一种快控电源系统及控制方法与流程

本发明属于脉冲电源技术领域，具体涉及多电容储能型串并联快控电源系统及控制方法。

背景技术：

超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的快速控制电源（简称快控电源）是一种具有电流源特性的大容量电压源型逆变器，其作用是控制输出电流实时跟踪等离子体漂移产生的位移信号，为真空室内部的快控线圈提供数千或数十千安培的励磁电流，形成磁场以维持等离子体在非圆截面时的动态平衡和准确位置，以抑制等离子体在大拉长形下的快速漂移。快控电源实际上是一种单相逆变电源，但与常规逆变电源不同的是电源的输出电流波形不是正弦波，其幅值和频率都具有很强的随机性，其电流必须根据等离子体电流在垂直方向上偏离平衡位置的位移来快速变化，使等离子体处于相对平衡的位置。同时该电源的负载电流要求纹波尽量小，为此应用移相PWM多重化技术以达到系统所需要求。通常要求用于EAST装置的快控电源能够输出数千或数十千安培的负载电流，并且要求电流的响应时间不超过1ms或者更快，而单台变流器很难实现如此大而快速的电流响应，为此采用多组变流器单元串并联的方式。某快控线圈输出电流波形要求如图1所示。从图中可看出该电源为短时大电流输出脉冲，通常大电流持续时间不超过1s。稳态输出电流为峰值电流的几十分之一。

目前运行的快控电源均是在中高压多电平变频器基础上改制而成。该电源由多组相同结构的变流器并联而成，单台变流器原理框图如图2所示，该变流器中所使用H桥模块单元结构图如图3所示。从图2、图3中可看出该变流器主要采用级联H桥拓扑结构，由于输入为交流电压，故在每个H桥模块单元前端增加三相隔离变压器和三相二极管整流桥，或者前端用一台或者多台多输出绕组的变压器等方式。

现有技术的缺点：快控电源系统使用图2所示结构虽然能满足EAST装置实验的要求，但也存在以下缺点：

1．每个H桥模块输入侧均通过隔离变压器供电。由于快控电源属于短时工作电源，即有充足的时间可用来给每个模块充电。过多的隔离变压器不仅增加了设备成本，还增加了设备所需安装空间。

2．每个H桥模块内均有三相二极管整流模块。过多的整流元器件使得快控电源系统出现失效的可能性得以提高，成本也相应增加。

3．由于瞬间脉冲电流很大，每个H桥模块内往往需要配较多的储能直流电容，因此必须配置专门的预充电回路，这样也增加了系统的体积和成本。

4．在大电流对负载放电的过程中，如果电容上的直流电压下降很快，会造成输入侧电流很大，对输入电网造成较大的冲击。

技术实现要素：

为了解决上述常用快控电源存在的这些缺点，本发明提供一种单充电回路的快控电源，其安装空间和设备成本均得以降低。

本发明具体采用如下技术方案：

一种快控电源系统，由一充电模块单元、一H桥级联多电平拓扑结构和一断路器组成，充电模块单元的输入端连接交流输入电源，输出端分别连接至H桥级联多电平拓扑结构中的每一个H桥单元，H桥级联多电平拓扑结构的输出端经断路器连接负载回路。

本发明还提供了快控电源系统的控制方法，采用分时充电方式，在给负载大电流/电压放电时，停止充电，所有H桥单元同时对负载放电，并通过对H桥单元中开关器件的控制来调整用于放电的储能电容的数量，调节电源的输出电压值；在小电流/电压放电或者停止放电的间隙期间，完成所有H桥单元中的储能电容的充电和放电过程。预充电时，断开断路器，采用同一充电模块单元进行预充电。

本发明优点：

1.本发明装置只采用了单一充电单元，通过适当的控制策略，采用适当的分时充电控制方式，即可完成对变流设备上所有的H桥单元直流侧储能电容的充电过程，拓扑结构简单可靠，设备操作和维护更加方便，同时节约了设备成本和安装尺寸。

2.采用了同一套充电单元，断开后端的断路器，即可完成全部单元模块储能直流电容的预充电过程，预充电过程中效率高，充电单元利用率高，降低了成本。

附图说明

图1是快控电源输出电流波形图。

图2是常用快控电源用变流器拓扑结构图。

图3是带整流模块和储能电容的H桥单元模块。

图4是本发明快控电源使用的变流器拓扑结构图。

图5是H桥逆变单元结构图。

图6是充电单元U1结构图。

图7是具有能量回馈功能的充电单元U1结构图。

图8是充电单元给H桥模块单元充电结构图。

图9a是充电单元给单一H桥单元充电示意图。

图9b是充电单元和同极性输出H桥单元给H桥单元充电示意图。

图9c是充电单元和反极性输出H桥单元给H桥单元充电示意图。

图9d是充电单元给多个H桥单元串联充电示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明快控电源系统中变流器拓扑结构如图4所示，从图中可看出该变流器采用H桥级联多电平拓扑结构，每个桥臂单元由m（m≥1）个H桥单元串联而成。为了提高设备的输出电流等级，本发明装置采用n（n≥2）个单桥臂单元并联的方式。本发明电源结构中的某一时刻处于工作状态的H桥单元数均可根据设备负载需求进行调整。从图4中还可看出变流器的输出经断路器QF与线圈负载构成回路，线圈负载主要以电感为主，图中的R为线路与线圈的等效电阻。

本发明变流器中所使用H桥单元结构如图5所示，该结构中的储能电容为大容值电容。与常见结构不同的是，本发明变流器结构只采用单一充电模块单元U1，该单元的结构有两种，分别如图6、图7所示。从图6可看出，该充电单元由三相二极管整流器和IGBT斩波单元组成，三相二极管整流器将三相交流电压转化成直流电压，斩波单元主要起到调节输出电压和输出电流的作用。图7所示充电单元由三相IGBT桥式整流器和双向DC/DC单元组成。由于均采用的是双向器件，故可实现能量的双向流动。图7所示结构除可完成图6所示结构充电单元的功能外，还可回馈能量至电网中。图6、图7充电模块单元中的LC回路为滤波电路。图4中的H桥单元与图7所示带有能量回馈功能的充电模块单元的连接方式图如图8所示，图6所示连接方式与此类似。

由于快控电源属于短时大脉冲电流和长时间小电流工作方式的电源，故可利用分时充电的方式给变流器单元中的H桥单元的直流侧储能电容充电。在给负载大电流/电压放电时，停止充电，所有H桥单元同时对负载放电，并通过对H桥单元中开关器件的控制来调整用于放电的储能电容的数量，调节电源的输出电压值；在小电流/电压放电或者停止放电的间隙期间，完成所有H桥单元中的储能电容的充电和放电过程。对整个电源系统中各H桥单元进行预充电时，需将图4中断路器QF断开。充电可以每次只给一个H桥单元充电，该方式下每个H桥单元的直流侧电压均可充到充电模块单元U1的输出电压值，该方式下将不需要充电的模块旁路掉即可（H桥单元中的开关管S1、S2同时导通或者开关管S3、S4同时导通，该充电方式示意图如图9a所示）；也可以每次给多个H桥单元充电，该方式下各H桥单元直流侧的电压可大可小，可通过控制被充电H桥单元的输出电压极性来调节，在该状态下的各种充电方式示意图如图9b、9c、9d所示（由于模块数众多，为了简化说明图中只采用两个H桥单元为例）。从图9a-9d中可看出，只需更改控制策略即可实现各H桥单元直流侧电压的调节，而各H桥单元直流侧电压值具体和当前时刻所需电流值大小有关。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。