基于電容復用方案的超導電感儲能脈沖電源改進研究

高 宇，陳 毅，焦 燦，梁曉宇，李海濤

（山東理工大學，山東淄博 255000）

0 引言

目前，脈沖成形單元的儲能方式主要有電容儲能和電感儲能[1]。電容儲能方式具有組合靈活、配置方便及輸出功率大的優勢，但是傳統電容儲能密度較低。相比電容儲能而言，電感儲能密度較高，體積小。但是傳統電感的電阻損耗大，不利于長時間儲能[2]。隨著超導技術的發展，超導電感儲能相比其他儲能方式具有更大儲能密度，損耗小、能夠長時間儲能的優點，在電磁發射領域中展現出良好的應用前景[3-4]。高溫超導脈沖變壓器是構建高溫超導電感能型脈沖成形單元的一種重要設備[5]。目前基于高溫超導脈沖變壓器的脈沖成形模式主要分為4 類：超導電感儲能和脈沖變壓器升流相結合模式；利用非線性電阻放電的脈沖成形模式；STRETCH Meat-grinder 模式及單諧振脈沖成形模式[6]。相比而言，單諧振脈沖成形模式可以輸出更高幅值的電流脈沖，而且能量傳輸效率較高。不過，單諧振脈沖成形模式輸出的電流脈沖脈寬較小，其轉換電容的儲能占電感總儲能的比例也較高，降低了系統整體的儲能密度[7]。為此，本文提出“電容復用”方法來提高輸出脈沖的寬度和系統的總儲能密度。以270 kJ 的超導脈沖電源（SPPS）系統為例，本文詳細描述了電容復用方法的電路概念設計及仿真驗證。

1 多模塊超導脈沖電源原理

吳銳等[7]基于基于超導儲能脈沖變壓器的單諧振電路脈沖成形方案，研制了高溫超導儲能脈沖變壓器。在此基礎上，將高溫超導儲能脈沖變壓器模塊化，參考XRAM拓撲原理設計了高溫超導儲能脈沖變壓器多模塊脈沖電源。其拓撲結構如圖1所示。

多模塊高溫超導脈沖變壓器的脈沖電源電路的放電過程可分為勵磁充電階段、續流階段和放電階段3個階段。

（1）勵磁充電階段：閉合開關k1斷開開關k2，初始充電電源對所有超導脈沖變壓器的原邊繞組串聯充電，每一個原邊繞組的儲能電流都相等。

（2）續流階段：閉合開關k1，使其分別構成兩個續流回路。由于原邊繞組在超導態電阻為零，充電結束后其兩端電壓非常小，則與其并聯的初始充電電源和電容器兩端的電壓也非常小，電容器在續流階斷的影響可以忽略。

（3）放電階段：超導脈沖變壓器的原邊繞組并聯連接和電容構成了LC振蕩電路。當原邊電流衰減到零并且電容器的電壓達到最大值時，電容器開始對原邊繞組反向充電。當電流達到最大負值時，晶閘管接通，電容器短路。同時，輸出電流由超導脈沖變壓器的副邊繞組感應，并由二極管整流。為了使每個模塊原邊繞組中的電流在振蕩過程中相對平均，每個模塊的超導儲能脈沖變壓器參數要求盡量保持一致。

圖1 多模塊脈沖電源拓撲

該脈沖電源結構簡單，損耗較低，產生電流脈沖峰值較高，但提供的脈沖寬度不足，其最大電容儲能能量占系統總儲能的比率較大，這在一定程度上削弱了電感儲能的優勢。

2 超導脈沖電源改進研究

為了解決上述問題，本文采用電容復用的方法改進SPPS電路：將高溫超導儲能脈沖變壓器多模塊脈沖電源電路進行分組，每組電路可以等效為一個基于XRAM 的子SPPS 電路，所有組在放電過程中共用同一電容。

為了分析電路方便，假設每個模塊的參數是相同的。考慮到HTSPPT 模塊之間互感的影響，脈沖電源并聯放電電路可以等效為單個模塊的放電電路[8]，如圖2 所示。利用該電路的特性，可以輕松進行參數計算和仿真分析。

等效電路中的原邊和副邊繞組電感分別等于原邊總電感Lp和副邊總電感Ls的1/n2，等效電路中的互感系數是所有繞組的互感系數之和的1/n倍，而且等效電路的一次電流ip是每個模塊電流ii_p的n 倍。利用此特征，可以簡化系統的參數計算和仿真。

如圖3所示，基于電容復用的脈沖電源改進電路由4組組成，每組等效為一個基于XRAM的子SPPS電路模塊。

圖2 多HTSPPT模塊脈沖電源并聯放電等效電路

圖3 基于電容復用方案改進的SPPS電路

基于電容復用的SPPS電路的工作過程可分為3個階段。

（1）第一階段

當主開關S11～S41閉合時，初級電源US1～US4開始對每個模塊的原邊電感LP1～LP4充電，原邊電流線性增加，直到電流達到預設值。原邊超導電感續流。在超導狀態下原邊繞組的電阻為零，初級電源和電容器的端電壓非常低，且系統的電能損耗非常低，該步驟可以持續相對長的時間。

（2）第二階段

閉合開關S1，斷開開關S11。原邊電感Lp1和電容C 組成半周期振蕩電路。超導電感LP1對電容C1充電，超導電感中電流快速衰減，副邊繞組LS1中電流增大以維持互感磁通不變。當電容器C1的電壓達到最大值時，超導電感LP1被電容器C1反向充電，這使副邊繞組LS1中的電流進一步增加，轉移到負載的能量隨之增加。當超導電感LP1達到反向最大值時，閉合開關S12，電流經由二極管D11續流。

（3）第三階段

閉合開關Sn并斷開開關Sn-1控制第n（n＝2,3,4）組模塊放電，放電步驟與第三步相同。電容C 僅工作在每一模組放電的半周期振蕩，因此其余模組在斷開開關Sn-1和閉合開關Sn時將共用電容C進行放電。

3 仿真分析

3.1 HTSPPT模塊的設計

本文設計的高溫超導脈沖變壓器原邊繞組由L1、L2、L3三個超導雙餅型線圈串聯構成，副邊繞組由L4、L5兩個常導單餅線圈并聯交錯連接于原邊繞組中。HTSPPT的結構及連接方案如圖4、圖5所示。

圖4 HTSPPT的結構

圖5 HTSPPT的連接方案

為了提高原邊繞組的載流能力，選擇Bi2223/Ag 帶材材料，因為其在自磁場中具有較高的臨界電流，而且其制造成本與運行成本也較低。Bi2223/Ag帶材的規格如表1所示。

表1 Bi2223/Ag帶材的規格

HTSPPT在副邊繞組的選擇上既可以為超導線圈，也可以為常導線圈。但若選擇超導帶材繞制副邊繞組，就需要大量的超導帶材進行并聯處理，難度較大。相比而言，常導線圈制作成本較低、導熱性能好且脈沖過載能力較高。綜上所述，本文采用銅繞組作為超導脈沖變壓器的副邊繞組，其最大載流密度為109A/m2，因此當副邊繞組在毫秒量級的脈沖載流能力為60 kA時，線圈導線橫截面積為60 mm2。副邊繞組由4 個單銅餅線圈并聯而成。HTSPPT 線圈的內半徑為78 mm，外半徑為113 mm，線圈之間的平均間距為1.27 mm，厚度為48 mm。為保證線圈之間的絕緣，線圈選用聚酰亞胺薄膜作為層間的絕緣材料，線圈外表使用玻璃纖維膠帶纏繞固定。

為了進一步分析脈沖電源電路，本文選擇72 個HTSPPT模塊的270 kJ 總能量系統，將它分為4 組，每組為具有18 個HTSPPT模塊的XRAM 脈沖電源電路。圖6 所示為一組18個HTSPPT模塊的結構。考慮到仿真中線圈的互感，18 模塊高溫超導脈沖變壓器原邊及副邊線圈均采取串聯方式，其原邊線圈的總電感為378.24 mH，副邊線圈的總電感為621.78 μH。當原邊線圈的電流為600 A 時，每個線圈中的最大磁場為2.79 T。HTSPPT線圈表面上的磁場和磁場矢量如圖7所示。由于所有HTSPPT模塊都是對稱的，因此選擇正x 軸上的HTSPPT 模塊，HTSPPT 模塊橫截面上的最大徑向磁場分量如圖8所示。從圖中可以看出，HTSPPT模塊的最大徑向磁場分量為1.38 T。在30 K 的溫度下，根據文獻[9]通過計算可以得到原邊的臨界電流略大于700 A。從系統的安全性和可靠性來考慮，將原邊電流設定為600 A。4 組的總能量為272.33 kJ。在并聯放電過程中，每組原邊繞組和副邊繞組的等效電感分別約為1.17 mH 和1.92 μH，耦合系數為0.971。SPPS電路中的電容器用于限制開關的電壓并回收漏磁通的能量，盡管最大電容能量與總感應能量的比值與電容無關，但是開關的電壓隨著電容值的減小而增加。此外，負載電流脈沖的上升時間也與電容器參數有關。考慮到這些因素，仿真中的電容參數設定為220 μF。所有開關的導通電阻設置為1 mΩ，斷態電阻設置為1 MΩ，副邊中負載和線路的電阻和電感選擇1 mΩ和1 μH。

圖6 18模塊環形結構模型

圖7 HTSPPT模塊表面的磁場和磁場矢量

圖8 位于正x軸上的HTSPPT模塊橫截面上最大徑向磁場分量

3.2 仿真結果分析

基于電容復用的SPPS的主要特征體現在放電過程中。為了研究該多模塊電路的放電過程，假設每組中的原邊電流已充電到預設值，并且每組中的能量已儲存。開關控制信號順序如表2所示，其中0表示低電平，1表示高電平。

表2 開關控制信號表

當每組SPPS 電路的原邊電流設置為600 A 時，仿真結果如圖9所示。從波形圖中可以看出，負載電流和電容電壓具有4個峰值，這4個峰值分別對應于圖3中4組子SPPS電路的放電過程。

圖9 仿真結果圖

由上述仿真波形列出仿真結果表，如表3 所示。在仿真中，電流脈沖的最大峰值為197.21 kA，脈沖半波寬度為5.56 ms。電容器的最大電壓為17.55 kV，最大電容能量與總感應能量之比為11%，遠低于基于XRAM 的SPPS 所得的42.41%。仿真結果表明，改進后的拓撲結構可以得到高寬度電流脈沖，可以得出結論：基于電容復用的超導脈沖電源改進電路可以提高整個系統的能量密度。

表3 仿真結果表

不過第1 組子SPPS 電路放電過程中電容器的電壓明顯高于其他組，這使最大電容儲能能量與電感總儲能之比受到影響。針對這個問題，作以下設想：如果電容器的電壓在第1組放電過程降低，最大電容儲能與電感總儲能之比也必會降低。為了驗證該設想，將第1 組子SPPS 電路中的原邊電流設定為500 A，而其他3 組的原邊電流仍設定為600 A，總感應能量為251.53 kJ。圖10所示為修改之后的負載電流和電容電壓的仿真波形。

圖10 修改后仿真波形圖

表4 所示為修改之后的負載電流峰值和電容電壓峰值的仿真結果表。仿真結果表明，負載電流脈沖的最大峰值降至187.81 kA，電容器電壓的最大峰值降至14.61 kV。負載電流和電容器電壓的降低主要發生在第一個峰值。最大電容能量與總感應能量之比降低至8.29%。這表明通過適當地減小第1組子SPPS電路的原邊電流可以進一步提高系統的儲能密度。

表4 修改后仿真結果表

4 結束語

本文提出了一種基于電容復用方法的改進SPPS 拓撲結構，并對其放電過程進行了仿真分析。仿真結果表明：基于電容復用方法改進的SPPS電流脈沖脈寬增大，最大電容能量所占電感總儲能的比值降低，系統的能量密度提高。