一種快控電源系統的製作方法

2023-04-26 00:22:16

本實用新型屬於脈衝電源技術領域，具體涉及多電容儲能型串並聯快控電源系統及控制方法。

背景技術：

超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）的快速控制電源（簡稱快控電源）是一種具有電流源特性的大容量電壓源型逆變器，其作用是控制輸出電流實時跟蹤等離子體漂移產生的位移信號，為真空室內部的快控線圈提供數千或數十千安培的勵磁電流，形成磁場以維持等離子體在非圓截面時的動態平衡和準確位置，以抑制等離子體在大拉長形下的快速漂移。快控電源實際上是一種單相逆變電源，但與常規逆變電源不同的是電源的輸出電流波形不是正弦波，其幅值和頻率都具有很強的隨機性，其電流必須根據等離子體電流在垂直方向上偏離平衡位置的位移來快速變化，使等離子體處於相對平衡的位置。同時該電源的負載電流要求紋波儘量小，為此應用移相PWM多重化技術以達到系統所需要求。通常要求用於EAST裝置的快控電源能夠輸出數千或數十千安培的負載電流，並且要求電流的響應時間不超過1ms或者更快，而單臺變流器很難實現如此大而快速的電流響應，為此採用多組變流器單元串並聯的方式。某快控線圈輸出電流波形要求如圖1所示。從圖中可看出該電源為短時大電流輸出脈衝，通常大電流持續時間不超過1s。穩態輸出電流為峰值電流的幾十分之一。

目前運行的快控電源均是在中高壓多電平變頻器基礎上改制而成。該電源由多組相同結構的變流器並聯而成，單臺變流器原理框圖如圖2所示，該變流器中所使用H橋模塊單元結構圖如圖3所示。從圖2、圖3中可看出該變流器主要採用級聯H橋拓撲結構，由於輸入為交流電壓，故在每個H橋模塊單元前端增加三相隔離變壓器和三相二極體整流橋，或者前端用一臺或者多臺多輸出繞組的變壓器等方式。

現有技術的缺點：快控電源系統使用圖2所示結構雖然能滿足EAST裝置實驗的要求，但也存在以下缺點：

1．每個H橋模塊輸入側均通過隔離變壓器供電。由於快控電源屬於短時工作電源，即有充足的時間可用來給每個模塊充電。過多的隔離變壓器不僅增加了設備成本，還增加了設備所需安裝空間。

2．每個H橋模塊內均有三相二極體整流模塊。過多的整流元器件使得快控電源系統出現失效的可能性得以提高，成本也相應增加。

3．由於瞬間脈衝電流很大，每個H橋模塊內往往需要配較多的儲能直流電容，因此必須配置專門的預充電迴路，這樣也增加了系統的體積和成本。

4．在大電流對負載放電的過程中，如果電容上的直流電壓下降很快，會造成輸入側電流很大，對輸入電網造成較大的衝擊。

技術實現要素：

為了解決上述常用快控電源存在的這些缺點，本實用新型提供一種單充電迴路的快控電源，其安裝空間和設備成本均得以降低。

本實用新型具體採用如下技術方案：

一種快控電源系統，由一充電模塊單元、一H橋級聯多電平拓撲結構和一斷路器組成，充電模塊單元的輸入端連接交流輸入電源，輸出端分別連接至H橋級聯多電平拓撲結構中的每一個H橋單元，H橋級聯多電平拓撲結構的輸出端經斷路器連接負載迴路。

本實用新型進一步限定的技術方案是：

前述的快控電源系統，其中H橋級聯拓撲結構由至少2個橋臂單元並聯組成，每個橋臂單元由至少1個H橋單元串聯組成。

前述的快控電源系統，其中充電模塊單元由整流器和DC/DC單元連接組成。

前述的快控電源系統，其中整流器為三相二極體整流器或IGBT橋式整流器。

前述的快控電源系統，其中整流器為IGBT斬波單元或雙向DC/DC單元。

本實用新型優點：

⑴本實用新型裝置只採用了單一充電單元，通過適當的控制策略，採用適當的分時充電控制方式，即可完成對變流設備上所有的H橋單元直流側儲能電容的充電過程，拓撲結構簡單可靠，設備操作和維護更加方便，同時節約了設備成本和安裝尺寸。⑵採用了同一套充電單元，斷開後端的斷路器，即可完成全部單元模塊儲能直流電容的預充電過程，預充電過程中效率高，充電單元利用率高，降低了成本。

附圖說明

圖1是快控電源輸出電流波形圖。

圖2是常用快控電源用變流器拓撲結構圖。

圖3是帶整流模塊和儲能電容的H橋單元模塊。

圖4是本實用新型快控電源使用的變流器拓撲結構圖。

圖5是H橋逆變單元結構圖。

圖6是充電單元U1結構圖。

圖7是具有能量回饋功能的充電單元U1結構圖。

圖8是充電單元給H橋模塊單元充電結構圖。

圖9a是充電單元給單一H橋單元充電示意圖。

圖9b是充電單元和同極性輸出H橋單元給H橋單元充電示意圖。

圖9c是充電單元和反極性輸出H橋單元給H橋單元充電示意圖。

圖9d是充電單元給多個H橋單元串聯充電示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本實用新型進行進一步的說明。

本實用新型快控電源系統中變流器拓撲結構如圖4所示，從圖中可看出該變流器採用H橋級聯多電平拓撲結構，每個橋臂單元由m（m≥1）個H橋單元串聯而成。為了提高設備的輸出電流等級，本實用新型裝置採用n（n≥2）個單橋臂單元並聯的方式。本實用新型電源結構中的某一時刻處於工作狀態的H橋單元數均可根據設備負載需求進行調整。從圖4中還可看出變流器的輸出經斷路器QF與線圈負載構成迴路，線圈負載主要以電感為主，圖中的R為線路與線圈的等效電阻。

本實用新型變流器中所使用H橋單元結構如圖5所示，該結構中的儲能電容為大容值電容。與常見結構不同的是，本實用新型變流器結構只採用單一充電模塊單元U1，該單元的結構有兩種，分別如圖6、圖7所示。從圖6可看出，該充電單元由三相二極體整流器和IGBT斬波單元組成，三相二極體整流器將三相交流電壓轉化成直流電壓，斬波單元主要起到調節輸出電壓和輸出電流的作用。圖7所示充電單元由三相IGBT橋式整流器和雙向DC/DC單元組成。由於均採用的是雙向器件，故可實現能量的雙向流動。圖7所示結構除可完成圖6所示結構充電單元的功能外，還可回饋能量至電網中。圖6、圖7充電模塊單元中的LC迴路為濾波電路。圖4中的H橋單元與圖7所示帶有能量回饋功能的充電模塊單元的連接方式圖如圖8所示，圖6所示連接方式與此類似。

由於快控電源屬於短時大脈衝電流和長時間小電流工作方式的電源，故可利用分時充電的方式給變流器單元中的H橋單元的直流側儲能電容充電。在給負載大電流/電壓放電時，停止充電，所有H橋單元同時對負載放電，並通過對H橋單元中開關器件的控制來調整用於放電的儲能電容的數量，調節電源的輸出電壓值；在小電流/電壓放電或者停止放電的間隙期間，完成所有H橋單元中的儲能電容的充電和放電過程。對整個電源系統中各H橋單元進行預充電時，需將圖4中斷路器QF斷開。充電可以每次只給一個H橋單元充電，該方式下每個H橋單元的直流側電壓均可充到充電模塊單元U1的輸出電壓值，該方式下將不需要充電的模塊旁路掉即可（H橋單元中的開關管S1、S2同時導通或者開關管S3、S4同時導通，該充電方式示意圖如圖9a所示）；也可以每次給多個H橋單元充電，該方式下各H橋單元直流側的電壓可大可小，可通過控制被充電H橋單元的輸出電壓極性來調節，在該狀態下的各種充電方式示意圖如圖9b、9c、9d所示（由於模塊數眾多，為了簡化說明圖中只採用兩個H橋單元為例）。從圖9a-9d中可看出，只需更改控制策略即可實現各H橋單元直流側電壓的調節，而各H橋單元直流側電壓值具體和當前時刻所需電流值大小有關。

除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護範圍。