一种直流母线的暂态电压波动抑制装置及方法

1.本发明属于电子电力技术领域，具体地，涉及一种直流母线的暂态电压波动抑制装置及方法。


背景技术：

2.中国聚变工程试验堆(cfetr)负离子中性束注入器(nbi)样机的加速极电源(agps)是一个额定电压为-200kv/25a的高压电源，由于负载打火工况经常不确定地出现，在检测到打火工况后需要迅速将agps的整流器和逆变器关断，以避免继续向负载注入能量。由于逆变器关断速度比晶闸管整流器快很多，直流母线上将吸收整流器未关断时的能量，导致直流母线电压突然升高。这将使电源中的开关器件承受更高的电压应力，可能导致这些器件击穿，造成严重的故障。因此，直流母线电压突然升高的暂态波动必须得到限制。
3.为了降低直流母线电压的暂态波动，在直流母线上使用了大量的电容器。这些电容器降低了电源的功率密度，可靠性，并且一旦发生直流母线短路或桥臂直通故障，大量的电容将产生几百千安培的浪涌电流，这超出了现有的故障保护能力和加速极电源的承受水平，将产生严重的故障后果。
4.关于直流电压波动的抑制，目前已经有直流有源滤波器的相关发明，可以应用于输出电压稳态纹波补偿。但这些发明成果都是基于稳态工况，无法从直流母线上吸收暂态电流的能量，以抑制这些暂态电流在直流母线电压上造成的暂态电压波动。目前大多数有源滤波器应用于交流电网中，用于吸收电网中的谐波电流，但在直流系统中的应用明显更少。因此，现有技术中存在无法有效抑制直流母线的暂态电压波动，以及电容使用量多的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出一种直流母线的暂态电压波动抑制装置及方法，旨在解决变换器关断时间差异导致的直流母线电压波动大、电容使用量多的技术问题。实现了采用快速响应能力的模型预测控制方法，在暂态电压波动抑制装置上实现对直流母线电容暂态电流快速、准确地跟踪和补偿。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直流母线的暂态电压波动抑制装置，所述暂态电压波动抑制装置并联于直流母线，所述暂态电压波动抑制装置包括：主功率回路、测量电路、控制电路和驱动电路；
7.所述测量电路用于判断直流母线暂态电流的产生时刻，并测量当前时刻的暂态电流和所述主功率回路产生的补偿电流；
8.所述控制电路根据所述暂态电流和所述补偿电流得到开关信号；
9.所述驱动电路与所述主功率回路连接，将所述开关信号发送至所述主功率回路；
10.所述主功率回路包括由功率开关器件和电容组成的转移支路和由机械开关和电阻组成的放电支路，所述放电支路并联于电容两端；所述转移支路用于根据所述开关信号
控制功率开关器件的状态，以使电容吸收所述暂态电流，产生下一时刻的补偿电流，补偿所述暂态电流引起的暂态电压波动；所述放电支路用于根据所述开关信号控制机械开关闭合，将所述电容吸收的能量通过电阻释放。
11.可选的，所述主功率回路包括2个转移支路、2个放电支路和1个电感，每个所述转移支路包括1个功率半桥和1个电容，每个所述放电支路包括1个机械开关和1个电阻；
12.第一机械开关和第一电阻串联后整体并联在第一电容两端，所述第一电容的两端分别连接于第一功率半桥的上端和下端，所述第一功率半桥的中点连接于所述电感的第一端，所述电感的第二端连接直流母线的正极，所述第一功率半桥的下端连接第二功率半桥的中点；
13.第二机械开关和第二电阻串联后整体并联在第二电容两端，所述第二电容的两端分别连接于第二功率半桥的上端和下端，第二功率半桥的下端连接到所述直流母线的负极；
14.每个功率半桥由2个功率开关器件组成，每个功率半桥中所述功率开关器件互补导通或关断。
15.可选的，所述功率开关器件中包括二极管；
16.在直流母线正常工作时，所述功率开关器件和所述机械开关全部关断，每个功率半桥的电容通过所述二极管从直流母线充电。
17.可选的，所述电容cn的取值范围为：
[0018][0019]
其中，v
cm
是电容电压允许的最大值，n的取值为1或2，e
off
是暂态电流持续期间具有的能量，计算公式为：
[0020][0021]
所述电阻rn的取值范围为：
[0022][0023]
其中，t
rs
是暂态电压波动抑制装置需要补偿的暂态电流的周期，t
off
是待补偿的暂态电流的持续时间，n的取值为1或2；
[0024]
所述电阻rn需要满足的功率p
rn
为：
[0025][0026]
第二方面，本发明还提供了一种直流母线的暂态电压波动抑制方法，应用于第一方面中任一所述的直流母线的暂态电压波动抑制装置，包括：
[0027]
测量电路判断直流母线暂态电流的产生时刻，并测量当前时刻的暂态电流和主功率回路产生的补偿电流；
[0028]
控制电路获取所述暂态电流和所述补偿电流，并根据模型预测控制算法确定开关
信号；
[0029]
驱动电路将所述开关信号发送至所述主功率回路；
[0030]
所述主功率回路根据所述开关信号控制转移支路的功率开关器件的状态，以使电容吸收所述暂态电流，产生下一时刻的补偿电流，补偿所述暂态电流引起的暂态电压波动；所述主功率回路根据所述开关信号控制放电支路的机械开关闭合，将所述转移支路的电容吸收的能量通过电阻释放。
[0031]
可选的，所述测量电路测量当前时刻所述直流母线的整流器的电流，确定为所述暂态电流；
[0032]
所述测量电路测量当前时刻所述转移支路在电感l上产生的电流，确定为所述补偿电流。
[0033]
可选的，所述控制电路获取所述暂态电流和所述补偿电流，并通过模型预测控制算法确定开关信号，包括：
[0034]
当测量电路检测到直流母线产生暂态电流时，所述控制电路在一个采样周期中，遍历开关函数所有可能的组合，预测下一时刻采样周期的i
l
(k+1)和v
cn
(k+1)；
[0035]
计算每个预测的补偿电流的代价函数，选取最小代价函数值对应的开关信号作为目标开关信号；
[0036]
若测得当前时刻所述转移支路在电感l上产生的电流为i
l
(k)，则根据模型预测控制算法确定下一时刻的补偿电流i
l
(k+1)为：
[0037][0038]
电容的电压v
cn
(k+1)为：
[0039][0040]
其中，i
l
(k)是当前采样周期测量得到的补偿电流，v
dc
是直流母线的电压，l是主功率回路中的电感，c1和c2分别是主功率回路中的2个电容，v
c1
和v
c2
分别是主功率回路中2个电容的电压，r1和r2分别是主功率回路中的2个电阻，sn是主功率回路中2个功率半桥的开关函数；
[0041]
所述开关函数sn表示为：
[0042][0043]
其中，t
n1
为功率半桥中上开关器件，t
n2
为功率半桥中下开关器件，n取1或2，代表2个半桥中的某一个；功率半桥的输出电压用v
swn
表示，v
swn
＝v
cn
sn；
[0044]
代价函数g为：
[0045]
g＝|i
ct
(k+1)-i
l
(k+1)|+d|v
c1
(k+1)-v
c2
(k+1)|
[0046]
其中，d为权重系数，i
ct
为暂态电流，i
l
为补偿电流。
[0047]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0048]
(1)本发明提出了一种直流母线的暂态电压波动抑制装置，将电容与放电电阻结合，并允许装置上的电容电压大范围变化，与直接增加电容量相比，本发明体积小，抑制效果好，对暂态电流的大小和波形不敏感，具有较强的鲁棒性。
[0049]
(2)本发明的直流母线的暂态电压波动抑制装置的开关信号通过预测模型得到，并根据代价函数确定了最优的开关信号，与一般的闭环控制相比，它具有更好的动态性能，更加适合用于持续时间短的暂态工况，使装置更具有实用性，预测模型也可以为进一步研究暂态电压波动抑制装置提供理论基础。
[0050]
(3)本发明给出了关键电气参数的设计方法，使装置和电源直流母线所需的总电容量显著减少，能规避直流母线短路或桥臂直通故障造成的严重后果，增加电源的整体可靠性。
附图说明
[0051]
图1为本发明实施例提供的一种直流母线的暂态电压波动抑制装置的电路示意图；
[0052]
图2为本发明实施例提供的通过模型预测控制算法生成开关信号的流程图；
[0053]
图3为本发明实施例提供的直流母线的暂态电压波动抑制装置在加速极电源关断时的工作过程的电路仿真结果。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0055]
实施例
[0056]
如图1所示，一种加速极电源直流母线的暂态电压波动抑制装置，暂态电压波动抑制装置并联于直流母线2，用于补偿直流母线2的暂态电流；
[0057]
暂态电压波动抑制装置，包括：主功率回路11、测量电路(未示出)、控制电路(未示出)和驱动电路(未示出)；
[0058]
测量电路用于判断直流母线2暂态电流的产生时刻，并测量当前时刻直流母线2的暂态电流和主功率回路产生的补偿电流；
[0059]
控制电路根据暂态电流和补偿电流得到开关信号；
[0060]
驱动电路与主功率回路11连接，将开关信号发送至主功率回路11；
[0061]
主功率回路11包括由功率开关器件(t
11
、t
12
、t
21
和t
22
)和电容(c1和c2)组成的转移支路111和由机械开关(m1和m2)和电阻(r1和r2)组成的放电支路112，放电支路112并联于电容(c1或c2)两端；主功率回路11根据开关信号控制功率开关器件(t
11
、t
12
、t
21
和t
22
)和机械开关(m1和m2)的状态；主功率回路的转移支路111根据开关信号控制功率开关器件(t
11
、t
12
、t
21
和t
22
)的工作状态，以使电容(c1和c2)吸收暂态电流，产生下一时刻的补偿电流，补偿直流母线2的暂态电流引起的暂态电压波动；主功率回路的放电支路112根据开关信号控制机械开关(m1和m2)闭合，将电容(c1和c2)吸收的能量通过电阻(r1和r2)释放，使电容(c1和c2)电
压回到暂态电流补偿前的大小。
[0062]
在暂态电压波动抑制装置中，控制电路与测量电路、驱动电路和主功率回路连接，测量电路连接直流母线，驱动电路连接主功率回路；测量电路测量直流母线的电流，判断直流母线暂态电流的产生时刻，并测量当前时刻的暂态电流和补偿电流发送至控制电路；控制电路根据接收到的暂态电流和补偿电流产生开关信号，并将开关信号通过驱动电路发送至主功率回路，对主功率回路进行对应的控制。
[0063]
可选的，如图1所示，主功率回路包括2个转移支路111、2个放电支路112和1个电感，每个转移支路111包括1个功率半桥和1个电容，每个放电支路112包括1个机械开关和1个电阻。
[0064]
第一机械开关m1和第一电阻r1串联后整体并联在第一电容c1两端，第一电容c1的两端分别连接于第一功率半桥的上端a和下端b，第一功率半桥的中点e连接于电感l的第一端，电感l的第二端连接直流母线2的正极，第一功率半桥的下端b连接第二功率半桥的中点f；
[0065]
第二机械开关m2和第二电阻串联r2后整体并联在第二电容c2两端，第二电容c2的两端分别连接于第二功率半桥的上端g和下端h，第二功率半桥的下端h连接到直流母线2的负极；
[0066]
每个功率半桥由2个功率开关器件组成，每个功率半桥中所述功率开关器件互补导通或关断。
[0067]
图1中，v
dc
是加速极电源(agps)的直流母线电压，电压为2500v，c
dc
是加速极电源的直流母线电容，i
ct
是agps关断整流器和逆变器时的暂态电流。暂态电压波动抑制装置并联于直流母线，用于补偿直流母线的暂态电流。暂态电压波动抑制装置包括：主功率回路、测量电路、控制电路和驱动电路。如图1所示，主功率回路包括由功率开关器件和电容组成的转移支路和由机械开关和电阻组成的放电支路，转移支路中的t
11
、t
12
、t
21
、t
22
是4个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，分别两两相连组成两个半桥，两个半桥输出串联后，一端与agps直流母线的地电位连接，另一端通过电感l与直流母线的高电位连接。
[0068]
当agps正常工作时，控制器不产生开关控制信号，图1中4个igbt关断，t
12
和t
21
则完全关断，只有t
12
和t
22
中反并联的二极管导通，此时c1和c2从直流母线充电。
[0069]
当agps关断时，直流母线产生暂态电流，由于逆变器关断时间远小于整流器，直流母线的暂态电流i
ct
主要由整流器电流i
rt
构成，因此i
ct
约等于i
rt
。测量电路检测直流母线暂态电流的产生时刻，即agps关断时刻，在当前时刻对整流器的输出电流i
rt
采样。转移支路中的电容c1和c2吸收直流母线的暂态电流，转移支路通过控制功率开关器件在电感l上产生补偿电流；测量电路测量直流母线的暂态电流和主功率回路在电感l上产生的补偿电流，控制电路根据暂态电流和补偿电流在固定的采样周期ts中生成开关信号，主功率回路根据开关信号产生下一时刻的补偿电流，通过调整开关信号使得补偿电流与暂态电流大小相等，方向相反，从而减少直流母线电容的暂态电流，使直流母线暂态电压波动下降。直到暂态电流i
ct
下降到0时，该装置停止产生开关信号，此时，转移支路的电容电压v
cn
达到峰值，放电支路中的机械开关m1和m2导通，r1和r2作为放电电阻，通过电阻将电容c1和c2吸收的电能释放，使v
cn
下降，直到电容电压回到暂态电流补偿前，机械开关关断，然后等待下次agps的关断指
令。以上为该装置一个完整的工作周期。
[0070]
进一步的，由于两个半桥结构和参数完全相同，充电达到稳态时c1和c2的电容电压v
c1
和v
c2
都相等，且等于v
dc
/2。
[0071]
在agps关断后的暂态工作过程中，暂态电压波动抑制装置的开关信号模型预测控制算法确定，对图1所示暂态电压波动抑制装置的主功率回路电路的预测模型进行推导。
[0072]
可选的，转移支路由两个功率半桥输出串联，每个功率半桥由2个开关器件组成，每个功率半桥中开关器件互补导通或关断；
[0073]
当上开关器件导通、下开关器件关断时，此时该功率半桥的开关信号可以用开关函数sn＝1表示；当上开关器件关断、下开关器件导通时，此时该功率半桥的开关信号可以用开关函数sn＝0表示；其中，n取1或2，代表2个半桥中的某一个。
[0074]
功率半桥的开关状态可以用开关函数sn表示，为：
[0075][0076]
功率半桥的输出电压用v
swn
表示，v
swn
＝v
cn
sn。
[0077]
可选的，控制电路采用模型预测控制算法根据暂态电流和补偿电流确定开关信号；
[0078]
当测量电路检测到直流母线产生暂态电流时，所述控制电路在固定的采样周期ts中生成开关信号；
[0079]
若测得当前时刻电感l的电流为i
l
(k)，则根据模型预测控制算法确定下一时刻采样周期中暂态电压波动抑制装置的补偿电流i
l
(k+1)为：
[0080][0081]
电容的电压v
cn
(k+1)为：
[0082][0083]
其中，i
l
(k)是当前采样周期测量得到的补偿电流，v
dc
是直流母线的电压，l是主功率回路中的电感，c1和c2分别是主功率回路中的2个电容，v
c1
和v
c2
分别是主功率回路中2个电容的电压，r1和r2分别是主功率回路中的2个电阻，sn是主功率回路中2个功率半桥的开关函数。
[0084]
根据电容和电阻的伏安特性，当机械开关导通时，cn和rn支路的电流之和可以表示为：
[0085][0086][0087]
其中，i
l
为装置的电感电流。
[0088]
在控制系统中，所有的变量都是离散的，控制器对测量信号进行周期采样，并在定时器时间内执行计算过程，采样周期用ts表示。当前采样周期的电容电压可以表示为v
cn
(k)，下一采样周期的电容电压表示为v
cn
(k+1)。因此，将上述公式离散化后表示为：
[0089][0090][0091]
得到下一采样周期的电容电压为：
[0092][0093]
下一采样周期的电感电流为：
[0094][0095]
控制器的采样频率能达到几十khz，因此ts《《1s，上述公式中的t
s2
项可以忽略，上述公式简化后为：
[0096][0097]
在当前电容电压和电感电流已知的条件下，不同开关函数会在下一时刻产生不同的电容电压和电感电流。以上为该暂态电压波动抑制装置的预测模型。
[0098]
暂态电压波动抑制装置的电感电流i
l
在关断期间需要尽可能与c
dc
的暂态电流i
ct
一致，使投入该暂态电压波动抑制装置的电容暂态电流大幅减小，进而减小直流母线的暂态电压波动。因此i
ct
是该装置的参考电流，i
l
需要对i
ct
进行快速准确地跟踪。由于在每个采样周期内，两个半桥中的功率开关器件的不同导通状态对应不同的开关函数sn，产生不同的开关信号，可以产生不同的i
l
波形，为了达到所需的控制效果，需要对这些不同的开关状态进行评估。
[0099]
可选的，通过代价函数对不同开关信号对应的补偿电流i
l
进行评估，选取最小代价函数对应的开关信号作为目标开关信号，并根据目标开关信号对所述主功率回路进行控制，产生的补偿电流i
l
与暂态电流i
ct
大小相等，方向相反；
[0100]
代价函数g为：
[0101]
g＝|i
ct
(k+1)-i
l
(k+1)|+d|v
c1
(k+1)-v
c2
(k+1)|
[0102]
其中，d为权重系数，i
ct
为暂态电流，i
l
为补偿电流；在一个采样周期中，遍历开关函数(s1和s2)所有可能的组合，预测下一时刻采样周期的i
l
(k+1)和v
cn
(k+1)，并计算对应的代价函数g。
[0103]
由于本装置的两个半桥完全对称，因此两个电容(c1和c2)的电压差距很小，d可以取小一些，本示例取d为0.5。
[0104]
每个采样周期内，s1和s2都有0或1两种可能。因此开关状态的组合x有4种(即x＝0,
1,2,3)，这将使代价函数有四个不同的值，选择其中最小值对应的开关状态，说明这组开关信号可以使i
l
与i
ct
的差距最小，最符合我们的需要，该组开关状态就是当前采样周期需要的开关状态。控制器产生对应的开关控制信号，使该装置的电流接近i
ct
。和一般的比例-积分-微分(pid)闭环控制再产生脉冲宽度调制(pwm)的开关信号的控制方法相比，模型预测控制的动态性能更好，更适合用于agps的直流母线电容暂态电压波动的抑制。
[0105]
进一步的，根据模型预测控制算法确定开关信号的流程图如图2所示。当检测到agps的关断指令时，该装置开始工作，首先机械开关导通，装置吸收暂态电流和进行放电同时进行，由于充电比放电快很多，时间常数不在一个数量级，所以充电的时候放电过程可以忽略，然后测量当前时刻装置的电容电压v
cn
(k)和电感电流i
l
(k)，用x取1到4代表不同开关信号组合的编号，根据预测模型计算下一时刻的电感电流i
lx
(k+1)和电容电压v
cnx
(k+1)，进而计算出代价函数g
x
，通过比较g
x
的大小遍历求得g
x
的最优值(即最小值)，然后生成开关信号。直到暂态电流i
rt
下降到0时，该装置停止产生开关信号。此时电容电压v
cn
达到峰值，然后通过机械开关和电阻支路放电，使v
cn
下降，直到达到工作前充电的稳态值(0.5v
dc
，即1250v)，机械开关关断，然后等待下次agps的关断指令。
[0106]
采用具有快速响应的预测模型控制算法，产生合适的开关信号，可以在暂态电压波动抑制装置上实现对直流母线暂态电流快速、准确地跟踪和补偿。
[0107]
暂态电压波动抑制装置的其他电气参数的设计计算如下。
[0108]
可选的，所述电容cn的取值范围为：
[0109][0110]
其中，v
cm
是电容电压允许的最大值，e
off
是暂态电流持续期间具有的能量，计算公式为：
[0111][0112]
电阻rn的取值范围为：
[0113][0114]
其中，t
rs
是暂态电压波动抑制装置需要补偿的暂态电流的周期，t
off
是待补偿的暂态电流的持续时间。
[0115]
电阻rn需要满足的功率p
rn
为：
[0116][0117]
在关断期间，暂态电压波动抑制装置的放电支路中每个电容吸收agps直流母线电容暂态电流的能量e
off
，为：
[0118][0119]
吸收的能量将导致装置的电容电压升高，过高的电容电压将使电容自身以及装置
的开关器件绝缘击穿，因此需控制在一定范围内。电容的峰值v
cm
为装置动作前的v
c1
或v
c2
的预设倍数，预设倍数大于1，综合考虑电容的耐压和使用量，优选为峰值v
cm
为工作前的1.6倍，即1.6
×
1250＝2000v，根据电容储能规律，可得装置上的电容量取值范围，为：
[0120][0121]
这些能量最终将释放到电阻rn上，转化为热能。假设agps的关断周期为t
rs
，则电阻的功率为：
[0122][0123]
此外，电阻的阻值需足够小，使v
cn
在下一次agps关断时能够从峰值下降到充电时的稳态电压。根据阻容放电回路的电压下降规律，电阻的阻值范围为：
[0124][0125]
装置中的机械开关需要承受0.5v
dc
的电容电压，和0.5v
dc
/rn的峰值电流。由于机械开关发展很成熟，这样的机械开关参数需求很容易满足。
[0126]
装置上的电感会影响i
l
的变化速率，因此电感值的选取也十分重要。本实例采用模型预测控制方法以追求快速的动态响应能力，但该控制方法的开关频率是不固定的。当电感取值较小时，i
l
将很快偏离i
rt
，为了使i
l
成功跟踪到i
rt
并控制在一定误差范围内，装置的开关状态需要频繁地切换。因此在采样频率不变的前提下，电感越小，实际开关频率f
sw
越高。采样频率ts是f
sw
的上限，因为根据控制原理，在一个采样周期内只产生一次开关信号。
[0127]
综上所述，采样频率和电感值会影响装置的开关频率。开关频率的不同将导致i
l
的波动幅度
△il
不同。实际开关频率越高，i
l
跟踪i
rt
的误差越小，但开关器件的损耗会上升。开关频率由器件类型、功率容量、散热条件等因素综合确定。本实例中该装置的电感选取为250μh，采样频率选为25khz，i
l
的纹波率i
lr
％在20％以内。
[0128]
根据上述设计过程和控制方法，该装置在agps的暂态电流补偿的电路仿真结果见图3，其中cn为5mf，rn为40ω，直流母线的暂态电流i
ct
持续4.89ms。可以看到，在暂态电流下降到0期间，该装置的电感电流i
l
能够快速准确地跟踪直流母线暂态电流，i
l
的纹波率i
lr
％为18.50％，期间开关器件共开通关断27次，实际开关频率为27/4.89＝5.52khz，电容电压的峰值为1899.9v，小于允许的峰值(2000v)。说明以上的设计过程和模型预测控制是正确合理的。
[0129]
本发明的技术方案，将2个功率半桥输出串联并通过电感连接到直流母线上，并添加了机械开关和电阻组成的放电回路，实现了直流电压暂态波动抑制的功能。应用在直流母线的暂态电压波动抑制装置上的模型预测控制方法，产生合适的开关信号，具有更好的动态性能，在直流母线暂态过程中，快速跟踪暂态电流，补偿直流母线的暂态电流，降低了加速极电源暂态电压波动。由于具有毫秒级动态响应能力，可以降低直流母线的电容使用量。
[0130]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。