摘要：20世纪90年代以来，世界各国在重复脉冲强磁场电源系统研究领域陆续取得了成果。在本文中，通过研究现状、理论探究和仿真分析等方法，对应用于强磁场的重复脉冲电源拓扑开展研究，基于组合电容器以及蓄电池组的组合电源结构，提出了可实现能量回馈的重复脉冲电源拓扑。
关键词：重复脉冲电源组合电源能量回馈平顶脉冲电源拓扑
1重复脉冲电源发展现状
20世纪90年代以来，世界各国在重复脉冲强磁场电源系统研究领域陆续取得了成果。1995年，日本东北大学教授H.Nojiri等人实现了能够产生20T磁场的重复脉冲电磁系统，并在五年后实现1ms脉冲宽度、30T磁场的重复脉冲电磁系统，但由于电路有较大的能量损耗，使得难以产生脉宽较大的平顶脉冲[1]。在H.Nojiri的研究基础上，美国科学家C.H.Mielke等研究人员实现了30T/2Hz的双向重复脉冲电磁系统[2]，然而由于使用了反并联晶闸管作为开关器件，该电路不适用于大电感磁体。2009年以来，中国国家脉冲强磁场科学中心陆续研制出了8T磁场，1.2ms脉冲宽度，2Hz重复频率的重复脉冲系统[3]以及6.2T磁场，193ms脉冲宽度，4.2s周期的双向重复脉冲系统[4]，其不足之处在于系统规模明显增大，系统能量利用率低，难以实现大功率的平顶脉冲磁场。
2电路拓扑的提出
在目前可应用于重复脉冲电源系统的电源种类中，电容器、蓄电池组以及电感线圈较为常见。电容器型电源储能效率高，实际储能可达数十兆焦耳，电压高，输出电流变化快速，在短时间能够将全部储能释放给磁体负载。同时，电容器型电源储能系统结构简便、安全性高、维护方便，是当前比较常用的重复脉冲强磁场电源[5]。蓄电池型电源储能密度大，能量充足，输出电压稳定，其本身直接接入电路，即可实现一定参数的脉冲磁场[6]，但由于其电压比较低，把磁体内电流升到峰值需要的时间较长，重复运行时在磁体内发热较为严重，且能实现的峰值磁体电流较小。
基于目前对于蓄电池驱动长脉冲强磁场的研究以及电容器及蓄电池组等两种不同电源的特点，本文结合传统的重复放电全桥电路，利用电容器和蓄电池组电源组合轮流为磁体流供电，其电路拓扑如图1所示。
图1 应用电容器、蓄电池组合电源的重复电源系统拓扑
3重复拓扑的工作原理
在该电路中，两种电源在不同阶段分别承担不同的功能，可以充分发挥各自的特性，综合利用两者在脉冲电源系统中的优势。
系统采用直流电容器作为第一级电源，为磁体放电提供主要能量。电容器以谐振的方式对负载电感释放能量，产生脉冲大电流，形成脉冲电流上升沿；后以谐振的方式接受负载电流的反馈能量，形成可以形成较短的脉冲电流上升、下降沿；且经过小功率补偿充电后即可进行再次放电，可以满足电路快速重复充放电的性能要求。
系统采用蓄电池组作为第二级电源，在续流阶段为磁体电流提供补偿，提高输出的精度。在放电过程中，由于负载磁体和电路中存在电阻成分，放电电路中会产生相当的发热损耗。蓄电池组可以在续流阶段为电路提供稳定的电能补偿，延缓输出脉冲衰减的速度，等效延长输出脉冲宽度，且在单次充电后即可进行多次的重复放电。
4电路模型的搭建
对该拓扑的具体电路进行设计，其原理图如图2所示。
在所设计的电路中，电容器电源包括充电机和高电压大功率电容器两部分。电容器电源包括充电机和高电压大功率电容器两部分，两者并联后接在全桥电路的高压侧。蓄电池电源包括蓄电池组、控制开关以及二极管等部分，三者串联接入全桥电路中磁体的高压侧。重复放电全桥电路中包含可控开关器件以及二极管，为脉冲电流提供了放电、续流和馈能的回路。
图2两级重复放电电路原理图
该重复脉冲电路的运行可以分为两个过程：电源预充电过程和重复放电过程。其中重复放电过程又可以分为三个阶段：脉冲上升阶段、续流补偿阶段和能量回馈阶段。在电容器和蓄电池两级电源分别完成电源预充电之后，系统进入就绪状态，当接收到重复放电的指令之后，就可以进入重复放电过程。
5重复放电电路仿真波形
在MATLAB软件中搭建仿真模型，分别进行定负荷模型仿真计算。基于目前现有磁体的电气参数，设置负载为等效电感Lm=4.1mH，等效电阻Rm=3.7mΩ，控制目标为电流Itar=4kA，脉宽ttar=65ms的重复平顶脉冲电流。
图3两级电源电路重复放电仿真波形
通过对仿真波形分析，可以得出：
（1）脉冲放电电流可以在较短时间内产生、回收，平顶可以有效维持，组合电源电路工作性能符合预期。；
（2）单次放电结束后磁体能量能够实现基本回收，电容器电压能够恢复相当高的电压，能量回馈可以有效实现，满足重复放电需求；
（3）电路重复性能良好，多次放电运行一致性较高。
6总结与结论
本文根据电容器型电源以及蓄电池型电源的特点，提出了可以实现能量回馈的的两级重复脉冲电源拓扑。在该拓扑中，用电容器为磁体放电提供主要能量；用蓄电池组为平顶提供电能补偿；采用全桥电路，实现平顶脉冲输出和电容快速重复充放电。该电路拓扑可以满足重复脉冲电源系统的放电功能需求，且可以实现能量回馈，具有电路结构简单、能量利用率高的优点，有一定的实现价值。
参考文献
[1]Nojiri H， Motokawa M， Takahashi K， et al. 30 T repeating pulsed field system for neutron diffraction[J]. Applied Superconductivity IEEE Transactions on， 2000， 10(1):534-537.
[2]Boenig H J， Mielke C H， Robinson R A， et al. Design of a 16 kV， 100 kA， 2 Hz power supply for high-field， repetitively pulsed， split-pair magnets[C]// Pulsed Power Conference， 1999. Digest of Technical Papers. 12th IEEE International. IEEE， 1999:532-535 vol.1.
[3]Xu Y， Yang R， Xiang Y， et al. Design of a Novel Pulsed Power System for Repetitive Pulsed High Magnetic Fields[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2012， 22(3):5400104-5400104.
[4]Xu Y， Xiang Y M， Wan Q， et al. A Dual-Capacitors Type Energy Recovery Power System for Repetitive Pulsed High Magnetic Fields[J]. Journal of Low Temperature Physics， 2013， 170(5):488-495.
[5]肖后秀.脉冲强磁场装置及脉冲平顶磁场实现方法的实现[D].华中科技大学，2009.
[6]蒋成玺.脉冲强磁场电源系统设计及实现[D].华中科技大学，2013.
论文作者:李晋皓
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2019/1/2
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