基于电容复用方案的超导电感储能脉冲电源改进研究

高 宇，陈 毅，焦 灿，梁晓宇，李海涛

（山东理工大学，山东淄博 255000）

0 引言

目前，脉冲成形单元的储能方式主要有电容储能和电感储能[1]。电容储能方式具有组合灵活、配置方便及输出功率大的优势，但是传统电容储能密度较低。相比电容储能而言，电感储能密度较高，体积小。但是传统电感的电阻损耗大，不利于长时间储能[2]。随着超导技术的发展，超导电感储能相比其他储能方式具有更大储能密度，损耗小、能够长时间储能的优点，在电磁发射领域中展现出良好的应用前景[3-4]。高温超导脉冲变压器是构建高温超导电感能型脉冲成形单元的一种重要设备[5]。目前基于高温超导脉冲变压器的脉冲成形模式主要分为4 类：超导电感储能和脉冲变压器升流相结合模式；利用非线性电阻放电的脉冲成形模式；STRETCH Meat-grinder 模式及单谐振脉冲成形模式[6]。相比而言，单谐振脉冲成形模式可以输出更高幅值的电流脉冲，而且能量传输效率较高。不过，单谐振脉冲成形模式输出的电流脉冲脉宽较小，其转换电容的储能占电感总储能的比例也较高，降低了系统整体的储能密度[7]。为此，本文提出“电容复用”方法来提高输出脉冲的宽度和系统的总储能密度。以270 kJ 的超导脉冲电源（SPPS）系统为例，本文详细描述了电容复用方法的电路概念设计及仿真验证。

1 多模块超导脉冲电源原理

吴锐等[7]基于基于超导储能脉冲变压器的单谐振电路脉冲成形方案，研制了高温超导储能脉冲变压器。在此基础上，将高温超导储能脉冲变压器模块化，参考XRAM拓扑原理设计了高温超导储能脉冲变压器多模块脉冲电源。其拓扑结构如图1所示。

多模块高温超导脉冲变压器的脉冲电源电路的放电过程可分为励磁充电阶段、续流阶段和放电阶段3个阶段。

（1）励磁充电阶段：闭合开关k1断开开关k2，初始充电电源对所有超导脉冲变压器的原边绕组串联充电，每一个原边绕组的储能电流都相等。

（2）续流阶段：闭合开关k1，使其分别构成两个续流回路。由于原边绕组在超导态电阻为零，充电结束后其两端电压非常小，则与其并联的初始充电电源和电容器两端的电压也非常小，电容器在续流阶断的影响可以忽略。

（3）放电阶段：超导脉冲变压器的原边绕组并联连接和电容构成了LC振荡电路。当原边电流衰减到零并且电容器的电压达到最大值时，电容器开始对原边绕组反向充电。当电流达到最大负值时，晶闸管接通，电容器短路。同时，输出电流由超导脉冲变压器的副边绕组感应，并由二极管整流。为了使每个模块原边绕组中的电流在振荡过程中相对平均，每个模块的超导储能脉冲变压器参数要求尽量保持一致。

图1 多模块脉冲电源拓扑

该脉冲电源结构简单，损耗较低，产生电流脉冲峰值较高，但提供的脉冲宽度不足，其最大电容储能能量占系统总储能的比率较大，这在一定程度上削弱了电感储能的优势。

2 超导脉冲电源改进研究

为了解决上述问题，本文采用电容复用的方法改进SPPS电路：将高温超导储能脉冲变压器多模块脉冲电源电路进行分组，每组电路可以等效为一个基于XRAM 的子SPPS 电路，所有组在放电过程中共用同一电容。

为了分析电路方便，假设每个模块的参数是相同的。考虑到HTSPPT 模块之间互感的影响，脉冲电源并联放电电路可以等效为单个模块的放电电路[8]，如图2 所示。利用该电路的特性，可以轻松进行参数计算和仿真分析。

等效电路中的原边和副边绕组电感分别等于原边总电感Lp和副边总电感Ls的1/n2，等效电路中的互感系数是所有绕组的互感系数之和的1/n倍，而且等效电路的一次电流ip是每个模块电流ii_p的n 倍。利用此特征，可以简化系统的参数计算和仿真。

如图3所示，基于电容复用的脉冲电源改进电路由4组组成，每组等效为一个基于XRAM的子SPPS电路模块。

图2 多HTSPPT模块脉冲电源并联放电等效电路

图3 基于电容复用方案改进的SPPS电路

基于电容复用的SPPS电路的工作过程可分为3个阶段。

（1）第一阶段

当主开关S11～S41闭合时，初级电源US1～US4开始对每个模块的原边电感LP1～LP4充电，原边电流线性增加，直到电流达到预设值。原边超导电感续流。在超导状态下原边绕组的电阻为零，初级电源和电容器的端电压非常低，且系统的电能损耗非常低，该步骤可以持续相对长的时间。

（2）第二阶段

闭合开关S1，断开开关S11。原边电感Lp1和电容C 组成半周期振荡电路。超导电感LP1对电容C1充电，超导电感中电流快速衰减，副边绕组LS1中电流增大以维持互感磁通不变。当电容器C1的电压达到最大值时，超导电感LP1被电容器C1反向充电，这使副边绕组LS1中的电流进一步增加，转移到负载的能量随之增加。当超导电感LP1达到反向最大值时，闭合开关S12，电流经由二极管D11续流。

（3）第三阶段

闭合开关Sn并断开开关Sn-1控制第n（n＝2,3,4）组模块放电，放电步骤与第三步相同。电容C 仅工作在每一模组放电的半周期振荡，因此其余模组在断开开关Sn-1和闭合开关Sn时将共用电容C进行放电。

3 仿真分析

3.1 HTSPPT模块的设计

本文设计的高温超导脉冲变压器原边绕组由L1、L2、L3三个超导双饼型线圈串联构成，副边绕组由L4、L5两个常导单饼线圈并联交错连接于原边绕组中。HTSPPT的结构及连接方案如图4、图5所示。

图4 HTSPPT的结构

图5 HTSPPT的连接方案

为了提高原边绕组的载流能力，选择Bi2223/Ag 带材材料，因为其在自磁场中具有较高的临界电流，而且其制造成本与运行成本也较低。Bi2223/Ag带材的规格如表1所示。

表1 Bi2223/Ag带材的规格

HTSPPT在副边绕组的选择上既可以为超导线圈，也可以为常导线圈。但若选择超导带材绕制副边绕组，就需要大量的超导带材进行并联处理，难度较大。相比而言，常导线圈制作成本较低、导热性能好且脉冲过载能力较高。综上所述，本文采用铜绕组作为超导脉冲变压器的副边绕组，其最大载流密度为109A/m2，因此当副边绕组在毫秒量级的脉冲载流能力为60 kA时，线圈导线横截面积为60 mm2。副边绕组由4 个单铜饼线圈并联而成。HTSPPT 线圈的内半径为78 mm，外半径为113 mm，线圈之间的平均间距为1.27 mm，厚度为48 mm。为保证线圈之间的绝缘，线圈选用聚酰亚胺薄膜作为层间的绝缘材料，线圈外表使用玻璃纤维胶带缠绕固定。

为了进一步分析脉冲电源电路，本文选择72 个HTSPPT模块的270 kJ 总能量系统，将它分为4 组，每组为具有18 个HTSPPT模块的XRAM 脉冲电源电路。图6 所示为一组18个HTSPPT模块的结构。考虑到仿真中线圈的互感，18 模块高温超导脉冲变压器原边及副边线圈均采取串联方式，其原边线圈的总电感为378.24 mH，副边线圈的总电感为621.78 μH。当原边线圈的电流为600 A 时，每个线圈中的最大磁场为2.79 T。HTSPPT线圈表面上的磁场和磁场矢量如图7所示。由于所有HTSPPT模块都是对称的，因此选择正x 轴上的HTSPPT 模块，HTSPPT 模块横截面上的最大径向磁场分量如图8所示。从图中可以看出，HTSPPT模块的最大径向磁场分量为1.38 T。在30 K 的温度下，根据文献[9]通过计算可以得到原边的临界电流略大于700 A。从系统的安全性和可靠性来考虑，将原边电流设定为600 A。4 组的总能量为272.33 kJ。在并联放电过程中，每组原边绕组和副边绕组的等效电感分别约为1.17 mH 和1.92 μH，耦合系数为0.971。SPPS电路中的电容器用于限制开关的电压并回收漏磁通的能量，尽管最大电容能量与总感应能量的比值与电容无关，但是开关的电压随着电容值的减小而增加。此外，负载电流脉冲的上升时间也与电容器参数有关。考虑到这些因素，仿真中的电容参数设定为220 μF。所有开关的导通电阻设置为1 mΩ，断态电阻设置为1 MΩ，副边中负载和线路的电阻和电感选择1 mΩ和1 μH。

图6 18模块环形结构模型

图7 HTSPPT模块表面的磁场和磁场矢量

图8 位于正x轴上的HTSPPT模块横截面上最大径向磁场分量

3.2 仿真结果分析

基于电容复用的SPPS的主要特征体现在放电过程中。为了研究该多模块电路的放电过程，假设每组中的原边电流已充电到预设值，并且每组中的能量已储存。开关控制信号顺序如表2所示，其中0表示低电平，1表示高电平。

表2 开关控制信号表

当每组SPPS 电路的原边电流设置为600 A 时，仿真结果如图9所示。从波形图中可以看出，负载电流和电容电压具有4个峰值，这4个峰值分别对应于图3中4组子SPPS电路的放电过程。

图9 仿真结果图

由上述仿真波形列出仿真结果表，如表3 所示。在仿真中，电流脉冲的最大峰值为197.21 kA，脉冲半波宽度为5.56 ms。电容器的最大电压为17.55 kV，最大电容能量与总感应能量之比为11%，远低于基于XRAM 的SPPS 所得的42.41%。仿真结果表明，改进后的拓扑结构可以得到高宽度电流脉冲，可以得出结论：基于电容复用的超导脉冲电源改进电路可以提高整个系统的能量密度。

表3 仿真结果表

不过第1 组子SPPS 电路放电过程中电容器的电压明显高于其他组，这使最大电容储能能量与电感总储能之比受到影响。针对这个问题，作以下设想：如果电容器的电压在第1组放电过程降低，最大电容储能与电感总储能之比也必会降低。为了验证该设想，将第1 组子SPPS 电路中的原边电流设定为500 A，而其他3 组的原边电流仍设定为600 A，总感应能量为251.53 kJ。图10所示为修改之后的负载电流和电容电压的仿真波形。

图10 修改后仿真波形图

表4 所示为修改之后的负载电流峰值和电容电压峰值的仿真结果表。仿真结果表明，负载电流脉冲的最大峰值降至187.81 kA，电容器电压的最大峰值降至14.61 kV。负载电流和电容器电压的降低主要发生在第一个峰值。最大电容能量与总感应能量之比降低至8.29%。这表明通过适当地减小第1组子SPPS电路的原边电流可以进一步提高系统的储能密度。

表4 修改后仿真结果表

4 结束语

本文提出了一种基于电容复用方法的改进SPPS 拓扑结构，并对其放电过程进行了仿真分析。仿真结果表明：基于电容复用方法改进的SPPS电流脉冲脉宽增大，最大电容能量所占电感总储能的比值降低，系统的能量密度提高。