中國電工技術學會将于2016年12月23日（周五）在北京鐵道大廈舉辦“2016第三屆軌道交通供電系統技術大會”。

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海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員馬偉明、肖飛、聶世雄，在2016年第19期《電工技術學報》上撰文指出，近年來随着電力電子技術的飛速發展，推動了電磁發射技術穩步走向工程應用。

本文列舉了電力電子技術在電磁發射儲能系統、脈沖功率變換系統、閉環運動控制系統中的典型應用，并對後續加快電力電子技術的發展提出了幾點建議。

電磁發射裝置是一類利用脈沖功率發生裝置産生的電磁力推動負載達到最大速度的裝置，它的實質是将電磁能變換為發射載荷動能的能量變換裝置[1-4]。電磁發射系統主要由儲能系統、脈沖功率變換系統、脈沖發射裝置和閉環運動控制系統四部分組成，如圖1所示。

圖1 電磁發射系統組成

電磁發射系統的工作原理是：儲能系統以較小的功率長時間地從電網吸收和存儲能量；當儲存的能量滿足發射所需後，一旦接收到發射命令，立即向脈沖功率變換系統釋放能量；脈沖功率變換系統将儲能系統釋放的電能變換為脈沖發射裝置工作所需的脈沖電能，産生電磁力推動發射體運動；閉環運動控制系統實時地控制發射體的運行軌迹，确保在預定的位置将其加速至設定的末速度，完成發射任務。

圖2展示了電磁發射技術在軍事領域及民用領域的廣泛應用需求和前景。以航母艦載機發射系統為例，相對于傳統的蒸汽發射，電磁發射具有過程可控性好、發射機種類多、應急響應快、出動率高、可維護性和适裝性良好等顯著優勢。

圖2 電磁發射技術應用

電磁發射本質上是能量的變換，為實現這一能量變換過程，需要應用大量的電力電子裝置及相适應的控制技術，對電力電子裝置在總體設計、拓撲結構選擇、控制系統設計以及輔助系統的設計等方面提出了很高的要求，具體體現在：

1發射過程具有超大功率、脈沖式、間歇循環式的工作特點，要求電力電子裝置具備大幅調節電流和電壓的能力；2可靠性要求極高，系統設計時在硬件和軟件上需采用冗餘設計；3在主電路拓撲結構的選擇和設計方面，受到單個開關器件功率等級的限制，通常需要進行器件級、單元級以及裝置級的串并聯集成；4發射過程中，控制對象呈現顯著的非線性特征，對參數辨識和控制器的設計提出極高的要求；5裝置之間的信息流錯綜複雜，對于控制系統的時序配合和同步提出了很高的要求；6在特定的應用場合下（如水上、水下、陸上移動平台上），對裝置的體積、重量、噪聲、散熱等方面提出了嚴苛要求，要充分考慮到電磁發射系統脈沖間歇式的工作特點，進行裝置設計和系統集成，以滿足系統的功能及性能指标。

綜上，正是由于電磁發射系統對電力電子裝置強烈的應用需求以及對性能、可靠性、适裝性等方面的極高要求，促進了電力電子技術在電磁發射系統中的應用和升級，推動了電力電子學科的發展。下文着重介紹電力電子技術在電磁發射儲能系統、脈沖功率變換系統以及閉環運動控制系統中的典型應用。

2 能量存儲與釋放技術

2.1儲能方案設計與對比

電磁發射裝置瞬時功率極大（100MW級至GW級），按能量的存儲形式，現有的儲能方案主要有三種：1化學儲能，如蓄電池、超級電容器和脈沖電容器等；2機械能儲能，如飛輪儲能；3超導儲能。

表1列舉了以上三種儲能方式的優缺點。超導儲能雖然具有能量密度大、效率高、響應速度快的優點，但由于運行環境要求苛刻、影響超導帶材失超的因素較多、體積重量較大等原因，暫時還處于機理研究及實驗樣機研制階段。結合電磁發射系統工程化和可靠性等方面的要求，下文主要介紹慣性儲能系統的逆變裝置和勵磁裝置、超級電容器充電裝置的設計和控制。

表1 三種儲能方式的對比分析

2.2功率柔性輸出逆變裝置的設計及控制

儲能系統逆變裝置的本質是一台具備變頻變壓調速功能的變頻裝置，能夠以較小的功率拖動或制動儲能電機[5-7]，采用大容量多電平電力電子變流器的模塊化設計方案[8，9]，其電路拓撲如圖3所示。

圖3 儲能逆變裝置主電路拓撲

儲能電機作為電磁發射系統的脈沖電源，其轉速在發射期間将發生大幅跌落。高轉速大突變系統的控制穩定性問題是儲能逆變裝置的關鍵問題，難點在于：

1轉速測量的時延，在高速系統中會造成更大的角度偏差，極大的降低了控制器的穩定裕度；2儲能電機始終工作在加速或減速過程，發射期間，儲能拖動電機轉速的急劇變化使得轉速的精确測量變得更加困難，嚴重時甚至會導緻磁鍊和轉矩解耦失敗；3儲能拖動電機的轉速突然劇烈變化，會導緻電機的輸出轉矩突然變化，從而使得電機輸出電流劇烈變化，從而增加了儲能逆變裝置對輸出電流的控制難度。

為解決高轉速大突變系統的控制穩定性問題，主要從以下幾方面進行改進：

1改進轉速測量算法，采用帶有轉速預估的隆伯格轉速觀測器進行轉速預估，從而盡量降低轉速測量的時延和誤差，保證在高速段轉速測量及角度測量的正确性；

2通過對高壓大功率IGBT三電平電路特點的分析，實現了儲能逆變裝置損耗的準确計算，優化逆變裝置的散熱設計，最大程度地提高逆變裝置的開關頻率；

3在控制算法中，基于輸出功率變化率限值，實時調整輸出功率的最大值，确保儲能裝置的輸出功率和功率變化率不超出限制，大大降低了儲能電機轉速大範圍快速變化時對電網的沖擊，實現逆變裝置對儲能拖動電機的柔性控制。

采用上述改進後，電機在高轉速和大突變條件下仍然可以實現轉矩電流的精确跟蹤，并保證控制的穩定性。電機轉速、d軸和q軸電流波形如圖4所示。

圖4 實驗驗證波形

2.3 儲能電機能量脈沖釋放控制技術

與普通發電機勵磁系統的要求不同，電磁發射儲能電機的勵磁裝置需要在很短時間内大幅度提高輸出功率，即快速強勵過程。勵磁裝置通過急劇增大勵磁機的勵磁電流來快速提高主發電機的勵磁電流，滿足電磁發射期間勵磁調節快速性的要求[10-12]。

圖5為儲能電機勵磁裝置及其控制系統原理框圖，勵磁裝置包括勵磁控制器、勵磁電流功率放大器、轉樞式勵磁機及旋轉整流器。勵磁系統的工作原理為：勵磁電流功率放大器在勵磁控制器控制下，向轉樞式勵磁機的勵磁繞組提供勵磁電流，實現第一級勵磁功率放大；勵磁機轉子電樞輸出交流電壓，經同軸的旋轉整流器向主發電機轉子上的勵磁繞組提供勵磁電流，實現第二級勵磁功率放大。

圖5 儲能電機勵磁控制系統原理框圖

為了滿足電磁發射所需的短時強勵功能，儲能電機勵磁裝置采用了以下措施：

1采用電壓雙象限H橋電路拓撲，克服了勵磁繞組平均電壓低與較高的勵磁電壓（勵磁電壓高響應速度快）導緻的PWM控制信号占空比過低的矛盾，大大提高了勵磁電流輸出調節的響應速度；

2針對儲能發電機轉速快速下降、輸出功率短時大幅線性增加的工況，采用前饋加雙閉環反饋的勵磁控制策略，提高了勵磁電流指令的變化速度，大大加快了控制系統電流環的響應速度和電壓環的調節精度；

3在前饋控制中分别引入電壓分量和電流分量的超前校正網絡，克服了系統大慣性時間常數造成的影響，進一步提高了系統響應速度[13-16]。

圖６為勵磁裝置在發射過程中的勵磁電源電壓、輸出電流和勵磁電源電流波形。可以看出勵磁電源電壓基本穩定，輸出電流和勵磁電源的電流呈線性增加。

圖6 勵磁裝置輸出線性增加的電流

2.4脈沖電容器儲能裝置的充電控制技術

電容型脈沖功率電源是導軌式電磁發射裝置的供電能源，其中脈沖電容器是其核心儲能元件。與傳統的電容器不同，因電磁發射作用時間短且儲能規模大，從而兼具超大能量和超高功率輸出的特點。以32MJ動能導軌式電磁發射為例，其單次輸出能量達百兆焦、瞬時輸出功率達數十吉瓦。在需要連續快速發射的場合，單一儲能難以滿足該要求。

海軍工程大學提出了導軌式電磁發射裝置應采用混合儲能方式供電，其原理如圖7所示，電路簡圖如圖8所示。混合儲能的核心思想是将電網能量在較長時間内以較小功率存儲在電池中，在需要發射時，在短時間内将能量傳遞至電容器中，最終在毫秒級瞬時以超大功率由電容器提供給負載。混合儲能利用化學儲能的高能量密度和物理儲能的高功率密度，實現了能量的壓縮和功率的放大。

圖7 電池 電容型混合儲能裝置原理圖

圖8 利用蓄電池對脈沖電容器充電電路簡圖

在直流斬波、恒壓充電和台階式充電等充電方式中，海軍工程大學提出了圖8所示的台階升壓式充電方式，用于實現電池對脈沖電容器的快速充電。台階升壓式充電結構簡單，具有近似恒流的輸出特性，且開關頻率低、損耗小。

為了實現能量轉移過程的精确控制，電池對脈沖電容器的充電采用雙環控制策略，外環采用均衡控制方法，降低蓄電池大倍率放電時的發熱量，保證放電一緻性，延長使用壽命；外環采用時序串聯控制方法，并引入時序重構算法，滿足對脈沖電容器的精準快速充電。

3 脈沖功率變換技術

儲能電機輸出的電能不能直接供給脈沖發射裝置，必須通過脈沖功率變換系統将電能經過交-直-交環節，變換成幅度、頻率、相位及相關動、靜态指标符合要求的電能。發射裝置如果采用分段供電的形式，還需要通過分段切換開關輸送給脈沖發射裝置。

3.1脈沖式整流裝置的設計

電磁發射脈沖整流裝置的輸出功率需從0到幾十MW迅速變化，且以脈沖間歇的特殊模式運行，裝置要承受劇烈的脈沖沖擊，這對其晶閘管觸發控制的精度和響應速度都提出了很高的要求。

脈沖功率變換整流裝置選擇可控矽作為開關器件，正常工作時，可控整流橋處于不控整流工作模式，此時最簡單、可靠的觸發方式為持續施加觸發脈沖。但在脈沖超大功率應用場合，持續觸發方式會帶來極大的暫态損耗；而如果采取實時相控來準确控制晶閘管觸發脈沖投切的話，由于整流橋輸入頻率、輸入電壓快速變化，并且輸入電壓波形畸變嚴重，給相控策略的實現帶來了很大難度，也将大大增加控制的複雜性，随之帶來裝置可靠性的下降。

針對電磁發射整流裝置特殊的工作特性，在綜合考慮觸發闆損耗與系統可靠性的基礎上，脈沖功率變換整流裝置的觸發脈沖采取脈沖列的形式，脈沖列的高、低電平占空比均為50%，既能保證晶閘管對觸發脈沖持續時間的要求，又能在較大程度上減小觸發闆損耗，觸發脈沖列如圖9所示。

同時針對晶閘管功率脈沖進行優化，觸發控制邏輯會主動撤除不必要的觸發脈沖來降低門極功耗，因而門極功耗安全裕量增大，可以使用更強的觸發脈沖來增強晶閘管的動态性能。大部分情況下依靠預觸發脈沖即實現了晶閘管的可靠導通，實際工作中觸發電路需要發送的觸發脈沖的數量很少，觸發控制策略能有效控制門極功耗。

圖10為晶閘管的端電壓、陽極電流和觸發脈沖波形，可見依靠預觸發脈沖即實現了晶閘管的可靠導通。

圖9 觸發脈沖電壓電流波形

圖10 晶閘管端電壓、陽極電流、觸發脈沖波形

3.2脈沖式逆變裝置的設計

脈沖式逆變裝置的單台容量達幾十MV·A，輸出電壓達幾千伏、輸出電流高達上萬安培，如何在現有開關器件功率等級、拓撲及控制方法的條件下，突破高壓多電平逆變器的關鍵技術具有極高的挑戰性[17，18]。

為了滿足電磁發射系統性能指标的要求，逆變裝置可采用如圖11所示的二極管鉗位H橋級聯混合九電平拓撲結構[19-22]，以二極管鉗位三電平半橋單元為基本單元的模塊化結構。

圖11 脈沖功率逆變裝置主電路拓撲

為了提高脈沖功率逆變裝置的電流輸出能力，結合大功率電力電子器件的發展現狀，脈沖功率逆變裝置采用了器件和裝置兩級并聯的思路：

1二極管鉗位式三電平半橋單元采用IGBT并聯技術，增加了開關器件的功率冗餘性，降低了工作損耗；

2主從兩台脈沖功率逆變裝置并聯工作，共同為脈沖發射裝置的一相定子繞組供電。受裝置的體積、重量以及線路壓降的限制，逆變器的輸出不宜配置均衡電抗器進行并聯，這對輸出電纜的布置以及主從逆變器控制脈沖的精确同步提出了嚴格要求。

IGBT并聯工作時，由于器件本身參數的分散性、驅動電路的不一緻性以及外圍電路分布參數的差别，将導緻并聯IGBT的靜态和動态電流不均衡。通過實驗發現，外圍電路對并聯均流的影響是主要因素。

通過對二極管鉗位三電平拓撲結構的各種開關邏輯切換的換流過程進行分析，對主回路複合母線結構的分層和進出線進行了初步設計，通過對複合母線開不同類型的電氣孔進行并聯器件外圍電路對稱性的匹配，确定了最佳的母線方案，母線模型如圖12所示。

圖12 複合母線Q3D模型

通過采取以上措施，并聯運行的逆變裝置均流效果良好，輸出電流波形如圖13所示，電流不均衡度控制在5%以内。

圖13 并聯逆變器輸出電流波形

3.3分段供電技術

在發射行程較長的應用場合，為了提高電磁發射系統的效率和功率因數，降低系統對電源容量需求，需要采用分段供電技術，利用位置傳感器實時檢測動子的運動位置，實時切換通電定子區間，實現與動子耦合的緊鄰數段定子模塊通電，而其他定子模塊不通電[23]。分段供電技術主要包括分段供電切換策略和切換開關設計技術。圖14為脈沖發射裝置分段供電的示意圖。

圖14 脈沖發射裝置分段供電示意圖

在段與段切換供電的過程中，電機不可避免地會出現錯位、并聯等特殊模态，切換不當甚至會出現缺相模态。不同的切換策略将會導緻直線電機出現不同的特殊模态，或者是特殊模态持續的時間有所不同。這些特殊模态會對發射推力造成不同程度的影響，必須對分段供電策略進行深入研究。

通過建立考慮分段切換供電暫态過程的脈沖發射裝置數學模型，對錯位、并聯、缺相等特殊模态進行定量研究，結果表明分段切換策略應遵循的基本設計原則是：絕對地避免缺相模式，盡可能減小并聯模态運行的時間。

采用三相電流過零時依次切換的方法，錯位模态不可避免，但錯位模态僅在切換的短暫過程中導緻電流尖峰，對發射推力的影響較小。

圖15 脈沖發射裝置分段供電拓撲結構

圖15為脈沖發射裝置分段供電的典型拓撲結構。電磁發射過程中，切換開關處于高電壓、大電流、溫度等應力疊加的暫态過程，對切換開關本體的可靠性提出了極高的要求。

理論和實踐證明，半導體器件失效、損壞以及性能劣化的絕大多數原因歸結為溫度超标。當工作電流大于500A時，采用雙面壓接是最可靠的散熱方式。大功率切換開關采用雙面壓接安裝方式，實現主電路的兩極同時散熱，熱阻最小，散熱效果最好。

在結構設計方面，兩隻晶閘管采用背靠背壓接的方式充當交流閥，并在它們的陽極與陰極之間并聯接入阻容吸收保護模塊，基于晶閘管反向恢複電荷動态特性，優化計算阻容吸收參數[24]，解決高壓大電流分段切換開關切換過程中易過電壓擊穿的技術難題，以保證分段切換開關的運行安全。

4 電磁發射的閉環控制技術

閉環控制系統是電磁發射系統的大腦，負責調節儲能系統的能量釋放，控制脈沖功率變換系統的能量輸出，對脈沖發射裝置輸出電磁力的精确控制，滿足不同發射載荷對速度和加速度的要求[25-27]。

圖16為閉環控制系統框圖。軌迹生成算法生成理想的發射軌迹曲線；位置觀測算法根據從位置傳感器獲得的位置編碼信息，觀測出直線電機動子的瞬時位置和速度；位置控制算法實時計算出動子實際軌迹精确跟蹤預設發射軌迹曲線所需的給定電磁力的大小；矢量控制算法計算直線電機定子所需的勵磁電流和轉矩電流；最後通過電流閉環控制算法獲得直線電機定子的電壓指令，下達給脈沖功率變換系統，實現了“信息流”對“能量流”的控制，保證發射目标的實現。

圖16 電磁發射閉環控制系統原理框圖

電磁發射系統由多個能量鍊組成，利用冗餘提高了可靠性，同時對多個能量鍊的同步控制和故障條件下的系統重構提出了極高的要求。

閉環控制系統采用：1計算同步、PWM脈沖同步等多種同步技術，既實現了多個儲能裝置功率和能量釋放的均衡控制，又實現了多台直線電機之間出力的均衡控制；2當一個能量鍊故障時，電機的磁路和電路均會發生改變，相應電機參數也會發生改變。電機閉環控制器能較好地适應控制對象的變化，在發射的恒加速階段維持了直線電機輸出電磁力的穩定。

針對電磁發射的直線電機存在多定子耦合、邊端效應、氣隙變化等非理想因素的問題，電機閉環控制器采取考慮耦合、不對稱性的控制方法，取得了很好的控制效果[28-30]；直線電機控制器具有較寬的調速範圍，實現了零轉速工況下的矢量控制；電機閉環控制器采用軌迹觀測與矢量控制結合的控制方法，通過優化設計給定軌迹，結合精确的軌迹控制算法，使得發射過程具備較好的位置跟随性能，很好地滿足了發射任務的要求，典型發射過程中的軌迹誤差如圖17所示。

圖17 閉環控制軌迹誤差

5 總結和展望

電磁發射由技術設想轉變成工程應用，标志着發射技術發生了曆史性的變革。随着電力電子裝置集成化、模塊化和能量密度的不斷提高，電磁發射技術将快速的升級換代，電磁發射系統的發射能力将快速增長，體積、重量、成本、系統複雜程度會降低，這将使得電磁發射的應用領域将迅速拓展。

除了在軍用武器發射形态領域的轉化應用外，電磁發射系統中的電力電子技術也可廣泛用于民用相關領域。例如将電機慣性儲能的關鍵技術應用于風電場，可以起到削峰填谷的作用，大大改善風力發電系統功率波動對電網的影響，對我國推廣大功率風力發電具有重要意義；将閉環控制技術應用于軌道交通系統，可以大大提升地鐵、高鐵的控制可靠性和自動化水平；将電磁發射技術應用到航天發射，具有發射成本低、環境污染小、可重複快速發射等優點。

同時，立足我國電力電子技術的發展，可在以下幾方面繼續深入開展應用及基礎研究，持續牽引和提升電力電子理論與技術發展：

1）深入器件内部，研究其工作機理，建立電力電子器件及其組合混雜系統多時間尺度的動力學表征，在此基礎上查明器件極端工況下的可靠性量化評估方法，進而建立電力電子器件盡限應用理論，實現電力電子混雜系統的精确設計，為電磁發射系統的高功率密度和高可靠性提供有力的支撐，特别是應用于艦船中壓大電流、短時脈沖間歇式工作等場合。

2）加強開展研究新結構、新材料的電力電子功率器件制備與應用研究，避免走跟蹤研仿的老路子，實現我國電力電子器件的跨越式發展。

3）研究電力電子電能變換數字控制中時延特性、量化誤差對裝置性能影響機理等基礎問題，并通過電力電子裝置控制網絡信息流的優化設計，實現能量流的精确控制。

4）開展基于多學科交叉的大容量電路級和系統級電力電子系統集成優化設計方法，充分發揮現有器件的性能，實現電力電子系統的集成化、模塊化、标準化和智能化，使電能變換和控制技術得以更新換代，彌補和減小由器件本身性能與國外的差距而造成的電力電子設備或系統性能的巨大差别。

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