制信号，有利于平滑风电场有功出力，但难以兼顾风速变化和电网故障引起的功率波动。当风速的变化使得风电场输出的电功率降低（ΔP<0）时，为了降低风电场对电网的冲击，应控制SMES输出一定的有功以补偿功率的缺额；而在电网发生短路故障的情况下，故障期间及故障清除后的恢复过程中，由于电压的降低（ΔU<0），风电场输出到电网的电功率下降（ΔP<0），而机械功率基本不变，功率的不平衡会导致风轮机转子的加速，为保证稳定性，应控制SMES吸收一定的有功功率。
（3）电压偏差量：能够充分发挥SMES有功无功综合调节的能力，使其既能满足提高暂态稳定性的要求又能够在风速扰动时降低风电场对电网的冲击。文献［8］采用电压偏差量作为控制信号，研究SMES对并网风电场的稳定性改善。
3发展前景及其趋势
高温超导材料的出现，降低了成本，给超导应用带来了契机。因而，SMES作为超导技术在电力应用中的重要方面，特别是超大容量的SMES具有诱人的前景。作为影响SMES快速性的控制系统，在其发展中具有极其重要的作用。今后的发展前景及其趋势主要是以下几个方面。
（1）择取各种策略的优点，在超导磁储能中将2种或多种控制策略综合应用是一个趋势。这以增加系统复杂性和成本为代价。SMES对受控系统的数学模型和参数的依赖性很小，自抗扰控制或PID控制与其他控制方式相结合具有广阔的发展前景。
（2）将超导磁储能装置与其他设备进行协调优化设计，对之进行统一控制，降低系统复杂性，特别是采用相应的软技术降低谐波的产生，是增强电网可靠性和提高电能质量的一种有效措施。
（3）直接采取扰动信号作为SMES的控制信号，缩短SMES的动作时间，提高系统的响应特性，增强系统的可靠性。
（4）为提高功率密度和电路的性能，模块化技术将用于SMES，功率集成电路的应用将有广阔的前景。
4结语
通过以上分析可以得出以下结论：（1）SMES应用于风电系统，平滑了风电系统的输出功率，从而提高了风电系统的稳定性，对风电并网提供了重要依据；（2）选择控制策略和控制信号对SMES的应用具有重要作用，特别是将直接的扰动信号作为控制信号进行研究，具有重大意义；（3）将SMES与其他设备进行协调优化设计，并对之进行统一控制，具有广阔的发展前景。
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新能源会议报道
环
发
技
高温超导储能系统 一、什么是超导储能系统？ 超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成。 超导储能系统可用于调节电力系统峰谷（例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网），也可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性： （1）超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%； （2）超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）； （3）由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统； （4）超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； （5）超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。 目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家（例如美国、日本、德国等）在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐。 二、开发超导储能系统的必要性 由于电力系统的“电能存取”这一环节非常薄弱，使得电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制；同时，电能在“发、输、供、用”运行过程中必须在时空两方面都达到“瞬态平衡”，如果出现局部失衡就会引起电能质量问题（闪变），瞬态激烈失衡还会带来灾难性电力事故，并引起电力系统的解列和大面积停电事故。要保障电网安全、经济和可靠运行，就必须在电力系统的关键环节点上建立强有力的电能存取单元（储能系统）对系统给与支撑。基于以上因素，电能存取技术越来越受到各国能源部门和电力部门的重视。 超导储能系统由于其存储的是电磁能，这就保证超导储能系统能够非常迅速
4.9 超导磁体 4.9.1 概述 磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。超导磁体利用轭铁提供磁场回路。 根据BESIII 物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T 。 为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII 的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。基于主漂移室IV 动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。 4.9.2 超导磁体设计 4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算 根据北京谱仪BESIII 的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m ，内直径为2.75m ，外直径为3.4m ，线圈的长度为3.52m ，线圈中心直径为2.95m 。 若取线圈电流I 为3000A ，nI B 00μ=，其中T B 10=，可得1m 长的线圈匝数为n ≈266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm ，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A 。 线圈的储能l D B l S B V B H E ???=??? =?=42121)21(2 0202πμμ = 9.5兆焦耳。从 n D B n S B ??=??=Φ42π=6063.6韦伯，dt dI L dt d =Φ，I L Φ =得出电感L = 2.1亨利。 考虑到在发生失超时，线圈吸收全部储能，最大温升控制在70K 以下，从超导电缆的焓差，可以确定超导电缆沿线圈径向方向的高度尺寸为20mm 。 超导线圈通电后，会产生很大的径向扩张力，需要设计一个支撑圆筒来箍住线圈，支撑筒必须是无磁材料，具有良好的焊接性能和机械强度。国外一般采
风力发电系统中储能技术的研究 发表时间：2018-09-17T15:37:22.667Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：张亚云[导读] 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。 北京天润新能投资有限公司西北分公司新疆乌鲁木齐 830000 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。因此，很多国家都很早就开始探索新能源，取得了很好的效果。在风力发电方面，风电高度随机，风电来源缺乏稳定性。这是使用风力发电的瓶颈问题。为了解决风力不稳定问题，必须采用储能技术来提高风力发电的稳定性和可靠性。 关键词：风力发电、储能技术、研究 引言：风力发电是将风能作为大规模清洁能源的最有效方式，它不仅可以改善能源结构，而且可以减少对环境的污染，因此，在日益突出的环境问题上，风电技术也得到了迅速发展。随着发展，大型和大容量风电场已在全球范围内投入生产，对于风力发电系统，储能技术的重要作用主要体现在以下几个方面：一是提高风电系统的稳定性，解决风能资源稳定性差的问题；其次，风力发电系统的稳定运行可以保证整个电网系统的稳定性，确保电力输出的稳定性，可以提供大规模的能源支持。最后，储能技术还可以确保电力系统中存储足够的电力，为人们提供持续，稳定的电力支持。 1储能技术的分类 储能技术主要包括四大类：电磁储能，物理储能，电化学储能和热能储存，电磁能量存储包括超导能量存储和超级电容器能量存储。物理储能包括抽水蓄能，压缩空气储能和飞轮储能，电化学储能包括储氢，液流电池。 1.1 电磁储能。超导储能技术主要是利用超导体制成的线圈来储存电网励磁产生的磁场，并将储存的能量在正确的时间送回电网。超导储能技术具有能量储存密度高，长期无损储能，能够快速释放能量，能够在大范围内独立选择，使用寿命长的特点，超导储能装置不受位置限制维护简单，污染低。当然，超导储能技术的缺点在于其成本高昂，超级电容储能技术是一种新型的储能装置。具有功率密度大，储能效果好，安装方便等特点，它是免维护的，可以单独使用或与其他储能装置组合使用。 1.2 物理储能。抽水蓄能主要用于在电力负荷低负荷期将水从下水库泵送至上池水库，将电能转化为重力势能，并在电网高峰负荷期间释放能量。到目前为止，抽水蓄能技术已被应用于最为成熟，是风电场储能方案的最佳应用。压缩空气储能主要利用电力系统负荷低时的剩余电量来驱动空压机，将空气压入大容量封闭的地下溶洞，并将压缩空气转化为压力势能储存在储气室。飞轮储能系统属于机械能方法。它主要将电能转换成飞轮在“充电”期间的动能并存储。当需要电力时，飞轮的动能转化为电能。储能方式不适合风电场。但是，它可以快速抑制风力发电的快速波动，因此可以与其他储能系统结合使用。 1.3 电化学储能。电化学储能技术包括氢燃料电池，全钒液流电池，铅酸电池，锂离子电池和钠硫电池。当风能无法充分利用时，氢燃料电池将这些多余的能量转化为氢气用于储存。氢燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，全钒液流电池是液流电池发展的主流。该技术可以达到兆瓦级水平，因此主要用于大型风电场。铅酸蓄电池在储能技术上更加成熟，历史悠久。产品主要密封，免维护，储能容量可达20MW。与其他储能技术相比，铅酸蓄电池的制造成本更低，可靠性更高，能量密度适中，是电力系统中应用最广泛的蓄电池。锂离子电池是磷酸铁锂电池发展的主流，其成本较低，且环境小，因此风电的应用前景广阔。钠液流电池是当前报告的大容量蓄电池，具有良好的发展前景。 2风力发电的储能技术的研究现状 2.1低电压穿透能力在风电系统中的提高。风电技术中低压普及的发展一直是关键因素，对于系统稳定系统而言，这也是风力发电技术发展中的重要挑战之一。从两个级别的风力涡轮机和风力农场工作是一种改善低电压穿透的方法，有两种方法可以提高风机工作水平低压的渗透率：首先，改进控制方法，其优点是不需要添加其他附加设备，因此该方案实施起来更简单；缺点是电网故障引起的暂态能量不平衡，改进后的方案不能从根本上解决瞬时能量不平衡问题，难以达到预期的效果。其次，添加硬件设备。优点是有很多方法来实现这种方法；缺点是附加成本会显着增加。增加硬件设备是风电场故障穿越能力的有效方法。 2.2平衡抑制风力发电产生功率的波动。风电出力波动是电网稳定，电能质量和经济动员的根本原因之一，因此，在使风力发电系统发挥作用的情况下，需要将不确定风速的变化对风力发电系统的输出的影响抑制为最小限度，并且控制风力发电的输出的功率的变化通过合理引入ESS并制定相应的控制策略。为了达到上述目的。通过大量的研究，可以看出，对于风电的波动，ESS可以用来稳定风电机组和风电场的风电波动。从其独立的角度来看，超级电容器与风力发电系统中的独立DC并行使用。在母线上，为抑制风电机组功率的波动，采用模糊理论对现象进行调节和控制。通过实验验证，风力发电系统中风力涡轮机的预测可能在很大程度上干扰了拟议策略的实际控制结果。风力发电系统中的大型风电场的单个单元受到塔阴影效应和尾流效应的影响。预测风力发电机的输出量非常困难，实际实施起来非常困难。因此，在风电场层面，在上述中，在用于存储能量的装置中，选择并联连接的方法以连接到DC总线，同时，该方法通过测试和检验是可行的。 3储能技术在风力发电系统中的应用 3.1储能设备的接入。储能技术在风力发电系统中的应用，可以提高整个系统的稳定性，降低电力公司的投资成本，为公司带来更大的经济效益，为此，我们必须积极开发和应用有效的储能技术。如果要采用储能技术，首先要连接储能设备，使储能设备成为风电系统的重要组成部分。在获取之前，要充分了解当地风资源的特点，必须明确电力公司自身的情况和条件，根据实际需要选择不同的储能装置，以预留多余的风资源，提高稳定性的电力系统，风资源不足时投入使用，实现电能的稳定输出。 对于风力发电系统的储能技术，可根据结构形式的差异对储能技术进行合理分类。具体而言，根据不同的储能结构，储能技术可分为分布式和集中式两种。首先，分布式储能设备安装在风力涡轮机的位置，每台发电机安装储能设备以确保稳定供电。虽然这种方法能够有效提高供电质量和水平，但也存在一些不可避免的缺陷：但是，使用这种技术会增加能源的能量，必须使用先进的转换器和储能装置来满足需求，许多电力公司在这方面不具备条件，这也限制了这项技术的进一步推广。 3.2分布式储能技术的应用。在风力发电系统中，存在直流环节，如果您想使用分布式储能技术，则需要连接直流母线和电容。如果风力不够，可以使用储能设备补充直流母线和直流侧变速器的功率，然后通过变流器传输到电网，从而提高系统的稳定性。如果风电上升，剩余的能源也可以送到直流侧，这些电能可以传输到储能装置，充分利用电能资源。
高温超导磁储能系统及在电力系统中的应用 一、超导磁储能基本原理 1、什么是超导磁储能系统？ 超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装臵、变流装臵和测控系统部件组成。 超导储能系统可用于调节电力系统峰谷（例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网），也可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性： （1）超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%； （2）超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）； （3）由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统； （4）超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； （5）超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。 目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家（例如美国、日本、德国等）在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐。 2、储能工作原理 SMES在电力系统中的应用首先是由Ferrier在1969年提出的。最初的设想是将超导储能用于调节电力系统的日负荷曲线。但随着研究的深入，人们逐渐认识到调节现代大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈，在技术和经济上存在着困难。现在，SMES在电力系统应用中的研究重点主要着眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应能力，提高电力系统稳定性、改善供电品质等。超导磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉冲能量储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是电能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导材料制成，即保持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰减。线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。 电流I循环储存在线圈中的能量E为
磁共振基本原理 第一章 主要讲述电荷、电流、电磁、磁感应方面的基本概念。这里将介绍余下章节中将提到的大量的词汇。你可以快速复习这些概念，但是要注意关键定义和一些重要的概念，因为这些概念有可能在考试中出现。同时也包括一些对向量和复数关系的解释。如果你有工程师的背景就请略过这些章节，否则请多花些时间研究2D、3D向量，振幅和相位、矢量和复数方面的知识。矢量在MRI中有极其重要的作用，因此现在多花些时间学习是值得的。 静电学研究的是静止的电荷，在MRI中几乎没有太大意义。我们以此作为开场白主要是因为电学和磁学之间有密切的关系。静电学与静磁场非常相似。最小的电荷存在于质子(正)和电子(负)中，集中在很小的一团或以量子形式存在。虽然质子比电子重1840倍，但是他们有同样幅度的电荷。电荷的单位是库仑，是6.24*1018个电子的总和,这是一个非常大的数量。一道闪电包含10到50个库仑。一个电子或质子的电荷为±1.6*10-19库仑。 与一个粒子所拥有的分离的电荷不同，电场是连续的。关键的概念是相同的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。同时，你应该知道电场强度与电荷呈线形变化，和电荷的距离的平方成反比。换句话说，如果总的电荷数增加，电场的强度也会增加，与电荷的距离越远，电场强度越弱。 将相同的电荷拉近，或将不同的电荷分开都需要能量。当出现这种情况时，粒子就有做功的势能。就象拉开或压缩一个弹簧一样。这种做功的势能叫电动力（emf）。当一个电荷被移动，并做功时，势能可以转化成动能。每单位电荷的势能称电势能，它是电荷相对于电场的位置的函数（1/d2）。 电荷位于周边，它尽量要处于一个舒服的位置，但这也不是一件容易做到的事。它不断地运动、做功。运动的电荷越多，每个电荷做功越多，总功越大。运动的电荷叫做电流。电流的测量单位为安培（A）。第一个电流图描绘的是电池产生直流电（DC）。电厂里的发电机产生的是变化的电压，也称为交流电（AC）。 在通常情况下，电子在电流中的运动并不是没有阻力的。它们遇到各种类型的阻力。电路中阻碍电流流动的特点叫做阻抗。共有三种类型的阻抗，即电阻、电感、电容。如果电流的做功产生热量，阻抗就叫电阻；如果能量能产生磁场，阻抗即电感；如果能形成电场即电容。这三种阻抗在MRI中均有不同的作用，后面的章节将详细讨论。电流在电路中流动会做功，在单位时间内电流的总做功量称为功率。 磁学是物质的基本特性，就象电荷与质量一样。物质的磁性特点很大一部分是由电子的结构和运动决定的。非磁性的物质有非常小的排列方向紊乱的、结构紊乱的磁区，它们相互抵消。永磁体有大量的几乎排列方向一致磁区。排列越一致，磁场越强。 *备注：现在被称为土耳其的国家曾经认为天然磁体有磁性是很神秘的。几千年前，土耳其被称为Magnesia，这就是磁性这一词的由来。 当一种物质放在磁场中变的有磁性的程度被称为磁敏感性。真空的磁敏感性定义为0。如内
磁共振成像系统中的磁屏蔽 赵喜平郑崇勋 本文作者赵喜平先生西安交通大学生物医学工程研究所博士研究生第四军医 大学西京医院磁共振室工程师郑崇勋先生西安交通大学生物医学工程研究所所长教授博士导师 关键词: MRI 磁屏蔽磁屏蔽材料 磁体是磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging MRI)系统的重要组成部分 无论是超导磁体还是永磁体或常导磁体其作用都是为MRI设备提供静磁场 B0但是由于它的磁力线将向空间各个方向散布即形成所谓的杂散磁场就有可能干扰周围环境中那些磁敏感性强的设备使其不能正常工作另一方面磁体周围环境的变化也会影响磁场的均匀程度由此可见在磁共振成像系统中磁场与环境的相互影响是一个不容忽视的问题目前广泛采用安装磁屏蔽的办法来解决本文首先介绍磁屏蔽的概念和分类然后讨论有关磁屏蔽的计算以及 制做屏蔽体可采用的最佳材料 一磁屏蔽 所谓磁屏蔽(Magnetic Screen或Magnetic Shield)就是用高饱和度的铁磁性材料来包容特定容积内的磁力线它不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均 匀性的影响同时又能大大削减磁屏蔽外部杂散磁场的分布以英国牛津公司 HELICON磁体(1.5T)为例安装磁屏蔽体后这种磁体的中心至5高斯线之距离在x y轴上可由9.2m内缩至4.2m z轴上则由11.6m缩小至5.8m5高斯线内缩幅度达5m左右因此增加磁屏蔽是一种极为有效的磁场隔离措施 磁屏蔽的原理可借助并联磁路的概念来说明如图1所示将一个磁导率很大的软磁材料罩壳放在外磁场中则罩壳壁与空腔中的空气就可以看作并联磁路由于空气的磁导率μ接近于1而罩壳的磁导率在几千以上使得空腔的磁阻比罩壳壁的磁阻大很多这样一来外磁场的绝大部分磁感应通量将从空腔两侧的罩壳壁内通过进入空腔内部的磁通量是很少的这就达到了磁屏蔽的目 的在MRI中磁屏蔽既起到保护空腔内磁场不被其它外界因素干扰的作用又限制腔内磁场以杂散磁场的方式向周围环境中散布
超导磁共振成像系统中的低温技术 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种生物磁学核自旋成像技术。十多年来，随着超导、低温、磁体、射频及计算机图像处理等高新技术的发展，MRI已成为当今医学领域最先进的诊断设备之一。按照MRI系统主磁体磁场的产生方式，通常将其分为永磁型、常导型（阻抗型）、混合型和超导型四类。由于超导型MRI具有场强高、功耗小（磁体基本无功耗）、磁场均匀稳定和系统信噪比高等优点，近年来发展非常迅速。本文首先介绍超导MRI 成像系统的磁场建立过程及其失超的概念，然后讨论超导磁体的低温保障技术。 超导环境的建立 同阻抗型磁体一样，超导型磁体也由线圈的电流产生磁场。两者的差别主要是线圈的材料不同：前者用普通铜线绕制，而后者由超导线绕成。目前所用超导材料主要是铌钛与铜的多丝复合线，它的工作温度为4.2K（-269℃），即一个大气压下液氦的温度。因此，超导线圈必须浸泡在液氦里才能正常工作。MRI磁体超导环境的建立通常需要下述步骤： 磁体低温容器抽真空 超导磁体一般在CFRP或GFRP支撑结构下依次装有环形真空绝热层、液氮容器和液氦容器，超导线圈置于液氦容器之中。各容器都有非常好的绝热性能和密封性能。可见超导磁体的制造工艺是相当精细的。 真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，其保冷性能主要决定于它的真空度。因此，抽真空的质量直接关系到超导磁体运行后的经济性能。磁体安装完毕后，一般在现场对其抽真空，但有些厂家的产品出厂前就已抽毕。 真空绝热层抽真空的过程可分为两步。首先用旋片式机械泵抽吸约4h，使内部压力降至10Pa （1mbar）以下。紧接着改用涡轮分子泵，将内部压力抽至10-3Pa（10-5mbar）。要达到这样低的压力，涡轮分子泵需连续运转数十小时，有时长达数日。此间一旦出现断电情况，就有可能前功尽弃。因此，真空绝热层抽真空前MRI系统的不间断电源应该安装就绪，以便将涡轮分子泵与其相连，断电后就有足够的时间来关闭磁体上的真空阀。达到所需的真空度后，应及时关闭插板阀，以免漏气。 磁体预冷 磁体预冷是指用Coldhead（制冷机冷头）和cryogen（液氮、液氦）将磁体冷屏和超导线圈温度分别降至其工作温度的过程。由于上述容器与致冷剂的温差相当悬殊，磁体的预冷常常需要消耗大量液氮和液氦。下面以牛津公司UNISTA T磁体（1T、1.5T和2.0T）为例来介绍磁体的预冷过程。 在实施预冷前，先检查磁体液氦液位计是否正常。充灌液氮要使用绝热管线，并严防其冻裂。液氦的灌注则使用专用的真空虹吸管。另外，预冷时磁体的所有排气管道均应畅通，并保持磁体室通风良好。 液氮预冷比较简单。首先按低温操作的有关规定连接好液氮杜瓦瓶和磁体液氮输入口，并保持杜瓦瓶内20~25kPa（0.2~0.25bar）的过压力。在这一压力的驱动下，随着输液管道的接通，液氮便缓缓注入磁体液氮容器。但是由于开始时容器内温度较高，大量液氮将被蒸发，液氮的蒸发使容器内的温度得以降低。一旦液面计有了读数，就表明该容器内温度已降至77.4K，即
超导型磁共振成像系统 Superconductor MRI 1 范围 本标准规定了超导型磁共振成像系统的产品分类及组成、技术要求、试验方法、标志等要求。 本标准适用于超导型磁共振成像系统（以下简称MRI ）。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后的修改单（不包括勘误的内容）或修改版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T191-2000 包装储运图示标志 GB/T1.1-2000 标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写规则。 3 分类与型号 3.1 分类 3.1.1按管理分类属第Ⅲ类医疗器械 医用磁共振设备。 3.1.2按主磁场的结构划分属于超导型磁共振成像系统，按使用结构形式划分属于开放式(半开放式)磁共振成像系统。按用途分属于通用型磁共振成像系统。 3.2 结构 超导型磁共振系统由磁体系统、成像系统、病床系统、电源系统、冷却系统、控制系统六大系统组成。 4 技术参数 4.1 静磁场强度(共振频率)偏差 其标称值应不大于6 1050-?，超导型 4.2 信噪比 应大于100dB 4.3 图像的几何畸变 应不大于5% 4.4 图像的均匀性 应不小于75% YZB/川 —2006
4.5 磁场的均匀性 应不大于6 1050-? 4.6 磁场的稳定性 不大于6 10125.0-?/h 。 4.7 高对比度空间分辨率 应不大于2 mm 4.8 层厚 大于5 mm 时其误差不大于±1mm 4.9 定位与层间距 切片的定位偏差应不大于±3mm 。层间距的偏差不大于±1mm 或小于20%。两者取大值。 4.10 伪影 叠影伪影的讯号应小于实际信号值的5%。 5 试验方法 5.1.1 扫描条件记录应注意：脉冲序列、扫描参数、回波时间TE 、重复时间TR 、溶液的自旋-晶格驰豫时间（纵向驰豫时间）1T 、溶液的自旋-自旋驰豫时间(横向驰豫时间)2T 、翻转角、图像视场FOV 、数据采集矩阵大小、射频线圈负载特性、模型的描述、像素贷款和三维尺寸、接受线圈通道3dB 带宽等，层厚及数量、采集次数、射频功率的设置、图像处理。 5.1.2 使用常规的临床诊断扫描序列和重建程序。 5.1.3 环境温度应在22℃±4℃。 5.2 共振频率 用特斯拉计置于磁场等中心位置测量 5.3 信噪比 5.3.1 模型要求 模型应由产生均匀信号的材料组成，其(头)体成像平面的最小尺寸为10 cm(20 cm)或规定区域的85%，两者取大值。单层切片时，其切片方向上的厚度至少为层厚的两倍，（多层切片时，厚度至少为成像数量再加上两倍的最大层厚度），模型的截面应是封闭的，可以是圆的，也可以是方的。模型中的填充材料的15T TR ?≤。模型材料为透明的有机玻璃，填充液配方:1L 水，3.6g 氯化钠 NaCl 和1.955g 五水硫酸铜 4CuSO ·O H 25 5.3.2 试验方法 把模型置于负载的射频接收线圈中心，TE 应在临床范围内选择。负载后RF 线圈的参数应无变化。在图像平面内FOV 应不大于射频线圈最大线形尺寸的110%，用自旋回波脉冲序列(第一回波)， YZB/川 —2006
附件1 医用磁共振成像系统注册技术审查指导原则 本指导原则是对医用磁共振成像系统的一般要求，申请人/制造商 应依据具体产品的特性对注册申报资料的容进行充实和细化。申请人/ 制造商还应依据具体产品的特性确定其中的具体容是否适用，若不适用，需具体阐述其理由及相应的科学依据。 本指导原则是对申请人/制造商和审查人员的指导性文件，但不包括注册审批所涉及的行政事项，亦不作为法规强制执行，如果有能够满足相关法规要求的其他方法，也可以采用，但是需要提供详细的研究资料和验证资料。应在遵循相关法规的前提下使用本指导原则。 本指导原则是在现行法规和标准体系以及当前认知水平下制定的，随着法规和标准的不断完善，以及科学技术的不断发展，本指导原则相关容也将进行适时的调整。 一、围 本指导原则适用于医用磁共振成像系统，包括永磁型和超导型。医用磁共振成像系统为应用磁共振原理进行人体成像的设备。 本指导原则适用围为磁场强度不大于3T 的医用磁共振成像系统，更大场强的磁共振系统及磁共振波谱等其他方面的容及资料要求并未 包含在本指导原则之中。 二、注册申报资料要求 （一）技术资料 制造商应当向审查人员提供对系统进行全面评价所需的基本信息。产品的技术资料作为注册文件中一个单独的文件，应包含下列信息： 1.产品描述 —1
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应对整个系统进行描述，列出系统部件以及每个部件应用目的的详 细说明（至少应包含附录I 中描述部件），并给出主要部件的照片和系统各部件之间相互连接的示意图，图中应清楚地标识各部件（至少应包含附录I 中描述部件），其中包括充分的解释来方便理解这些示意图。除此之外，还应包含附录I 中所列的具体信息。 2.产品适用围和产品禁忌证。 3.产品工作原理的概述。 4.系统变更情况和新组件的应用（若有）。 提交文件应详细描述要修改的已上市系统，并提供所有重大硬件和 软件变化的列表和描述（参照附录I）。影响安全或性能特性的变更应进行清楚标识。 新组件、附件或软件的提交文件中应详细描述新组件、附件或软件 要应用的系统，并提供每个新组件或附件的功能和技术特性的描述。应 该包含特殊类型组件、附件或软件的设备描述中的任何适用信息。在所 有的情况下，应解释任何新的技术特性，并且应包含相关的文献参考资 料或临床资料。 5.磁共振成像系统软件描述文档另作要求。 6.设计和生产过程相关信息。 包含产品的设计过程和生产过程的资料，可采用流程图的形式，是 设计过程和生产过程的概述，但不能替代质量管理体系所需的详细资料。 7.产品历史注册情况及产品变更情况记录。（如适用） （二）风险管理资料 本要求的主要参考依据是医药行业标准YY/T0316-2008（idt ISO14971:2007）《医疗器械风险管理对医疗器械的应用》（下称医疗器械 风险管理标准）。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/363925233.html, 超导磁储能系统的发展与展望 作者：苏放 来源：《中国科技博览》2015年第27期 [摘要]超导磁储能装置（SMES）是将超导磁体的无损高效储能特性与电力电子的快速电能转换技术相结合的一种新型功率调节和能量转换装置，也是目前实用化程度最高的一种超导电力装置。本文阐述了SMES的特点、基本结构以及在电力系统的具体应用，综述了国内外相关研究成果与发展现状，并讨论了其未来的前景与发展趋势。 [关键词]超导磁储能系统电力系统高温超导 中图分类号：TM917 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0150-03 0 引言 自德国物理学家昂尼斯（K.Onnes）1911年研究汞在低温下的电阻随温度变化发现了超导现象之后，科学界的目光开始投向了这样一个新生的科学分支，人们希望能将其应用于实际当中。随着一个世纪超导技术的不断发展，超导应用也越来越受到各国的重视。尤其在80年代以铋系（Bi2Sr2CaCu2O8）和钇系（YBa2Cu3O7、YBa2Cu4O8）等为代表的高温超导材料的 研究取得了突破性进展后[1]，超导在电力系统的应用也倍受看好。目前人们正在研究的超导 电力装置包括储能装置，电机，电线，限流器等。其中超导储能装置是一种能把电能存储在由循环电流产生的磁场中的设备。它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能（整流方式）又能释放电能（逆变方式）的快速响应器件，从而达到大容量储存电能改善供电质量提高系统容量和稳定性等诸多目的[2，3]。下文将详细介绍SMES的特点结构及在电力系统的应用，总结国内外相关研究成果与发展现状，讨论其未来的前景与发展趋势。 1 SMES概述 超导磁储能是利用超导体的零电阻特性以磁的形式存储能量，相比其他储能方式其有许多优势，如表所示，因此以超导线圈构建的超导磁储能系统在电力系统中具有广泛的应用前景[4]。（表1） 1.1SMES的特点 具体的说超导磁储能系统主要具有以下特点[5，6]： （1）响应迅速、控制方便。SMES通过变换器与交流系统相连，响应时间能达到毫秒级。改变电力电子器件的触发角即可改变装置输出功率，容易实现远方控制。SMES从最大充电功率到最大放电功率的转换只需几十毫秒。
（一）分类磁共振按照不同的分类方法有不同的分类。按照场强大小分为高场、中场、低场磁共振；高场一般为场强高于1. OT的磁共振；巾场为场强高于0. ST而低于1.OT的磁共振；低场一般为低于0. ST的磁共振。按照磁体类型一般分为：永磁型磁共振、常寻型磁共振和超导型磁共振。永磁型磁共振维护费用小；逸散磁场小，对周围环境影响小；造价低；安装费用也较少； 一般只能产生垂直磁场；场强范围一般在0. 15～0. 35T；磁场随温度漂移严重，磁体需要很好的恒温；磁场不能关断，对安装检修带来困难；磁体沉重；且随着场强增大，磁体厚度增大，更加沉重。常导型磁共振生产制造较简单，造价低；可产生水平或垂直磁场；重量轻；检修方便，磁场均匀度也很高；场强一般在0. 1～0. 4T；运行耗费较大，通电线圈耗电达60kW以上；还需配用专门的供电设备和水冷系统。超导型磁共振场强范围0. 3～9T；磁场均匀性高；稳定性好；图像质量好；运行耗费很高，制冷剂主要是液氦的费用很高；运输、安装、维护费用也很高。目前主要市场上的磁共振以高场和低场为主，高场一般为超导型，低场一般为永磁型；且低场永磁型磁共振往往做成开放式，有C形式或立柱式；高场超导磁共振往往做成圆形孔腔式或站立式的磁共振。常导磁共振一般也做成圆形孔腔式。还有些公司推出了某些部位如头颅、四肢或关节专用检查的磁共振设备，其形态变化较灵活。一般来讲，低场永磁型以出诊断图像为主要目的，图像质量已经能够满足诊断要求；高场超寻型主要以功能磁共振为主，图像质量是其基础。 （二）MRI系统结构 磁共振系统的典型结构如图6-10所示，主要包括磁体子系统、梯度场子系统、射频子系统、数据采集和图像重建子系统、主计算机和图像显示子系统、射频屏蔽与磁屏蔽、MRI软件等，分述如下。
超导储能工作原理图文分析 1.超导系统认识 超导储能(SMES)是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。 将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。 由于超导储能具备反应速度快、转换效率高等优点，可以用于改善供电质量、提高电力系统传输容量和稳定性、平衡电苻，因此在可再生能源发电并网、电力系统负载调节和军事等领域被寄予厚望。近年来，随着实用化超导材料的研究取得重大进展，世界各国相继开展超导储能的研发和应用示范工作。 2.超导储能工作原理 超导储能的基本原理是利用电阻为零的超导磁体制成超导线圈，形成大的电感，在通人电流后，线圈的周围就会产生磁场，电能将会以磁能的方式存储在其中。超导储能按照线圈材料分类可分为低温超导储能和高温超导储能。用于储能的超导技术已经开始显现极有前景的成果。其工作原理是能量储存在绕组的磁场中，由下式表示： 式中，R和L分别是绕组的电阻和电感。稳态储能时 di L dt必定为零，驱动电流环流所需 电压简化为V=RI。 绕组的电阻依赖于温度。对于大多教导体材料，温度越高，电阻越大。如果绕组温度下降，电阻也会下降，如图3-10所示。某些材料中，电阻会在某个临界温度时急剧下降到精确零欧。图中，该点标为Tc。在此温度以下，再无需电压来驱动绕组中的电流，绕组的端
北京大学科技成果——医用磁共振成像系统产业化项目概述 目前该领域国内厂家空白，国外仅一家企业有能力研发及生产，市场巨大，利润回报率较高，而其他厂家跟进存在技术壁垒；医用磁共振成像系统突出专科专用，目标客户群为三甲医院专业科室及高端私立医院；核心竞争力为系统全技术链掌握，临床导向型产品开发，无技术瓶颈，各环节技术经过产业化验证，团队成员齐备，医生资源丰富；以专科专用为创新点，以全产品链技术为支撑；整个团队具有10年以上磁共振产业化各环节经历，包括研发、生产、市场、销售、售后及临床等，精益化生产经验丰富，代理商渠道成熟。 应用范围 项目技术为磁共振成像系统研发及制造，属于国家战略政策倾斜支持高科技生物医疗行业，2010年全球医疗器械产品超过3000亿美元的产值，且保持着平均每年20%的增速；发改委，工信部，财政部和卫计委正联手拟定《产业振兴和技术改造专项》，15亿元扶持资金。将重点支持10-15家大型医疗器械企业集团，扶持40-50家创新型高技术企业，建立8-10个医疗器械科技产业基地和10个国家级创新医疗器械产品示范应用基地；以较低购置及维护成本，实现磁共振核心部位（脑部、四肢）的多功能、高质量扫描，提高专科诊断能力，是未来高端磁共振发展方向；目标位三甲医院（13420家）、高端私立医院（10594家）及体检中心（仅北京177家）。 技术优势
核心优势为全技术链掌控，无短板，对于其他国内竞争对手存在进入壁垒，竞争对手仅国外一家企业。 技术水平 永磁型MRI磁体设计专利； 动态有源屏蔽梯度设计专利； 超导型MRI磁体设计专利。 项目所处阶段 三年规划（2014-2016） 2014年完成永磁型磁共振产品系统集成，进入产品注册阶段；小批量生产，尝试OEM生产及租赁、投放等销售模式，实现企业部分现金流； 2014年完成1.5T专用超导型磁共振系统研发、集成，进入产品注册阶段； 2015年完成3.0T专用超导型磁共振系统研发、集成，进入产品注册阶段； 2016年，完成1.5T专用超导型磁共振系统注册，进入小批量试产及销售阶段； 目前1.5T专用超导型磁共振已完成磁体设计、验证，处于样机加工阶段；其他系统部件均处于样机加工阶段，2014年4月进行系统集成。 市场状况及市场预测 医疗器械，特别是医用磁共振产品为高投入，高且稳定回报行业，
超导磁储能的发展历史及现状 文章来源：E讯网 摘要：我国经济高速发展使得我国的电力系统已经成为世界上最庞大最复杂的系统之一。电力安全已经成为国家安全的一个重要方面。同时，信息化、精密制造以及生产生活对电力的依赖程度已经对电力供给的可靠性和供电品质提出了更高的要求。石油、煤炭等能源资源将无法满足未来电力的供给需要，开发新能源、可再生能源已成为一项保证国家可持续发展的战略性国策。21世纪电力工业所面临的主要问题有：应用分散电力系统，提高设备利用率，远距离大容量输电，各大电网间联网，高质量供电，改善负荷特性等。针对这些问题，与现有的采用常规导体技术的解决方案相对应，都有一种甚至多钟超导电力装置能为问题的解决提供新的技术手段。由于超导体的电阻为零，因此其载流密度很高，因此可以使超导电力装置普遍具有体积小、重量轻等特点，制成常规技术难以达到的大容量电力装置，还可以制成运行于强磁场的装置，实现高密度高效率储能。作为一种具备快速功率响应能力的电能存储技术，超导磁储能系统(SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高电力安全、改善供电品质、增强新能源发电的可控性中发挥重要作用。 关键字：超导磁储,蓄电池,线圈,监控系统,电阻,机械,变压器 超导储能系统的构成及其工作原理 SMES是利用超导磁体将电磁能直接储存起来，需要是再将电磁能返回电网或者其他负载。超导磁体中储存的能量W可由下式表示： 超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规导体要高1~2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的储能密度，约为10J/m。与其他的储能方式，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES具有转换效率可达95%、毫秒级的影响速度、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点。 超导磁体 储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。螺管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大;环形线圈周围杂散磁场小，但结构较为复杂。由于超导体的通流能力与所承受的磁场有关，在超导磁体设计中第一个必须考虑的问题是应该满足超导材料对磁场的要求，包括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此意外，在磁体设计中还需要从超导线性能、运行可靠行、磁体的保护、足够的机械强度、低温技术与冷却方式等几个方面考虑。 低温系统 低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。超导磁体的冷却方式一般为浸泡式，即将超导磁体直接至于低温液体中。对于低温超导磁体，低温多采用液氦(4.2K)。对于大型超导磁体，为提高冷却能力和效率，可采用超流氦冷却，低温系统也需要采用闭合循环，设置制冷剂回收所蒸发的低温液体。基于Bi系的高温超导磁体冷却只20~30K一下可以实现3~5T的磁场强度，基于Y系的高温超导磁体即使在77K也能实现一定的磁场强度。随着技术的进步，采用大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的方案，但目前的技术水平，还难以实现大型超导磁体的冷却。 功率调节系统 功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的PWM变流器，他能够在四象限快速、独立的控制有功和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特点。 监控系统
介入磁共振成像与 开放式磁共振成像系统 Intervention M RI and Open M RI Sy stem 安科公司 (深圳518067) 曾晓庄 Analogic Scientific,Inc. Zeng X iaozhuang 介入性诊疗技术及微创外科技术(以下统称介入性诊疗技术),可以使临床某些疾病由不可治变为可治,治疗的难度减小,手术的有创伤变成少创伤甚至无创伤,使患者免受或减轻手术之苦,且操作比较安全,治疗效果好,适于普及推广。对于提高某些心血管病、脑血管病、肿瘤等重大疾病的诊治水平,提高治愈率,减少病死率,延长生存期,改善生活质量发挥了重要作用。因而,尽管其临床应用只有很短的历史,但已引起医学界的广泛重视。 医学影像设备导向是完成介入性诊疗技术的关键。以往介入性诊疗技术在X射线、超声或CT引导下进行,现在已发展到用磁共振成像引导。由于在所有成像技术中具有最好的软组织分辨能力、可以多平面成像、可以描述流动且对温度敏感,磁共振成像正在成为一种强有力的介入工具。它可以大大地推动许多介入应用的发展,使这些手术更安全、更精确、更有效地进行,使更复杂的手术有可能作为日常微创手术介入进行。有专家认为,磁共振成像优越的软组织对比度与微创治疗生物医学工程技术的发展相结合,将完全革新对各种疑难病症的治疗。本文将介绍与介入性诊疗技术有关的磁共振成像技术的发展、应用及存在的问题。 1 影像引导的介入性诊疗技术的优点及基本问题 尽管技术上已有很大进展,微创手术中窥镜的视野仍然比常规手术中人眼的视野狭窄,特别是脊髓和中枢神经系统使用的微窥镜。窥镜的视野是两维的,外科医生实际上并不能精确地看到手术野中表面之下更深层的结构,只能依靠医生的经验与解剖结构方面的知识,凭想象去推测。正常解剖结构的变化,特别在类似胆管系这样的区域,可能使这种推测很不精确。受到穿刺介入方式及微创(包括窥镜及腹腔镜)手术入路的限制,及穿刺针、颅骨开口、刀口及窥镜孔眼限制,不可能看到整个解剖结构,需要某种形式的术内影像引导。 术内磁共振成像能提供第三维的信息,精确地识别在窥镜像平面下重要解剖结构的位置,指导更精确、更安全的切除,并防止伤害这些结构。在窥镜或微创器械顶端加装跟踪设备,可更大程度地拓展在困难位置(例如在脊髓内)进行窥镜手术的能力,精确确定血管内器械的位置;可相对于器械顶端交互地产生扫描平面,极大地增加血管内或腔内的成像能力。对于刚性窥镜,可使用导航系统;对于柔性设备,可以在它们顶端安装射频跟踪线圈。 理论上术内磁共振成像能更精确地引导外科医生达到目标,减少所需的入路切除量。这对于位于自然体腔的手术是重要的,
什么是超导电力技术 编者按：超导电力技术是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术。本文简要介绍了超导电力装置的特点及国际发展动态，概述了中科院电工所超导电力研究的发展情况 超导体具有诸多奇特的物理性质，如零电阻特性、完全抗磁特性、宏观量子相干效应等，利用超导体的这些特殊性质可以获得强磁场、储存电能、制作超导电力装置、实现磁悬浮以及测量微弱磁场信号等。 超导电力技术主要研究、开发各种超导电力装置、研究含超导装置的电力系统的各种特性，包括电力系统和超导电力装置的相互作用和影响、系统规划、设计、运行、控制、保护等。许多电力装备都可以采用超导体来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器和储能装置等，同时还可采用超导体研制出常规技术无法实现的新型电力设备，如超导故障电流限制器等。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等特点，在电力系统中应用超导技术可提高电机单机容量、提高电网的输送容量、降低电网的损耗、实现电能储存、限制短路电流，因而可以改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性，从而为电网向高效安全和超大规模方向发展提供了新的技术途径。 超导电力技术多年来一直受到了世界各国的重视，特别是1986年发现高超导材料以后，由于高超导体可以在比低超导体所需的液氦区（4.2K）高得多的液氮区（77K）下运行，高超导电力装置的研究更是备受重视。同时，由于美国和欧洲近年来相继发生了多次大的停电事故，因而促使西方和工业界进一步加快超导电力技术的研究步伐。1999年，美国开始了S PI（Superconductivity Partnership Initiative）研究计划，开展了如超导电机、超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮飞轮储能等项目的研究，在“美国电网2030”计划中，提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议，美国还在其海军舰船先进电力系统计划中列入了超导推进电机等研究项目。日本在20世纪90年代曾实施了SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心（ISTEC），其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。在欧洲，法国、德国、俄罗斯、以色列及印度等都相继开展了超导电力技术研究工作，韩国也于2001年制定了高超导技术的十年发展规划。中科院电工所在国家“863”计划和国家自然科学基金的支持下，于上世纪90年代初就逐步开展超导电力装置及其应用的研究。目前，包括我国在内的世界各国，在高超导输电电缆、高超导故障电流限制器、高超导电机、高超导变压器以及超导磁储能系统等研究方面，已取得实质性进展。 一、超导电力装置的特点及国际发展动态 在超导电力装置方面，国外研究开发的重点主要是高超导限电缆、高超导限流器、超导储能装置、高超导变压器、高超导电动机以及无功功率补偿用的高超导同步发电机等。 1.高超导电缆 高超导电缆采用无阻和高电流密度的高超导材料作为载流导体，具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆高3~5倍，而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。虽然在交流运行状态下，它也存在磁滞、涡流等损耗，即交流损耗，但超导电缆只要超过一定长度后，即使考虑到低冷却和终端所需的电能消耗，其输电损耗也将比常规电缆降低20％~70％。另外，高超导电缆是采用液氮作冷却介质，在结构上还可以使其磁场集中在电缆内部，从而防止对环境的污染。同时，液氮冷却的高超导电缆不会有漏油污染环境和发生火灾的隐患。随着大城市用电负荷的日益增加，高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响。因此，往往需要采用地下电缆将电能输往城市负荷中心。在这种情况下，采用高超导输电电缆有明显的优势，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。