CN105515391B - 一种模块化超导储能连续脉冲功率电源 - Google Patents

Abstract

一种模块化超导储能连续脉冲功率电源，属于脉冲功率技术领域。其特征在于：单模块超导储能连续脉冲功率电源电路中的直流电源正极串联电源开关之后连接至高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端，直流电源负极连接原边绕组的非同名端，负载并联在副边绕组两端，在高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端和非同名端之间并联有桥式电路。本模块化超导储能连续脉冲功率电源，通过桥式电路，对高温超导脉冲变压器原边绕组漏感中的能量进行回收，并在下一个充电周期起始阶段释放给高温超导脉冲变压器原边绕组进行反馈充电，实现了连续充放电并且大大缩短了充电周期，提高了整个系统的能量传递效率和工作频率。

Description

一种模块化超导储能连续脉冲功率电源

技术领域

一种模块化超导储能连续脉冲功率电源，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

脉冲功率技术产生于20世纪30年代，是一种研究能量储存、压缩、转换和传输的技术，以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点，也称为高功率脉冲技术。其基本原理是：先将电能以较低的功率存储起来，再通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内将能量释放给负载，从而在负载上获得很高的功率脉冲。脉冲功率技术在许多应用基础和高技术研究领域中都有重要的应用前景，如在国防科技领域，脉冲功率技术可以为脉冲激光武器、粒子束武器、高功率微波武器、电化学炮、各种电磁弹射系统等新概念武器提供大功率脉冲电源；在现代科学研究领域，脉冲功率技术还可应用于受控核物理试验、强流粒子束加速器、脉冲强磁场、超高速碰撞力学以及半导体离子注入等研究方面；在民用工业领域，脉冲功率技术还可应用于机械加工、材料处理、环境治理、生物医疗等方面。由于应用的需求，人们不断对脉冲功率技术提出许多新的挑战，也促进了它向更广宽度发展。

当前，高密度储能技术是脉冲功率技术发展的关键技术之一，直接涉及整个脉冲功率系统装置的小型化、轻量化和紧凑化等问题。储能技术种类较多，目前最具代表性的是输出功率大、波形调制方便、组合灵活的电容器储能。不过，电容器的储能密度不高，很难降低脉冲功率装置的体积。电感储能密度比较高，但其缺点是电感线圈内阻耗能大，对初级电源要求高，不能长时间储能，放电过程中对断路开关要求也较高。

超导电感具有更大的储能密度，且损耗小、储能效率高、能够较长时间储能，在脉冲功率技术中展现出了良好的应用前景。而且随着高温超导材料生产技术的不断发展，超导电感的单位体积储能密度会越来越高，符合脉冲功率装置小型化和轻量化的要求。不过，断路开关问题仍是超导电感储能在脉冲功率技术中面临的主要问题。

在当前文献中，对解决电感储能脉冲功率技术中断路开关问题的研究方法主要有四种：

第一种是文献O. Liebfried and V. Brommer. A Four-Stage XRAM Generatoras Inductive Pulsed Power Supply for a Small-Caliber Railgun [J]. IEEETransactions on Plasma Science, 2013, 41(10): 2805-2809.和文献Y. Aso, T.Hashimoto, T. Abe, et al. Inductive Pulsed-Power Supply with Marx GeneratorMethodology [J]. IEEE Trans. Magn., 2009, 45(1): 237–240.研究的多模块电感串联充电并联放电的电源模式。它通过减小电感值，将更多的电感并联放电来实现电流的倍增和断路开关电压的减小。缺点是要实现高幅值电流脉冲的要求，则需要电感模块数非常巨大，使系统过于复杂。

第二种是文献Sitzman A, Suris D, Mallick J. Design, Construction, andtesting of an inductive pulsed-power supply for a small railgun [J]. IEEETrans on Magnetics, 2007, 43(1): 270-274.和文献X. Yu, H. Liu, J. Li, et al.Discussion on the Discharging Effects of Two STRETCH Meat Grinder ModulesWith Different Triggering Delays [J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2015, 43(5): 1469-1473. 研究的，以及专利申请号201210228710公布的基于自耦变压器原理的Meat-grinder电源模式。它通过两个电感的互感耦合作用实现电流脉冲的放大，再通过转换电容实现断路开关电压的限制，有效地减少了脉冲功率系统对电感模块数的要求。缺点是由于电流脉冲的幅值较高（远超过超导电感的临界电流），产生电流脉冲的耦合电感很难用超导电感代替，该电感的内阻使其在充电过程不能长时间储能。

第三种是文献M. Song, K. Cao, Y. Tang, D. Wang, S. Zhang, N. Zhou, andJ. Li, “Feasibility Research on Improving the Pulsed Current Output ofSuperconducting Inductor by Using HTS Air-Core Transformer,” IEEE Trans.Appl. Supercond., vol. 22, no. 3, pp. 5501004, Jun. 2012. 研究的和专利申请号2006101250531公布的多模块超导电感先串联充电再并联对超导脉冲变压器放电的电源模式。它通过对多模块超导电感先串联充电再并联对超导脉冲变压器放电来实现电流脉冲的放大，放电过程中利用非线性电阻限制断路开关的电压。该模式一方面可利用高温超导电感无内阻的优点长时间储能，另一方面可将并联放电倍增的电流脉冲再通过超导脉冲变压器进一步升流。缺点是能量传输效率较低，原边有较多剩余能量不能充分利用，且非线性电阻也消耗部分能量。

第四种是文献H. Li, Y. Wang, Y. Zhu, et al. Design and testing of ahigh temperature superconducting pulsed power transformer [J]. IEEETransactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(2): 5500205.提出的和专利申请号201510055727.4公布的基于超导脉冲变压器和电容器的单谐振放电电源模式。它通过控制开关，使高温超导脉冲变压器的原边绕组和电容器产生半个周期的振荡，从而使高温超导脉冲变压器的副边绕组产生高幅值的电流脉冲，断路开关的电压通过电容器限制。优点是可以实现多模块高温超导脉冲变压器的串联充电和并联放电，而且电容器可将部分漏感中的能量反馈给变压器，具有较高的能量传输效率。缺点是电流脉冲波形的调控性不好，而且并联放电的模块数越多，对电容电压的要求越高，不利于断路开关的限压。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在高温超导脉冲变压器原边绕组放电过程中将漏感中的能量进行回收，并在下一个充电周期的起始阶段将回收的能量对高温超导脉冲变压器原边绕组进行反馈充电，实现了连续充放电并且大大缩短了充电周期，提高了整个系统的能量传递效率和工作频率的模块化超导储能连续脉冲功率电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该模块化超导储能连续脉冲功率电源，其特征在于：由一组或多组单模块超导储能连续脉冲功率电源电路并联组成，每组单模块超导储能连续脉冲功率电源电路包括直流电源、电源开关、高温超导脉冲变压器以及负载，直流电源正极串联电源开关之后连接至高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端，直流电源负极连接高温超导脉冲变压器原边绕组的非同名端，负载并联在每组高温超导脉冲变压器的副边绕组两端，在高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端和非同名端之间并联有用于漏感能量回收和反馈充电的桥式电路。

优选的，所述的桥式电路包括脉冲电容器、两个二极管以及两个开关模块，第一个二极管以及第一个开关模块串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第一条回路，第二个开关模块以及第二个二极管串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第二条回路，脉冲电容器一端连接在第一条回路的二极管与开关模块之间，另一端连接在第二条回路的开关模块与二级管之间。

优选的，在所述的高温超导脉冲变压器的副边绕组中还设置有与负载形成续流回路的续流二极管以及防止负载中出现反向电流的反接二极管，高温超导脉冲变压器的副边绕组的非同名端连接该续流二极管的阴极以及负载一端，续流二极管的阳极以及负载的另一端同时连接反接二极管的阳极，反接二极管的阴极连接高温超导脉冲变压器的副边绕组的同名端。

优选的，所述的高温超导脉冲变压器的原边绕组采用高温超导电感线圈，副边绕组采用超导或常导线圈。

优选的，所述的高温超导脉冲变压器的原边绕组的匝数多于副边绕组的匝数，且原边绕组与副边绕组的耦合系数大于0.9。

优选的，所述的直流电源为直流电压源。

优选的，所述的开关模块为晶闸管。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本发明的模块化超导储能连续脉冲功率电源中，在高温超导脉冲变压器原边绕组的两端设置有用于回收漏感能量并进行反馈充电的桥式电路，因此可以在放电周期中将高温超导脉冲变压器原边绕组漏感中的能量进行回收，并在下一个充电周期中将回收的能量再次转移到高温超导脉冲变压器原边绕组中，不仅使原边电感的充电时间大大缩短，提高了电流脉冲的连续输出频率，而且利用了上一个放电周期中脉冲电容器回收的能量，提高了整个系统的能量传递效率。

2、将高温超导脉冲变压器的原边绕组设置为高温超导电感线圈，将其副边绕组优选设置为常导线圈，在实现了相同效果的前提下，避免了现有技术中高温超导带材多匝并联绕制时工艺的限制，并在一定程度上降低了成本。

3、通过在每一个单模块超导储能连续脉冲功率电源中设置脉冲电容器，起到了限压的作用，使原边超导绕组在放电瞬间不会出现高幅值电压脉冲，同时降低了系统对电源开关的功率要求。

4、通过设置由匝数较多的高温超导原边绕组和匝数较少的副边绕组构成的高温超导脉冲变压器，起到了降低电压提高电流的作用，因此在高温超导脉冲变压器的副边绕组中，可以通过电磁感应获得数值较大的脉冲电流值，相比较现有技术中电感串联充电并联放电的电源模式，在实现相同高幅值电流脉冲的前提下，需要的电感模块数量大大减少，使整个系统更为简洁。

5、通过控制晶闸管和电源开关的开通和关断时间，起到了调控输出脉冲宽度和工作频率的作用，增强了输出脉冲的调控性。

附图说明

图1为单模块超导储能连续脉冲功率电源电路原理图。

图2为模块化超导储能连续脉冲功率电源电路原理图。

具体实施方式

图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种模块化超导储能连续脉冲功率电源，包括多个并联连接的单模块脉冲功率电源。单模块脉冲功率电源，包括直流电压源、电源开关、高温超导脉冲变压器、脉冲电容器、晶闸管、二极管以及负载。其中晶闸管、二极管均设置有两个，并与脉冲电容器组成桥式电路。 在进行实际实施时，由于电路中会产生相对较大数值的电流或电压，因此二极管采用市面上可承受较大电流和电压的功率二极管（以下称作功率二极管）实现；晶闸管同样采用可承受较大电流和电压的大功率的晶闸管（以下称作大功率晶闸管）。如果单个器件承受电流或电压的能力不足，也可采用多个器件并联或串联的形式实现。

如图1所示，直流电压源VD1的正极串联开关K1之后同时连接大功率晶闸管S1、功率二极管D1的阴极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls1的同名端。直流电压源VD1的负极同时连接功率二极管D2、大功率晶闸管S2的阳极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls1的非同名端。大功率晶闸管S1的阳极连接功率二极管D2的阴极，功率二极管D1的阳极连接大功率晶闸管S2的阴极，脉冲电容器C1一端连接在大功率晶闸管S1与功率二极管D2之间，脉冲电容器C1一端连接在功率二极管D2与大功率晶闸管S1之间。

高温超导脉冲变压器副边绕组Lc1的同名端连接功率二极管D3的阴极，功率二极管D3的阳极同时连接功率二极管D4的阳极和负载的一端，高温超导脉冲变压器副边绕组Lc1的非同名端同时连接功率二极管D4的阴极和负载的另一端。

在图1所示的单模块超导储能连续脉冲功率电源中，高温超导脉冲变压器的原边绕组Ls1采用匝数较多的高温超导电感线圈；由于在实际工作时，高温超导脉冲变压器的副边绕组会产生较大的电流脉冲，远超过超导带材的临界电流，由于现有技术中超导线圈绕制工艺的限制，多匝带材并联绕制时工艺难度较大，因此高温超导脉冲变压器的副边绕组Lc1优选采用匝数较少的常导线圈，同时高温超导脉冲变压器的原、副边绕组耦合系数大于0.9。在图1所示的单模块超导储能连续脉冲功率电源中，通过设置由匝数较多的原边绕组和匝数较少的副边绕组构成的高温超导脉冲变压器，起到了降低电压提高电流的作用，因此在高温超导脉冲变压器的副边绕组中，可以通过电磁感应获得数值较大的脉冲电流值，相比较现有技术中电感串联充电并联放电的电源模式，在实现相同高幅值电流脉冲的前提下，需要的电感模块数量大大减少，使整个系统更为简洁。

如图2所示，模块化超导储能连续脉冲功率电源，由多个图1所示的单模块超导储能连续脉冲功率电源并联组成，在本模块化超导储能连续脉冲功率电源中，以并联设置的三组为例：除上述的第一组之外，在第二组单模块超导储能连续脉冲功率电源中，直流电压源VD2的正极串联开关K2之后同时连接大功率晶闸管S3、功率二极管D5的阴极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls2的同名端。直流电压源VD2的负极同时连接功率二极管D6、大功率晶闸管S4的阳极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls2的非同名端。大功率晶闸管S3的阳极连接功率二极管D6的阴极，功率二极管D5的阳极连接大功率晶闸管S4的阴极，脉冲电容器C2一端连接在大功率晶闸管S3与功率二极管D6之间，脉冲电容器C2一端连接在功率二极管D5与大功率晶闸管S4之间。

高温超导脉冲变压器副边绕组Lc2的同名端连接功率二极管D7的阴极，功率二极管D7的阳极连接功率二极管D8的阳极，同时与功率二极管D3的阳极一起并联在负载的一端，高温超导脉冲变压器副边绕组Lc2的非同名端同时连接功率二极管D8的阴极和负载的另一端。

在第三组单模块超导储能连续脉冲功率电源中，直流电压源VD3的正极串联开关K3之后同时连接大功率晶闸管S5、功率二极管D9的阴极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls3的同名端。直流电压源VD3的负极同时连接功率二极管D10、大功率晶闸管S6的阳极以及高温超导脉冲变压器原边绕组Ls3的非同名端。大功率晶闸管S5的阳极连接功率二极管D10的阴极，功率二极管D9的阳极连接大功率晶闸管S6的阴极，脉冲电容器C3一端连接在大功率晶闸管S5与功率二极管D10之间，脉冲电容器C3一端连接在功率二极管D9与大功率晶闸管S6之间。

高温超导脉冲变压器副边绕组Lc3的同名端连接功率二极管D11的阴极，功率二极管D11的阳极连接功率二极管D12的阳极，同时与功率二极管D3的阳极一起并联在负载的一端，高温超导脉冲变压器副边绕组Lc3的非同名端同时连接功率二极管D12的阴极和负载的另一端。在上述的三组高温超导脉冲变压器中，其原边绕组电感Ls1~Ls3为超导电感，副边绕组Lc1~Lc3为常导电感。

在上述的第二组和第三组单模块超导储能连续脉冲功率电源中，高温超导脉冲变压器的原边绕组Ls2~Ls3同样采用匝数较多的高温超导电感线圈，副边绕组Lc2~Lc3同样优选采用匝数较少的常导线圈，同时高温超导脉冲变压器的原、副边绕组耦合系数大于0.9。

如图2所示的模块化超导储能连续脉冲功率电源第一次充电过程为：首先闭合每个单模块超导储能连续脉冲功率电源中的电源开关：开关K1~K3，此时直流电压源VD1~VD3分别经过各自模块中的开关K1~K3与各自模块内高温超导脉冲变压器的原边绕组电感Ls1~Ls3形成回路并对相应的Ls1~Ls3进行充电，在保证每组高温超导脉冲变压器中原边绕组电感储存能量不失超（即高温超导脉冲变压器的原边绕组电感中的电流小于其临界值）的前提下，在达到预充电流后，每组单模块超导储能连续脉冲功率电源充电结束。

模块化超导储能连续脉冲功率电源的第一次放电过程为：当每个单模块超导储能连续脉冲功率电源中高温超导脉冲变压器的原边绕组电感Ls1~Ls3充电结束后，此时同时断开相应单模块超导储能连续脉冲功率电源中的开关K1~K3，高温超导脉冲变压器的原边绕组电感Ls1~Ls3分别经过各自模块内的功率二极管D1~D2、功率二极管D5~D6以及功率二极管D9~D10分别对各自模块内的脉冲电容器C1~C3放电，由各自模块中的脉冲电容器C1~C3分别将相应模块中的高温超导脉冲变压器的原边漏感能量进行回收，同时脉冲电容器起到了限压的作用，使原边超导绕组在放电瞬间不会出现高幅值电压脉冲，降低了系统对电源开关的功率要求。此时，在互感的作用下，各个单模块脉冲功率电源内高温超导脉冲变压器副边绕组电感Lc1~Lc3分别产生大电流脉冲，并同时在负载Load上并联叠加，形成更大幅值的电流脉冲。负载电流达到最大值之后，负载分别与每组高温超导脉冲变压器中的起到续流作用的二极管：功率二极管D4、功率二极管D8以及功率二极管D12形成续流回路。

自第二个充电过程开始，进入模块化超导储能连续脉冲功率电源周期性的连续充放电过程，其中周期性的连续充电过程为：当负载电流脉冲的脉宽达到设定的持续时间时，先驱动各模块内的大功率晶闸管S1~S2、大功率晶闸管S3~S4以及大功率晶闸管S5~S6导通，此时脉冲电容器C1~C3分别对各自模块内的高温超导脉冲变压器原边绕组电感Ls1~Ls3同时正向放电，脉冲电容器C1~C3将上一个放电周期中回收的漏感能量在该充电周期中转移给超导脉冲变压器的原边绕组电感Ls1~Ls3，实现对原边绕组电感Ls1~Ls3的反馈充电。

反馈充电结束后，第一组高温超导脉冲变压器的原边绕组Ls1通过大功率晶闸管S2、功率二极管D1或/和功率二极管D2、大功率晶闸管S1形成续流回路；第二组高温超导脉冲变压器的原边绕组Ls2通过大功率晶闸管S4、功率二极管D5或/和功率二极管D6、大功率晶闸管S3形成续流回路；第三组高温超导脉冲变压器的原边绕组Ls3通过大功率晶闸管S6、功率二极管D9或/和功率二极管D10、大功率晶闸管S5形成续流回路。此时，再闭合各模块中的电源开关：开关K1~K3，直流电压源VD1~VD3再次分别对高温超导脉冲变压器原边绕组电感Ls1~Ls3充电，直到达到预充电流值，该周期的充电过程结束。

在周期性的充电过程中，原边绕组电感Ls1~Ls3的同名端电压为正，因此在互感的作用下，相对应的副边绕组Lc1~Lc3的同名端同样感应电压为正，但由于在副边绕组中反向连接有功率二极管D3、功率二极管D7以及功率二极管D11，因此在副边绕组Lc1~Lc3中不会因感应电压出现方向相反的感应电流。

由上述在周期性的充电过程可知，相应单模块超导储能连续脉冲功率电源中的脉冲电容器C1~C3对上一个放电过程中的超导脉冲变压器原边电感Ls1~Ls3的漏感能量进行了回收，并在下一个充电过程中将回收的能量再反馈转移到高温超导脉冲变压器原边绕组电感Ls1~Ls3中，使得电压源VD1~VD3再次对相对应的原边绕组电感Ls1~Ls3进行充电时，相对应的原边绕组电感Ls1~Ls3中已存在有一定的能量，因此在周期性的充电过程中电压源VD1~VD3再次对相对应的原边绕组电感Ls1~Ls3的充电周期会大大缩短，提高了充放电的效率和工作频率，同时经过仿真得知，放电脉冲的波形曲线更为平滑，放电效果较好。同时通过对高温超导脉冲变压器原边绕组中大功率晶闸管和电源开关（开关K1~K3）的开通和关断时间进行控制，可以对电流输出的时间和频率进行控制，从而起到了调控输出脉冲宽度和工作频率的作用，增强了输出脉冲的调控性。

在模块化超导储能连续脉冲功率电中，本直流电压源VD1~VD3可通过蓄电池、开关电源或太阳能电池组实现。且为保证充放电过程的安全进行，防止工作过程中开关器件被击穿或烧坏，上述的各个功率二极管、大功率晶闸管均可采用多个功率二极管、大功率晶闸管串联或并联的形式组成。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：在本实施例中，每个单模块超导储能连续脉冲功率电中的大功率晶闸管S1~S6由其他类型的开关器件实现，如IGBT。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种模块化超导储能连续脉冲功率电源，其特征在于：由一组或多组单模块超导储能连续脉冲功率电源电路并联组成，每组单模块超导储能连续脉冲功率电源电路包括直流电源、电源开关、高温超导脉冲变压器以及负载，直流电源正极串联电源开关之后连接至高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端，直流电源负极连接高温超导脉冲变压器原边绕组的非同名端，负载并联在每组高温超导脉冲变压器的副边绕组两端，在高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端和非同名端之间并联有用于漏感能量回收和反馈充电的桥式电路；

所述的桥式电路包括脉冲电容器、两个二极管以及两个开关模块，第一个二极管以及第一个开关模块串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第一条回路，第二个开关模块以及第二个二极管串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第二条回路，脉冲电容器一端连接在第一条回路的二极管与开关模块之间，另一端连接在第二条回路的开关模块与二级管之间；

所述的高温超导脉冲变压器的原边绕组采用高温超导电感线圈，副边绕组采用超导或常导线圈。

2.根据权利要求1所述的模块化超导储能连续脉冲功率电源，其特征在于：在所述的高温超导脉冲变压器的副边绕组中还设置有与负载形成续流回路的续流二极管以及防止负载中出现反向电流的反接二极管，高温超导脉冲变压器的副边绕组的非同名端连接该续流二极管的阴极以及负载一端，续流二极管的阳极以及负载的另一端同时连接反接二极管的阳极，反接二极管的阴极连接高温超导脉冲变压器的副边绕组的同名端。

3.根据权利要求1或2所述的模块化超导储能连续脉冲功率电源，其特征在于：所述的高温超导脉冲变压器的原边绕组的匝数多于副边绕组的匝数，且原边绕组与副边绕组的耦合系数大于0.9。

4.根据权利要求1所述的模块化超导储能连续脉冲功率电源，其特征在于：所述的直流电源为直流电压源。