海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員馬偉明、肖飛、聶世雄，在2016年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，近年來隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了電磁發(fā)射技術(shù)穩(wěn)步走向工程應(yīng)用。

本文列舉了電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射儲能系統(tǒng)、脈沖功率變換系統(tǒng)、閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，并對后續(xù)加快電力電子技術(shù)的發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

電磁發(fā)射裝置是一類利用脈沖功率發(fā)生裝置產(chǎn)生的電磁力推動負(fù)載達(dá)到最大速度的裝置，它的實(shí)質(zhì)是將電磁能變換為發(fā)射載荷動能的能量變換裝置[1-4]。電磁發(fā)射系統(tǒng)主要由儲能系統(tǒng)、脈沖功率變換系統(tǒng)、脈沖發(fā)射裝置和閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1 電磁發(fā)射系統(tǒng)組成

電磁發(fā)射系統(tǒng)的工作原理是：儲能系統(tǒng)以較小的功率長時間地從電網(wǎng)吸收和存儲能量；當(dāng)儲存的能量滿足發(fā)射所需后，一旦接收到發(fā)射命令，立即向脈沖功率變換系統(tǒng)釋放能量；脈沖功率變換系統(tǒng)將儲能系統(tǒng)釋放的電能變換為脈沖發(fā)射裝置工作所需的脈沖電能，產(chǎn)生電磁力推動發(fā)射體運(yùn)動；閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時地控制發(fā)射體的運(yùn)行軌跡，確保在預(yù)定的位置將其加速至設(shè)定的末速度，完成發(fā)射任務(wù)。

圖2展示了電磁發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求和前景。以航母艦載機(jī)發(fā)射系統(tǒng)為例，相對于傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)射，電磁發(fā)射具有過程可控性好、發(fā)射機(jī)種類多、應(yīng)急響應(yīng)快、出動率高、可維護(hù)性和適裝性良好等顯著優(yōu)勢。

圖2 電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用

電磁發(fā)射本質(zhì)上是能量的變換，為實(shí)現(xiàn)這一能量變換過程，需要應(yīng)用大量的電力電子裝置及相適應(yīng)的控制技術(shù)，對電力電子裝置在總體設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面提出了很高的要求，具體體現(xiàn)在：

1發(fā)射過程具有超大功率、脈沖式、間歇循環(huán)式的工作特點(diǎn)，要求電力電子裝置具備大幅調(diào)節(jié)電流和電壓的能力；2可靠性要求極高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時在硬件和軟件上需采用冗余設(shè)計(jì)；3在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)方面，受到單個開關(guān)器件功率等級的限制，通常需要進(jìn)行器件級、單元級以及裝置級的串并聯(lián)集成；4發(fā)射過程中，控制對象呈現(xiàn)顯著的非線性特征，對參數(shù)辨識和控制器的設(shè)計(jì)提出極高的要求；5裝置之間的信息流錯綜復(fù)雜，對于控制系統(tǒng)的時序配合和同步提出了很高的要求；6在特定的應(yīng)用場合下（如水上、水下、陸上移動平臺上），對裝置的體積、重量、噪聲、散熱等方面提出了嚴(yán)苛要求，要充分考慮到電磁發(fā)射系統(tǒng)脈沖間歇式的工作特點(diǎn)，進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成，以滿足系統(tǒng)的功能及性能指標(biāo)。

綜上，正是由于電磁發(fā)射系統(tǒng)對電力電子裝置強(qiáng)烈的應(yīng)用需求以及對性能、可靠性、適裝性等方面的極高要求，促進(jìn)了電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用和升級，推動了電力電子學(xué)科的發(fā)展。下文著重介紹電力電子技術(shù)在電磁發(fā)射儲能系統(tǒng)、脈沖功率變換系統(tǒng)以及閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

2 能量存儲與釋放技術(shù)

2.1儲能方案設(shè)計(jì)與對比

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

表1列舉了以上三種儲能方式的優(yōu)缺點(diǎn)。超導(dǎo)儲能雖然具有能量密度大、效率高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但由于運(yùn)行環(huán)境要求苛刻、影響超導(dǎo)帶材失超的因素較多、體積重量較大等原因，暫時還處于機(jī)理研究及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制階段。結(jié)合電磁發(fā)射系統(tǒng)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(tǒng)的逆變裝置和勵磁裝置、超級電容器充電裝置的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及控制

儲能系統(tǒng)逆變裝置的本質(zhì)是一臺具備變頻變壓調(diào)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(jī)[5-7]，采用大容量多電平電力電子變流器的模塊化設(shè)計(jì)方案[8，9]，其電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 儲能逆變裝置主電路拓?fù)?/p>

儲能電機(jī)作為電磁發(fā)射系統(tǒng)的脈沖電源，其轉(zhuǎn)速在發(fā)射期間將發(fā)生大幅跌落。高轉(zhuǎn)速大突變系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性問題是儲能逆變裝置的關(guān)鍵問題，難點(diǎn)在于：

1轉(zhuǎn)速測量的時延，在高速系統(tǒng)中會造成更大的角度偏差，極大的降低了控制器的穩(wěn)定裕度；2儲能電機(jī)始終工作在加速或減速過程，發(fā)射期間，儲能拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇變化使得轉(zhuǎn)速的精確測量變得更加困難，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦失?。?儲能拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速突然劇烈變化，會導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩突然變化，從而使得電機(jī)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(zhuǎn)速大突變系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性問題，主要從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：

1改進(jìn)轉(zhuǎn)速測量算法，采用帶有轉(zhuǎn)速預(yù)估的隆伯格轉(zhuǎn)速觀測器進(jìn)行轉(zhuǎn)速預(yù)估，從而盡量降低轉(zhuǎn)速測量的時延和誤差，保證在高速段轉(zhuǎn)速測量及角度測量的正確性；

2通過對高壓大功率IGBT三電平電路特點(diǎn)的分析，實(shí)現(xiàn)了儲能逆變裝置損耗的準(zhǔn)確計(jì)算，優(yōu)化逆變裝置的散熱設(shè)計(jì)，最大程度地提高逆變裝置的開關(guān)頻率；

3在控制算法中，基于輸出功率變化率限值，實(shí)時調(diào)整輸出功率的最大值，確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(jī)轉(zhuǎn)速大范圍快速變化時對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)逆變裝置對儲能拖動電機(jī)的柔性控制。

采用上述改進(jìn)后，電機(jī)在高轉(zhuǎn)速和大突變條件下仍然可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流的精確跟蹤，并保證控制的穩(wěn)定性。電機(jī)轉(zhuǎn)速、d軸和q軸電流波形如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證波形

2.3 儲能電機(jī)能量脈沖釋放控制技術(shù)

與普通發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的要求不同，電磁發(fā)射儲能電機(jī)的勵磁裝置需要在很短時間內(nèi)大幅度提高輸出功率，即快速強(qiáng)勵過程。勵磁裝置通過急劇增大勵磁機(jī)的勵磁電流來快速提高主發(fā)電機(jī)的勵磁電流，滿足電磁發(fā)射期間勵磁調(diào)節(jié)快速性的要求[10-12]。

圖5為儲能電機(jī)勵磁裝置及其控制系統(tǒng)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(zhuǎn)樞式勵磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器。勵磁系統(tǒng)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(zhuǎn)樞式勵磁機(jī)的勵磁繞組提供勵磁電流，實(shí)現(xiàn)第一級勵磁功率放大；勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞輸出交流電壓，經(jīng)同軸的旋轉(zhuǎn)整流器向主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組提供勵磁電流，實(shí)現(xiàn)第二級勵磁功率放大。

圖5 儲能電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)原理框圖

為了滿足電磁發(fā)射所需的短時強(qiáng)勵功能，儲能電機(jī)勵磁裝置采用了以下措施：

1采用電壓雙象限H橋電路拓?fù)?，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(yīng)速度快）導(dǎo)致的PWM控制信號占空比過低的矛盾，大大提高了勵磁電流輸出調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度；

2針對儲能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(huán)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(tǒng)電流環(huán)的響應(yīng)速度和電壓環(huán)的調(diào)節(jié)精度；

3在前饋控制中分別引入電壓分量和電流分量的超前校正網(wǎng)絡(luò)，克服了系統(tǒng)大慣性時間常數(shù)造成的影響，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度[13-16]。

圖６為勵磁裝置在發(fā)射過程中的勵磁電源電壓、輸出電流和勵磁電源電流波形?？梢钥闯鰟畲烹娫措妷夯痉€(wěn)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(shù)

電容型脈沖功率電源是導(dǎo)軌式電磁發(fā)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(tǒng)的電容器不同，因電磁發(fā)射作用時間短且儲能規(guī)模大，從而兼具超大能量和超高功率輸出的特點(diǎn)。以32MJ動能導(dǎo)軌式電磁發(fā)射為例，其單次輸出能量達(dá)百兆焦、瞬時輸出功率達(dá)數(shù)十吉瓦。在需要連續(xù)快速發(fā)射的場合，單一儲能難以滿足該要求。

海軍工程大學(xué)提出了導(dǎo)軌式電磁發(fā)射裝置應(yīng)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將電網(wǎng)能量在較長時間內(nèi)以較小功率存儲在電池中，在需要發(fā)射時，在短時間內(nèi)將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(fù)載?；旌蟽δ芾没瘜W(xué)儲能的高能量密度和物理儲能的高功率密度，實(shí)現(xiàn)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、恒壓充電和臺階式充電等充電方式中，海軍工程大學(xué)提出了圖8所示的臺階升壓式充電方式，用于實(shí)現(xiàn)電池對脈沖電容器的快速充電。臺階升壓式充電結(jié)構(gòu)簡單，具有近似恒流的輸出特性，且開關(guān)頻率低、損耗小。

為了實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移過程的精確控制，電池對脈沖電容器的充電采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)采用均衡控制方法，降低蓄電池大倍率放電時的發(fā)熱量，保證放電一致性，延長使用壽命；外環(huán)采用時序串聯(lián)控制方法，并引入時序重構(gòu)算法，滿足對脈沖電容器的精準(zhǔn)快速充電。

3 脈沖功率變換技術(shù)

儲能電機(jī)輸出的電能不能直接供給脈沖發(fā)射裝置，必須通過脈沖功率變換系統(tǒng)將電能經(jīng)過交-直-交環(huán)節(jié)，變換成幅度、頻率、相位及相關(guān)動、靜態(tài)指標(biāo)符合要求的電能。發(fā)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(guān)輸送給脈沖發(fā)射裝置。

3.1脈沖式整流裝置的設(shè)計(jì)

電磁發(fā)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(yùn)行，裝置要承受劇烈的脈沖沖擊，這對其晶閘管觸發(fā)控制的精度和響應(yīng)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硅作為開關(guān)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(fā)方式為持續(xù)施加觸發(fā)脈沖。但在脈沖超大功率應(yīng)用場合，持續(xù)觸發(fā)方式會帶來極大的暫態(tài)損耗；而如果采取實(shí)時相控來準(zhǔn)確控制晶閘管觸發(fā)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(yán)重，給相控策略的實(shí)現(xiàn)帶來了很大難度，也將大大增加控制的復(fù)雜性，隨之帶來裝置可靠性的下降。

針對電磁發(fā)射整流裝置特殊的工作特性，在綜合考慮觸發(fā)板損耗與系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，脈沖功率變換整流裝置的觸發(fā)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(fā)脈沖持續(xù)時間的要求，又能在較大程度上減小觸發(fā)板損耗，觸發(fā)脈沖列如圖9所示。

同時針對晶閘管功率脈沖進(jìn)行優(yōu)化，觸發(fā)控制邏輯會主動撤除不必要的觸發(fā)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(qiáng)的觸發(fā)脈沖來增強(qiáng)晶閘管的動態(tài)性能。大部分情況下依靠預(yù)觸發(fā)脈沖即實(shí)現(xiàn)了晶閘管的可靠導(dǎo)通，實(shí)際工作中觸發(fā)電路需要發(fā)送的觸發(fā)脈沖的數(shù)量很少，觸發(fā)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(fā)脈沖波形，可見依靠預(yù)觸發(fā)脈沖即實(shí)現(xiàn)了晶閘管的可靠導(dǎo)通。

圖9 觸發(fā)脈沖電壓電流波形

圖10 晶閘管端電壓、陽極電流、觸發(fā)脈沖波形

3.2脈沖式逆變裝置的設(shè)計(jì)

脈沖式逆變裝置的單臺容量達(dá)幾十MV·A，輸出電壓達(dá)幾千伏、輸出電流高達(dá)上萬安培，如何在現(xiàn)有開關(guān)器件功率等級、拓?fù)浼翱刂品椒ǖ臈l件下，突破高壓多電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)具有極高的挑戰(zhàn)性[17，18]。

為了滿足電磁發(fā)射系統(tǒng)性能指標(biāo)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(lián)混合九電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)。

圖11 脈沖功率逆變裝置主電路拓?fù)?/p>

為了提高脈沖功率逆變裝置的電流輸出能力，結(jié)合大功率電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀，脈沖功率逆變裝置采用了器件和裝置兩級并聯(lián)的思路：

1二極管鉗位式三電平半橋單元采用IGBT并聯(lián)技術(shù)，增加了開關(guān)器件的功率冗余性，降低了工作損耗；

2主從兩臺脈沖功率逆變裝置并聯(lián)工作，共同為脈沖發(fā)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(jìn)行并聯(lián)，這對輸出電纜的布置以及主從逆變器控制脈沖的精確同步提出了嚴(yán)格要求。

IGBT并聯(lián)工作時，由于器件本身參數(shù)的分散性、驅(qū)動電路的不一致性以及外圍電路分布參數(shù)的差別，將導(dǎo)致并聯(lián)IGBT的靜態(tài)和動態(tài)電流不均衡。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外圍電路對并聯(lián)均流的影響是主要因素。

通過對二極管鉗位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各種開關(guān)邏輯切換的換流過程進(jìn)行分析，對主回路復(fù)合母線結(jié)構(gòu)的分層和進(jìn)出線進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，通過對復(fù)合母線開不同類型的電氣孔進(jìn)行并聯(lián)器件外圍電路對稱性的匹配，確定了最佳的母線方案，母線模型如圖12所示。

圖12 復(fù)合母線Q3D模型

通過采取以上措施，并聯(lián)運(yùn)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%以內(nèi)。

圖13 并聯(lián)逆變器輸出電流波形

3.3分段供電技術(shù)

在發(fā)射行程較長的應(yīng)用場合，為了提高電磁發(fā)射系統(tǒng)的效率和功率因數(shù)，降低系統(tǒng)對電源容量需求，需要采用分段供電技術(shù)，利用位置傳感器實(shí)時檢測動子的運(yùn)動位置，實(shí)時切換通電定子區(qū)間，實(shí)現(xiàn)與動子耦合的緊鄰數(shù)段定子模塊通電，而其他定子模塊不通電[23]。分段供電技術(shù)主要包括分段供電切換策略和切換開關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)。圖14為脈沖發(fā)射裝置分段供電的示意圖。

圖14 脈沖發(fā)射裝置分段供電示意圖

在段與段切換供電的過程中，電機(jī)不可避免地會出現(xiàn)錯位、并聯(lián)等特殊模態(tài)，切換不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)缺相模態(tài)。不同的切換策略將會導(dǎo)致直線電機(jī)出現(xiàn)不同的特殊模態(tài)，或者是特殊模態(tài)持續(xù)的時間有所不同。這些特殊模態(tài)會對發(fā)射推力造成不同程度的影響，必須對分段供電策略進(jìn)行深入研究。

通過建立考慮分段切換供電暫態(tài)過程的脈沖發(fā)射裝置數(shù)學(xué)模型，對錯位、并聯(lián)、缺相等特殊模態(tài)進(jìn)行定量研究，結(jié)果表明分段切換策略應(yīng)遵循的基本設(shè)計(jì)原則是：絕對地避免缺相模式，盡可能減小并聯(lián)模態(tài)運(yùn)行的時間。

采用三相電流過零時依次切換的方法，錯位模態(tài)不可避免，但錯位模態(tài)僅在切換的短暫過程中導(dǎo)致電流尖峰，對發(fā)射推力的影響較小。

圖15 脈沖發(fā)射裝置分段供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖15為脈沖發(fā)射裝置分段供電的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電磁發(fā)射過程中，切換開關(guān)處于高電壓、大電流、溫度等應(yīng)力疊加的暫態(tài)過程，對切換開關(guān)本體的可靠性提出了極高的要求。

理論和實(shí)踐證明，半導(dǎo)體器件失效、損壞以及性能劣化的絕大多數(shù)原因歸結(jié)為溫度超標(biāo)。當(dāng)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(guān)采用雙面壓接安裝方式，實(shí)現(xiàn)主電路的兩極同時散熱，熱阻最小，散熱效果最好。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，兩只晶閘管采用背靠背壓接的方式充當(dāng)交流閥，并在它們的陽極與陰極之間并聯(lián)接入阻容吸收保護(hù)模塊，基于晶閘管反向恢復(fù)電荷動態(tài)特性，優(yōu)化計(jì)算阻容吸收參數(shù)[24]，解決高壓大電流分段切換開關(guān)切換過程中易過電壓擊穿的技術(shù)難題，以保證分段切換開關(guān)的運(yùn)行安全。

4 電磁發(fā)射的閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的能量釋放，控制脈沖功率變換系統(tǒng)的能量輸出，對脈沖發(fā)射裝置輸出電磁力的精確控制，滿足不同發(fā)射載荷對速度和加速度的要求[25-27]。

圖16為閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。軌跡生成算法生成理想的發(fā)射軌跡曲線；位置觀測算法根據(jù)從位置傳感器獲得的位置編碼信息，觀測出直線電機(jī)動子的瞬時位置和速度；位置控制算法實(shí)時計(jì)算出動子實(shí)際軌跡精確跟蹤預(yù)設(shè)發(fā)射軌跡曲線所需的給定電磁力的大??；矢量控制算法計(jì)算直線電機(jī)定子所需的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流；最后通過電流閉環(huán)控制算法獲得直線電機(jī)定子的電壓指令，下達(dá)給脈沖功率變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“信息流”對“能量流”的控制，保證發(fā)射目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖16 電磁發(fā)射閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

電磁發(fā)射系統(tǒng)由多個能量鏈組成，利用冗余提高了可靠性，同時對多個能量鏈的同步控制和故障條件下的系統(tǒng)重構(gòu)提出了極高的要求。

閉環(huán)控制系統(tǒng)采用：1計(jì)算同步、PWM脈沖同步等多種同步技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了多個儲能裝置功率和能量釋放的均衡控制，又實(shí)現(xiàn)了多臺直線電機(jī)之間出力的均衡控制；2當(dāng)一個能量鏈故障時，電機(jī)的磁路和電路均會發(fā)生改變，相應(yīng)電機(jī)參數(shù)也會發(fā)生改變。電機(jī)閉環(huán)控制器能較好地適應(yīng)控制對象的變化，在發(fā)射的恒加速階段維持了直線電機(jī)輸出電磁力的穩(wěn)定。

針對電磁發(fā)射的直線電機(jī)存在多定子耦合、邊端效應(yīng)、氣隙變化等非理想因素的問題，電機(jī)閉環(huán)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(jī)控制器具有較寬的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)速工況下的矢量控制；電機(jī)閉環(huán)控制器采用軌跡觀測與矢量控制結(jié)合的控制方法，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)給定軌跡，結(jié)合精確的軌跡控制算法，使得發(fā)射過程具備較好的位置跟隨性能，很好地滿足了發(fā)射任務(wù)的要求，典型發(fā)射過程中的軌跡誤差如圖17所示。

圖17 閉環(huán)控制軌跡誤差

5 總結(jié)和展望

電磁發(fā)射由技術(shù)設(shè)想轉(zhuǎn)變成工程應(yīng)用，標(biāo)志著發(fā)射技術(shù)發(fā)生了歷史性的變革。隨著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(fā)射技術(shù)將快速的升級換代，電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力將快速增長，體積、重量、成本、系統(tǒng)復(fù)雜程度會降低，這將使得電磁發(fā)射的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒀杆偻卣埂?/p>

除了在軍用武器發(fā)射形態(tài)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用外，電磁發(fā)射系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)也可廣泛用于民用相關(guān)領(lǐng)域。例如將電機(jī)慣性儲能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場，可以起到削峰填谷的作用，大大改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動對電網(wǎng)的影響，對我國推廣大功率風(fēng)力發(fā)電具有重要意義；將閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)，可以大大提升地鐵、高鐵的控制可靠性和自動化水平；將電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到航天發(fā)射，具有發(fā)射成本低、環(huán)境污染小、可重復(fù)快速發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)。

同時，立足我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，可在以下幾方面繼續(xù)深入開展應(yīng)用及基礎(chǔ)研究，持續(xù)牽引和提升電力電子理論與技術(shù)發(fā)展：

1）深入器件內(nèi)部，研究其工作機(jī)理，建立電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時間尺度的動力學(xué)表征，在此基礎(chǔ)上查明器件極端工況下的可靠性量化評估方法，進(jìn)而建立電力電子器件盡限應(yīng)用理論，實(shí)現(xiàn)電力電子混雜系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)，為電磁發(fā)射系統(tǒng)的高功率密度和高可靠性提供有力的支撐，特別是應(yīng)用于艦船中壓大電流、短時脈沖間歇式工作等場合。

2）加強(qiáng)開展研究新結(jié)構(gòu)、新材料的電力電子功率器件制備與應(yīng)用研究，避免走跟蹤研仿的老路子，實(shí)現(xiàn)我國電力電子器件的跨越式發(fā)展。

3）研究電力電子電能變換數(shù)字控制中時延特性、量化誤差對裝置性能影響機(jī)理等基礎(chǔ)問題，并通過電力電子裝置控制網(wǎng)絡(luò)信息流的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量流的精確控制。

4）開展基于多學(xué)科交叉的大容量電路級和系統(tǒng)級電力電子系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，充分發(fā)揮現(xiàn)有器件的性能，實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的集成化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，使電能變換和控制技術(shù)得以更新?lián)Q代，彌補(bǔ)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(shè)備或系統(tǒng)性能的巨大差別。

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