混合储能脉冲电源中电容重复利用方案设计及仿真

魏佩瑜，李海涛，张新慧，王钦冰，宋春蕾

(1．山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049;2．淄博供电公司，山东淄博255000; 3．高青县供电公司，山东淄博256300)

混合储能脉冲电源中电容重复利用方案设计及仿真

魏佩瑜1，李海涛1，张新慧1，王钦冰2，宋春蕾3

(1．山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049;2．淄博供电公司，山东淄博255000; 3．高青县供电公司，山东淄博256300)

在基于超导电感-电容混合储能脉冲电源中，两个储能电感比值较大时转换电容的容量要求也较大，降低了超导储能的体积优势。针对这一问题，本文分析了转换电容对单模块电路工作特性的影响，提出了多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的设计思路，并以三模块为例对同时放电和延时放电模式进行了仿真验证。仿真结果表明:多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路可以共用一个转换电容支路，两种放电模式对负载电流脉冲都进行了改进，但同时放电模式进一步降低了超导储能的优势，而延时放电模式可大幅提高超导储能的优势。

脉冲功率;超导储能;电流脉冲;多模块

1 引言

脉冲功率技术是一门以现代科学研究和国防军事研究为基础发展起来的多学科交叉融合的新兴学科，在新概念武器及未来高速运载工具方面具有极大的应用潜力［1-3］。当前储能技术是脉冲功率技术研究的核心技术之一。电感的储能密度较高，但其主要问题是储能电感在断开放电时将在断路开关两端产生高电压［4］。

文献［5-7］中研究了一种电感-电容混合型储能电流倍增电路，使其在获得高储能密度的同时，又利用电容限制了放电时断路开关的高电压，降低了对断路开关的要求。文献［8］对于该电路拓扑用于导轨型电磁推进系统进行了仿真研究，分析了电路中各参数对系统的影响，给出了系统参数设计的基本原则。不过，由于电阻损耗的存在，传统电感仍然具有无法长期储能的缺点。高温超导电感具有储能密度高和可以长期储能的优点，而且与低温超导相比，其运行成本得到了大幅降低。目前已有较多关于高温超导储能脉冲功率技术的研究［9-11］，并已趋于成熟。高温超导储能与该电路模式相结合也可能产生较好的效果。

为了验证该模式的可行性，本课题组已对单模块的高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路进行了初步的实验研究［12］。实验结果表明该模式是可行的，不过也存在相应的问题。实验中为了增大高温超导储能的低损耗优势和提高输出变比，将该电路中参数值较大的电感用高温超导电感代替(主要用于储能)，而参数值较小的电感(主要用于感应出大电流脉冲，其峰值要远超过超导带材的临界电流)仍采用铜线圈。这使得转换电容的容量占总储能的比例较高，反而影响了高温超导储能的体积优势。针对上述问题，本文通过分析转换电容对单模块电路工作特性的影响，提出了多模块电路共用一个转换电容支路的设计思路，并以三模块为例进行了仿真验证和分析。

2 单模块电路分析

2.1 单模块电路结构

单模块电感-电容混合储能脉冲电源电路如图1所示［6，7］，它主要由充电电源、断路开关K1和闭合开关K2、两个互感为M的储能电感L1和L2、二极管D1和D2、转换电容C以及负载等组成。其中，L1主要用于储能，本文选择为高温超导储能电感;L2主要用于储能和感应出大电流脉冲，由于输出电流脉冲峰值远大于超导带材的临界电流，而多根超导带材的并联绕制较为困难，本文选为常导电感;电阻R1和R2可分别认为是高温超导储能电感的引线电阻和常导电感的内阻。

图1 单模块电感-电容混合储能脉冲电源电路Fig．1Capacitive hybrid meat-grinder circuit

2.2 基本工作原理

单模块电感-电容混合储能脉冲电源电路的工作过程可分为充电过程和放电过程。充电过程为负载工作前的准备阶段，该过程中K1闭合，K2断开，L1和L2异名端相连，串联充电，储能电感等效为L1+L2+2M。当储能电感电流达到预充值时，K2闭合，K1断开，L1和L2开始放电。根据转换电容C的状态，放电过程可分为三个阶段:电容充电阶段、电容放电阶段和二极管D1续流阶段。在电容充电和放电阶段，电感L1、LL和电容C构成半周期的LC振荡回路，电感L1通过电流iL1的振荡将一部分能量通过互感耦合至电感L2中，电感L2中的能量直接释放给负载。电流iL1完成半周期的振荡，达到反向最大值，再经二极管D1续流与iL2叠加给负载放电。

若忽略电路中的电阻损耗，I0表示放电前超导电感的初始储能电流，则电路中的响应为［5］:

式中

若定义负载电流最大值与电感初始储能电流的比值为电感-电容混合储能脉冲电源的电流倍增倍数N，表示为:

电流转换过程中，电容电压的最大值为:

根据断路开关和原边高温超导电感低温绝缘的限制，电容电压的最大值uCm应小于原边电压的上限Um，则电容取值要求为:

式(1)～式(6)可作为理想情况下，单模块电感-电容混合储能脉冲电源电路设计的基本依据。

2.3 转换电容影响分析

参考实验室现有高温超导储能脉冲变压器的参数［11］，同时为了验证高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路在两个储能电感比值较大时的可行性，选取基本参数L1=13mH，L2=10μH，耦合系数k =0.9，R1=R2=1mΩ。假设储能电感初始储能电流100A，改变转换电容的电容值，分别取10μF、20μF、50μF、100μF。仿真计算结果如图2所示，其中图2 (a)为负载获得的电流脉冲波形，图2(b)为储能电感或电容器的电压波形。

从仿真结果可以看到，随着电容器电容值的减小，负载回路获得的电流脉冲峰值随之增大，而且负载电流脉冲峰值出现的时间点逐渐提前，即负载电流脉冲前沿时间缩短。电路电感和负载的等效阻抗不变，由LCR振荡原理可知，电容值的减小使得电路振荡频率和幅度都增大，L2回路感应出的电流脉冲幅值也随之增大。

随着电容值的进一步减小，负载电流脉冲的增加量逐渐减小，而电容电压值的增加量则逐渐增大。电容两端的电压值较大时，对断路开关的要求较高，不利于断路开关工作，而电容的电压较低时，虽然可以降低对断路开关的要求，但负载电流脉冲峰值较低，电容的最大储能占总储能的比例也较高，降低了超导储能的优势，具体参数见表1。表1中，iLm为负载获得的电流脉冲幅值，tr为电流脉冲的上升沿时间，ECm/ELm为电容最大储能占超导电感总储能的比例。

图2 不同转换电容值影响的仿真结果Fig．2Simulation results with different capacitances

表1 不同转换电容值的仿真性能比较Tab．1Comparison of performance with different capacitances

3 多模块电路设计思路及其仿真

3.1 多模块电路设计思路

为了实现大电流脉冲输出，并体现高温超导储能的低损耗优势，单模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路需要保持高温超导电感L1较大，而常导电感L2要相对保持较小，这要求转换电容的容量增大［8］，降低了超导电感储能的体积优势。减小电容参数，可略减小转换电容容量，但效果并不很好，而且要受到断路开关承受电压的限制。从图2中可以看出，转换电容的作用主要在负载电流转换或上升沿阶段，考虑到实际应用中脉冲电源大多是多模块系统，因此可以通过开关组合实现多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路来提高电感储能的优势。

图3所示为多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的电路拓扑，其中Module_1、Module_2、…、Module_n为n个高温超导电感储能脉冲电源电路模块，S1、S2、…、Sn为电容支路对各个电路模块的选择开关。通过对选择开关不同的控制方式，该多模块电路模式可以实现不同电流脉冲波形。选择开关的两种控制时序如图4所示，其中图4(a)为多模块电路同时放电模式，图4(b)为多模块电路延时放电模式。

图3 多模块电感-电容混合储能脉冲电源共用电容电路Fig．3Multi-module meat-grinder circuit with common capacitor branch

图4 选择开关的控制时序Fig．4Control signals of selector switches

图4中，td为选择开关的开通延时，tw为选择开关的开通时间。为防止多模块延时放电过程中各模块输出电流对下一模块放电造成影响，td和tw的选择关系为:

3.2 多模块电路放电仿真

为方便实验验证，以2.3节单模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路参数为基本参数，转换电容取C=50μF，选择3个模块对多模块电路设计思路进行仿真，分析多模块电路共用一个电容支路的可行性。下面分别对多模块电路同时放电和延时放电方式进行仿真，在1ms时刻开始放电，仿真结果如图5和图6所示。

图5 多模块电路同时放电仿真结果Fig．5Simulation results with synchronous discharge

仿真结果显示，控制三个模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路同时放电，负载获得电流脉冲达到12.95kA，脉冲上升沿时间约为0.77ms，转换电容的电压峰值为1.60kV。这说明该多模块电路同时放电可以实现各模块输出电流脉冲的叠加，电流脉冲上升沿时间也明显缩短，不过转换电容的电压也将随着增大。控制3个模块电路延时放电，选择延时时间td刚好为各模块电路半个振荡周期T/2，负载电流脉冲宽度得到有效增加，电流脉冲的第一个峰值和上升沿时间与单模块的基本相同，而后面两个脉冲有较明显的提高，最高达到了6.30kA，转换电容的最高电压比单模块略有提高，最高只有0.88kV。这说明多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路可以共用一个转换电容支路，并实现电流脉冲宽度的调节。

图6 多模块电路延时放电仿真结果Fig．6Simulation results with delayed discharge

4 分析与讨论

通过对上述多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路的仿真研究可以得出，多模块电路同时放电和延时放电都可以对负载电流脉冲波形进行改进。不过，本文提出的多模块电路共用一个转换电容支路的设计思路主要为了减小转换电容的容量，从而提升高温超导储能电感在该电路模式中的体积优势。表2列出了对三种模式仿真得出的关键参数。

表2 不同放电模式的仿真性能比较Tab．2Performance compared with different discharge modes

通过比较可知，在三模块电路同时放电过程中，尽管可以实现输出电流脉冲的叠加和电流上升沿的大幅减小，但由于转换电容的电压峰值也增加了近两倍，使得转换电容的容量与电感总储能的比例有了大幅增加。而三模块电路延时放电过程中，负载电流脉冲的改进主要体现在脉宽的调节上，转换电容的最大电压峰值略有增大，使得转换电容的容量与电感总储能的比例有了大幅减小。也就是说，多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路同时放电模式会进一步降低超导储能的体积优势，而延时放电模式则会大幅提高超导储能的体积优势。因此，可以使用多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路同时放电和延时放电进行组合，来满足实际应用中负载对电流脉冲幅值、脉宽以及电源体积的要求。

5 结论

高温超导电感储能与电感-电容混合储能脉冲电源电路相结合，在电感比值较大的情况下，转换电容的容量相对总储能较大，降低了高温超导储能的体积优势。提出多模块高温超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的思路，通过设计和仿真可以得出:多模块电路同时放电模式对负载电流脉冲的幅值、上升沿有明显的改善，但会进一步降低超导储能的体积优势;延时放电模式不仅可以有效调节负载电流脉冲宽度，而且会大幅提高超导储能的体积优势。

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(，cont．on p.51)(，cont．from p.27)

Design and simulation of capacitor reusing mode for hybrid energy storage pulsed-power supply

WEI Pei-yu1，LI Hai-tao1，ZHANG Xin-hui1，WANG Qin-bing2，SONG Chun-lei3
(1．School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China;2．Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China; 3．Gaoqing Power Supply Company，Zibo 256300，China)

In the superconducting inductive-capacitive hybrid(meat-grinder)pulsed-power supply，the capacitance of switched-capacitor was also required to increase when the ratio of inductors was increased．It will reduce the volume advantage of superconducting magnetic energy storage．In the paper，the impacts of switched-capacitor on a single module circuit working characteristics have been analyzed，and a method that multi-module meat-grinder circuits share a switched-capacitor branch is proposed．In order to verify the method，this paper makes a simulation study of three-module with synchronous discharge mode and delay discharge mode．The result shows that multimodule meat-grinder circuits share a switched-capacitor branch is feasible．Both of the two discharge modes improve the load current pulse markedly，however，synchronous discharge mode reduces the volume advantage of superconducting magnetic energy storage further，while the delay time discharge mode can improve the advantages of superconducting energy storage significantly．

pulsed power;superconducting magnetic energy storage(SMES);current pulse;multi-module

TM836

A

1003-3076(2014)10-0023-05

2013-05-10

国家自然科学基金资助项目(51407112)

魏佩瑜(1960-)，女，山东籍，教授，主要研究方向为电工理论与新技术;李海涛(1984-)，男，山东籍，讲师，博士，主要研究方向为超导脉冲功率技术。