高 宇，陳 毅，焦 燦，梁曉宇，李海濤

（山東理工大學(xué)，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(yōu)勢，但是傳統(tǒng)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(tǒng)電感的電阻損耗大，不利于長時(shí)間儲能[2]。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)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(shí)間儲能的優(yōu)點(diǎn)，在電磁發(fā)射領(lǐng)域中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[3-4]。高溫超導(dǎo)脈沖變壓器是構(gòu)建高溫超導(dǎo)電感能型脈沖成形單元的一種重要設(shè)備[5]。目前基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖成形模式主要分為4 類：超導(dǎo)電感儲能和脈沖變壓器升流相結(jié)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(zhuǎn)換電容的儲能占電感總儲能的比例也較高，降低了系統(tǒng)整體的儲能密度[7]。為此，本文提出“電容復(fù)用”方法來提高輸出脈沖的寬度和系統(tǒng)的總儲能密度。以270 kJ 的超導(dǎo)脈沖電源（SPPS）系統(tǒng)為例，本文詳細(xì)描述了電容復(fù)用方法的電路概念設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證。

1 多模塊超導(dǎo)脈沖電源原理

吳銳等[7]基于基于超導(dǎo)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(dǎo)儲能脈沖變壓器。在此基礎(chǔ)上，將高溫超導(dǎo)儲能脈沖變壓器模塊化，參考XRAM拓?fù)湓碓O(shè)計(jì)了高溫超導(dǎo)儲能脈沖變壓器多模塊脈沖電源。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

多模塊高溫超導(dǎo)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(xù)流階段和放電階段3個(gè)階段。

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

（2）續(xù)流階段：閉合開關(guān)k1，使其分別構(gòu)成兩個(gè)續(xù)流回路。由于原邊繞組在超導(dǎo)態(tài)電阻為零，充電結(jié)束后其兩端電壓非常小，則與其并聯(lián)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(xù)流階斷的影響可以忽略。

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

圖1 多模塊脈沖電源拓?fù)?/p>

該脈沖電源結(jié)構(gòu)簡單，損耗較低，產(chǎn)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(tǒng)總儲能的比率較大，這在一定程度上削弱了電感儲能的優(yōu)勢。

2 超導(dǎo)脈沖電源改進(jìn)研究

為了解決上述問題，本文采用電容復(fù)用的方法改進(jìn)SPPS電路：將高溫超導(dǎo)儲能脈沖變壓器多模塊脈沖電源電路進(jìn)行分組，每組電路可以等效為一個(gè)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(shè)每個(gè)模塊的參數(shù)是相同的。考慮到HTSPPT 模塊之間互感的影響，脈沖電源并聯(lián)放電電路可以等效為單個(gè)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(jìn)行參數(shù)計(jì)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(shù)是所有繞組的互感系數(shù)之和的1/n倍，而且等效電路的一次電流ip是每個(gè)模塊電流ii_p的n 倍。利用此特征，可以簡化系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算和仿真。

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

圖2 多HTSPPT模塊脈沖電源并聯(lián)放電等效電路

圖3 基于電容復(fù)用方案改進(jìn)的SPPS電路

基于電容復(fù)用的SPPS電路的工作過程可分為3個(gè)階段。

（1）第一階段

當(dāng)主開關(guān)S11～S41閉合時(shí)，初級電源US1～US4開始對每個(gè)模塊的原邊電感LP1～LP4充電，原邊電流線性增加，直到電流達(dá)到預(yù)設(shè)值。原邊超導(dǎo)電感續(xù)流。在超導(dǎo)狀態(tài)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(tǒng)的電能損耗非常低，該步驟可以持續(xù)相對長的時(shí)間。

（2）第二階段

閉合開關(guān)S1，斷開開關(guān)S11。原邊電感Lp1和電容C 組成半周期振蕩電路。超導(dǎo)電感LP1對電容C1充電，超導(dǎo)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(dāng)電容器C1的電壓達(dá)到最大值時(shí)，超導(dǎo)電感LP1被電容器C1反向充電，這使副邊繞組LS1中的電流進(jìn)一步增加，轉(zhuǎn)移到負(fù)載的能量隨之增加。當(dāng)超導(dǎo)電感LP1達(dá)到反向最大值時(shí)，閉合開關(guān)S12，電流經(jīng)由二極管D11續(xù)流。

（3）第三階段

閉合開關(guān)Sn并斷開開關(guān)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(guān)Sn-1和閉合開關(guān)Sn時(shí)將共用電容C進(jìn)行放電。

3 仿真分析

3.1 HTSPPT模塊的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組由L1、L2、L3三個(gè)超導(dǎo)雙餅型線圈串聯(lián)構(gòu)成，副邊繞組由L4、L5兩個(gè)常導(dǎo)單餅線圈并聯(lián)交錯(cuò)連接于原邊繞組中。HTSPPT的結(jié)構(gòu)及連接方案如圖4、圖5所示。

圖4 HTSPPT的結(jié)構(gòu)

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?yàn)槠湓谧源艌鲋芯哂休^高的臨界電流，而且其制造成本與運(yùn)行成本也較低。Bi2223/Ag帶材的規(guī)格如表1所示。

表1 Bi2223/Ag帶材的規(guī)格

HTSPPT在副邊繞組的選擇上既可以為超導(dǎo)線圈，也可以為常導(dǎo)線圈。但若選擇超導(dǎo)帶材繞制副邊繞組，就需要大量的超導(dǎo)帶材進(jìn)行并聯(lián)處理，難度較大。相比而言，常導(dǎo)線圈制作成本較低、導(dǎo)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(dǎo)脈沖變壓器的副邊繞組，其最大載流密度為109A/m2，因此當(dāng)副邊繞組在毫秒量級的脈沖載流能力為60 kA時(shí)，線圈導(dǎo)線橫截面積為60 mm2。副邊繞組由4 個(gè)單銅餅線圈并聯(lián)而成。HTSPPT 線圈的內(nèi)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(jìn)一步分析脈沖電源電路，本文選擇72 個(gè)HTSPPT模塊的270 kJ 總能量系統(tǒng)，將它分為4 組，每組為具有18 個(gè)HTSPPT模塊的XRAM 脈沖電源電路。圖6 所示為一組18個(gè)HTSPPT模塊的結(jié)構(gòu)?？紤]到仿真中線圈的互感，18 模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊及副邊線圈均采取串聯(lián)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(dāng)原邊線圈的電流為600 A 時(shí)，每個(gè)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(jù)文獻(xiàn)[9]通過計(jì)算可以得到原邊的臨界電流略大于700 A。從系統(tǒng)的安全性和可靠性來考慮，將原邊電流設(shè)定為600 A。4 組的總能量為272.33 kJ。在并聯(lián)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(shù)為0.971。SPPS電路中的電容器用于限制開關(guān)的電壓并回收漏磁通的能量，盡管最大電容能量與總感應(yīng)能量的比值與電容無關(guān)，但是開關(guān)的電壓隨著電容值的減小而增加。此外，負(fù)載電流脈沖的上升時(shí)間也與電容器參數(shù)有關(guān)?？紤]到這些因素，仿真中的電容參數(shù)設(shè)定為220 μF。所有開關(guān)的導(dǎo)通電阻設(shè)置為1 mΩ，斷態(tài)電阻設(shè)置為1 MΩ，副邊中負(fù)載和線路的電阻和電感選擇1 mΩ和1 μH。

圖6 18模塊環(huán)形結(jié)構(gòu)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(jié)果分析

基于電容復(fù)用的SPPS的主要特征體現(xiàn)在放電過程中。為了研究該多模塊電路的放電過程，假設(shè)每組中的原邊電流已充電到預(yù)設(shè)值，并且每組中的能量已儲存。開關(guān)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(guān)控制信號表

當(dāng)每組SPPS 電路的原邊電流設(shè)置為600 A 時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。從波形圖中可以看出，負(fù)載電流和電容電壓具有4個(gè)峰值，這4個(gè)峰值分別對應(yīng)于圖3中4組子SPPS電路的放電過程。

圖9 仿真結(jié)果圖

由上述仿真波形列出仿真結(jié)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(yīng)能量之比為11%，遠(yuǎn)低于基于XRAM 的SPPS 所得的42.41%。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得到高寬度電流脈沖，可以得出結(jié)論：基于電容復(fù)用的超導(dǎo)脈沖電源改進(jìn)電路可以提高整個(gè)系統(tǒng)的能量密度。

表3 仿真結(jié)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(gè)問題，作以下設(shè)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(yàn)證該設(shè)想，將第1 組子SPPS 電路中的原邊電流設(shè)定為500 A，而其他3 組的原邊電流仍設(shè)定為600 A，總感應(yīng)能量為251.53 kJ。圖10所示為修改之后的負(fù)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(fù)載電流峰值和電容電壓峰值的仿真結(jié)果表。仿真結(jié)果表明，負(fù)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(fù)載電流和電容器電壓的降低主要發(fā)生在第一個(gè)峰值。最大電容能量與總感應(yīng)能量之比降低至8.29%。這表明通過適當(dāng)?shù)販p小第1組子SPPS電路的原邊電流可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的儲能密度。

表4 修改后仿真結(jié)果表

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于電容復(fù)用方法的改進(jìn)SPPS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其放電過程進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：基于電容復(fù)用方法改進(jìn)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(tǒng)的能量密度提高。