摘要:基于IGBT器件,利用DC/DC電源并聯(lián)技術(shù)設(shè)計大功率直流電源.該電源可用作EAST托卡馬克裝置中的大功率垂直位移快速控制直流電源&對該電源裝置進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)!獲得了較為滿意的動靜態(tài)性能.

      關(guān)鍵詞:EAST裝置;大功率直流電源;DC/DC并聯(lián)

      隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,很多場合需要大功率大電流的直流電源.EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源,其技術(shù)要求為:電壓響應(yīng)時間1ms峰值電壓50V;電流20kA,能實(shí)現(xiàn)4個象限的運(yùn)行.針對此要求,不可避免地需采用電源并聯(lián)技術(shù),即功率管并聯(lián)或電源裝置的并聯(lián).對于20kA直流電源,若采用功率管IGBT并聯(lián),每個橋臂則至少需15只功率管并聯(lián),這不但給驅(qū)動帶來很大困難,而且,在一般情況下,電流容量較大的功率管的電壓容量也較大,在實(shí)際電壓只有50V 的情況下,對功率管的電壓容量而言,這是極大的浪費(fèi).因此,提出采用多米諾結(jié)構(gòu)的DC/DC電源裝置并聯(lián)技術(shù)思路.

      對電源并聯(lián)系統(tǒng)的基本要求為:1)在電網(wǎng)擾動或負(fù)載擾動下保持輸出電壓穩(wěn)定;2)各模塊調(diào)制頻率一致.若不一致,則產(chǎn)生低頻脈動信號,增大輸出電流和電壓的紋波成分;3)控制各模塊電流,使其均分負(fù)載電流.

      1 大功率直流電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      DC/DC電源并聯(lián)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一種是采用輸入直流母線結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示,主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路,N 路DC/DC變換器,泵升電壓抑制電路等;另一種是采用獨(dú)立的AC-DC/DC電源并聯(lián),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示.

      采用圖1a所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)需大容量不可調(diào)直流電源,一般可采用整流變壓器降壓,二極管整流并經(jīng)電容濾波得到.這種結(jié)構(gòu)雖可保證并聯(lián)的每條支路有共同的直流電壓輸入,避免并聯(lián)支路因直流側(cè)輸入電壓不同而帶來的不均衡,但該直流電源的容量大,電流達(dá)20KA,直流母線承受的負(fù)荷過重,前級AC-DC設(shè)備要求較高,不易實(shí)現(xiàn).另外,輸入端共用母線不利于實(shí)現(xiàn)完全意義上的獨(dú)立電源模塊的并聯(lián).因此,采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

      圖1b所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨(dú)立性,即可實(shí)現(xiàn)直流電源裝置的并聯(lián),能夠根據(jù)實(shí)際的電壓,電流及功率的要求自由地增減模塊的個數(shù)!在實(shí)際應(yīng)用中有很大的空間,有一定的研究價值.但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有它不利的一面!即若變壓器輸出電壓略有差別,則每個整流模塊的輸出電壓將不同,從而造成各整流模塊輸出電流嚴(yán)重不平衡.

      不過,這種不平衡可采取如下相應(yīng)措施進(jìn)行抑制:首先,在采用獨(dú)立的AC-DC/DC電源并聯(lián)時,應(yīng)盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等;其次,針對由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡,可在DC/DC環(huán)節(jié)設(shè)置均流措施.DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調(diào)制方式(PDW),通過調(diào)節(jié)各DC/DC模塊的占空比使各回路的負(fù)載趨于平衡.當(dāng)電源模塊給定電流正負(fù)切換時,可實(shí)現(xiàn)不同象限的運(yùn)行,滿足系統(tǒng)4象限運(yùn)行的要求.

      2 大功率直流電源的控制方案

      在托卡馬克快控電源的應(yīng)用中,要求電源輸出電流實(shí)時跟蹤給定電流曲線.因此,該電源系統(tǒng)是電流隨動系統(tǒng),系統(tǒng)的快速性將是一較重要的性能指標(biāo).而控制方式的選擇將影響整個系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能指標(biāo).

      為更好提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的,實(shí)現(xiàn)電流跟隨性,采用兩級電流控制(圖2),即總電流環(huán)和模塊電流環(huán)相互配合,不僅可提高性能指標(biāo),且可實(shí)現(xiàn)各模塊電流的均衡.

      外環(huán)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時跟蹤,采用反饋加前饋的復(fù)合控制方式.復(fù)合控制中的前饋控制不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性.但卻可在不增大開環(huán)增益的情況下大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能.為達(dá)到控制效果.又不使前饋通道的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.前饋控制采用的是輸入信號的一階導(dǎo)數(shù),且加到信號的輸入端.內(nèi)環(huán)模塊電流環(huán)的主要功能如下.

      1)改造控制對象的傳遞函數(shù).

      2)限制電流輸出,同時又實(shí)現(xiàn)各電源模塊的均流.

      3 數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

      EAST等離子體垂直位移快控電源的均流是裝置并聯(lián)的一重要問題.監(jiān)控計算機(jī)和電源模塊的CPU數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式(圖3),即由每一電源模塊的CPU 負(fù)載實(shí)現(xiàn)各自的電流控制,并向監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送該電源模塊狀態(tài)信息,監(jiān)控計算機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)對各電源模塊的統(tǒng)一管理,包括向每個電源模塊發(fā)送啟動和停止指令。發(fā)送電流給定信號,采集直流輸出總電流,總電壓,交流輸入電壓及各電源模塊的交流電壓電流,直流輸出電流,溫度,熔絲斷,門禁等物理量等.同時與上EAST總控計算機(jī)及系統(tǒng)各電源模塊進(jìn)行通訊,完成各種數(shù)據(jù)信息的自動上報,下報.模塊的自動切除與投入等任務(wù).監(jiān)控計算機(jī)給每個電源模塊傳輸相同的給定電流!在電源模塊電流環(huán)的調(diào)節(jié)控制作用下,通過單片機(jī)的軟件編程,實(shí)現(xiàn)輸出相同的負(fù)載電流!獲得較好的均流效果.

      4 結(jié)語

      對于類似托卡馬克快控電源這樣的大容量且對其,象限運(yùn)行和電流跟蹤有較高要求的電源系統(tǒng),可采用多個獨(dú)立的中小容量的電源模塊通過并聯(lián)來滿足電源總?cè)萘康男枨?多電源的并聯(lián)面臨的一個關(guān)鍵問題是各組成模塊之間的均流.利用電源模塊的智能化和自動控制系統(tǒng)理論,使電源的各個組成模塊成為具有電流跟蹤能力的閉環(huán)系統(tǒng)!由控制規(guī)律而非硬件來實(shí)現(xiàn)各模塊之間的均流.如此形成的系統(tǒng)也將能夠滿足快控電源的快速電流跟蹤要求.這種設(shè)計方案所以能夠得到實(shí)現(xiàn).關(guān)鍵在于具備了以下條件:

     1)單片機(jī)在電源模塊和并聯(lián)系統(tǒng)中的嵌入式應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了裝置的智能化,大大提高了模塊調(diào)制頻率的一致性.有利于減小輸出電壓,電流的低頻紋波!克服了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)各模塊調(diào)制頻率一致性的缺點(diǎn).

     2)采用PWM技術(shù)DC/DC環(huán)節(jié)具有快速響應(yīng)能力;

     3)基于控制理論的電流跟蹤技術(shù)能以硬件均流不同的思路實(shí)現(xiàn)模塊之間的均流,通過監(jiān)控計算機(jī)的控制,向各模塊CPU 傳送相同的電流給定.實(shí)現(xiàn)電源模塊的靜態(tài)均流.

     在需要大功率輸出的場合.此系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景.符合電源系統(tǒng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢.