CN115514230A - 一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体公开了一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源及控制方法，该高压电源包括发电机、真空隔离开关、高压移相多绕组变压器、电源模块、电动接地开关和负载，发电机输出端经真空隔离开关与高压移相多绕组变压器原边连接，高压移相多绕组变压器副边与电源模块输入端连接，电源模块输出端并联连接电动接地开关和负载，电源模块包括多个开关电源模块和多个可调电压模块，多个可调电压模块分别固定在不同的电压值上。本发明的高压电源具有输出电压高，输出电流大，电压纹波小，电容储能少，等特点，功率可以达到2MW，可以有效提高高压电源输出电压的稳定度和调节精度。

Description

一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源及控制方法。
背景技术
HL-2M是我国新建成的大型磁约束核聚变托卡马克装置，在托卡马克装置中，加热等离子体的方法主要是欧姆加热和电子回旋、低杂波、中性束注入等二级加热手段。其中电子回旋共振加热是聚变等离子体二级加热最常用的方法之一，其主要原理是利用高功率回旋管产生微波对等离子体加热。大功率高压电源则是直接给回旋管提供阴极高压，单只电子回旋管需要的高压通常55kV左右，单只回旋管电流45A左右，为节约建造成本，通常一套高压电源会同时給2-4只回旋管提供高压，高压电源的稳定度直接影响其加热效率，因此，需要研制高稳定度的大功率高压电源。
现有技术的大功率高压电源大多是由高压多绕组变压器和多个6脉波直流电源模块组成，模块在直流侧串联从而构成高压电源，且每个直流电源模块的输出电压一致。为了减小高压多绕组变压器的加工难度，高压多绕组变压器副边绕组数量有限，高压电源的模块数量有限，根据目前的开关器件参数，考虑性价比，每个电源模块的输出电压通常都在800-1000V左右。通常根据电压值来配备相应数量的开关电源模块。当回路中都采用开关电源模块时，电压调节最小值为800-1000V，例如，当高压输出为55kV时，电压调节时输出电压精度约800V/55kV*100％＝1.5％，电压调节的精度直接影响高压电源的稳定度，同时影响回旋管的加热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源及控制方法，该高压电源具有输出电压高，输出电流大，电压纹波小，电容储能少，等特点，功率可以达到2MW，可以有效提高高压电源输出电压的稳定度和调节精度。
实现本发明目的的技术方案：
一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，所述高压电源包括发电机、真空隔离开关、高压移相多绕组变压器、电源模块、电动接地开关和负载，发电机输出端经真空隔离开关与高压移相多绕组变压器原边连接，高压移相多绕组变压器副边与电源模块输入端连接，电源模块输出端并联连接电动接地开关和负载，电源模块包括多个开关电源模块和多个可调电压模块，多个可调电压模块分别固定在不同的电压值上。
所述发电机为双Y输出，双Y之间错30°的交流脉冲发电机。
所述高压移相多绕组变压器包括四个高压移相变压器，均采用高压三相多绕组移相变压器，采用原边移相，副边为星形接法；其中两个变压器原边移相+7.5°，另外两个变压器原边移相-7.5°。
所述电源模块包括四个可调电压模块，可调电压模块的输出电压分别固定为400V、200V、100V、100V。
所述开关电源模块和可调电压模块均为三相全桥整流结构。
所述真空隔离开关包括两个三相真空开关，分别用于发电机与高压移相多绕组变压器之间的分合。
所述电动接地开关为远程电动自动控制。
一种用于高稳定度的大功率长脉冲高压电源的控制方法，所述控制方法为：首先接入一个或多个开关电源模块，以使输出电压与设定电压的差值不大于开关电源模块的输出电压，然后根据输出电压与设定电压的差值，从多个可调电压模块中选取一个或多个可调电压模块投入使用，以使电源模块的输出电压与设定值电压的差值控制在预设范围内，预设范围不大于多个可调电压模块中的最小输出电压。
当所述多个可调电压模块的输出电压为400V、200V、100V时，若输出电压与设定电压的差值为负200V时，投入输出电压模块为200V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负400V时，投入输出电压模块为400V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负600V时，投入输出电压模块为200V和输出电压模块为400V的可调电压模块。
本发明的有益技术效果在于：
1、本发明的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源采用两组移相错30°的Y发电机供电，采用了四个移相变压器，其中两个变压器原边移相+7.5°，另外两个变压器原边移相-7.5°。经开关模块整流串联后，可以生成24脉波直流，既减小输出电压的纹波，又可以减小每个开关电源模块的电容，减小了模块的体积，节约成本。
2、本发明的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源采用了4个可调电压模块，其中一个为备用模块，其余三个模块将模块电压分别固定在400V，200V，100V。在高压电源进行反馈控制时，采用反馈算法，通过控制一个开关电源模块和三个可调电压模块，可以将电压的调节精度控制在100V，简化控制算法和难度，大大提高了高压电源输出的电压精度，电压的最小调节值可以达到100V，例如在直流高压为55kV时，电压的调节精度可以达到100V/55kV*100％＝0.18％，这样能提高高压电源输出电源的稳定度，完全满足这种回旋管负载的需求。
3、本发明的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源采用了电动接地开关，若不满足实验条件，电动接地开关不会抬起离地，并且将触发真空开关的跳闸，保护试验设备和人身安全。
4、本发明的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的电源拓扑可以扩展，目前的技术可以适用于400kV/200A以下的高压电源，只需增加对应的高压多绕组变压器和模块数量即可，高压电源电压越高，这种电路的优势越明显。这种电源拓扑经回路中加入水冷等循环***后，也可用于长稳态工作。
附图说明
图1为本发明所提供的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的主电路示意图；
图2为本发明所提供的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的具体电源拓扑图；
图3为本发明所提供的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的开关电源模块示意图；
图4为本发明所提供的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的可调开关电源模块示意图。
图中：G-发电机；S-真空隔离开关；K-电动接地开关；Load-负载；
T1-第一高压移相多绕组变压器；T2-第二高压移相多绕组变压器、T3-第三高压移相多绕组变压器；T4-第四高压移相多绕组变压器；
100-高压移相多绕组变压器模块；
200-电源模块；201-开关电源模块；202-可调电压模块；
201a-三相整流桥；C1-第一滤波电容；D1-第一续流二极管；FU1-第一快熔保险丝；IGBT1-第一开关器件；
202a-三相整流桥；C2-第二滤波电容；L-续流电感；C3-第三滤波电容；D2-第二续流二极管；FU2-第二快熔保险丝；202b-DC-DC变换器；IGBT2-第二开关器件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2所示，本发明提供了一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，该高压电源包括发电机G、真空隔离开关S、高压移相多绕组变压器模块100，多个电源模块200、电动接地开关K和负载Load。发电机G输出端经真空隔离开关S与高压移相多绕组变压器模块100原边连接，高压移相多绕组变压器模块100副边与电源模块200输入端连接，电源模块200输出端连接并联的电动接地开关K和负载Load，电源模块200包括多个固定电压输出的开关电源模块201和多个可调电压模块202，多个可调电压模块202分别固定在不同的电压值上。
发电机为双Y输出，双Y之间错30°的交流脉冲发电机。真空隔离开关S包括两个三相真空开关，分别用于发电机G与高压移相多绕组变压器T之间的分合。
高压移相多绕组变压器模块100包括四个高压移相多绕组变压器T，分别为第一高压移相多绕组变压器T1、第二高压移相多绕组变压器T2、第三高压移相多绕组变压器T3和第四高压移相多绕组变压器T4。
四个高压移相多绕组变压器T均为多绕组移相变压器，采用原边移相，副边为星形接法；第一高压移相多绕组变压器T1和第二高压移相多绕组变压器T2原边移相-7.5°，第三高压移相多绕组变压器T3和第四高压移相多绕组变压器T4原边移相+7.5°。
四个高压移相多绕组变压器均为降压变压器，每个变压器副边绕组均为21个，为减小变压器设计制造难度，每个副边绕组变比均为3000/600，采用星型接法。每个变压器原边和副边耐压高于140kV，每个副边绕组之间耐压不小于2500V。
第一高压移相多绕组变压器T1和第二高压移相多绕组变压器T2的进线电压相差30°，第三高压移相多绕组变压器T3和第四高压移相多绕组变压器T4的进线电压相差30°；第一高压移相多绕组变压器T1和第三高压移相多绕组变压器T3的进线电压同相位，第二高压移相多绕组变压器T2第四高压移相多绕组变压器T4的进线电压同相位。
本发明的高压电源有84个电源模块200，包括80个开关电源模块201和4个可调电压模块202。
如图3所示，开关电源模块201均为三相全桥整流电路加IGBT构成，其电源输出电压只能根据电机电压的输入而改变，为不可控电源模块。开关电源模块201包括：三相整流桥201a、第一滤波电容C1、第一续流二极管D1、第一快熔保险丝FU1、第一开关器件IGBT1。高压移相多绕组变压器T的其中一个副边三相绕组，经整流桥整流后，电容滤波为直流，由开关器件IGBT控制该模块的输出，若开关器件IGBT开通，模块输出电压为800V，若开关器件关断，则该模块输出电压为0。
单个三相交流输入的开关电源模块201可以产生六脉波直流电压，直接经电容滤波以后可以大大减小输出电压纹波。同时由于发电机G的两个双Y输出错开30电角度，两个变压器原边移相+7.5°，另外两个变压器原边移相-7.5°。最终高压电源的输出为24脉波直流电压。
如图4所示，可调电压模块202采用三相全桥整流，DC-DC斩波，高频滤波等技术，4个可调电源模块的输出电压连续可调。4个可调电压模块通过调整DC-DC斩波电路的占空比，将模块电压分别固定在400V，200V，100V，100V。其中一个100V的可调电压模块为冗余模块，当其它三个可调模块发生故障时，可以调整改变电压后进行替换。
具体来讲，可调电压模块202包括三相整流桥202a、第二滤波电容C2、续流电感L、第三滤波电容C3、第二续流二极管D2、第二快熔保险丝FU2、DC-DC变换器202b、第二开关器件IGBT2。选取每个高压移相多绕组变压器T的其中一个副边三相绕组，经三相整流桥整流后，经DC-DC进行直流变换，再经电感电容滤波为直流，改变DC-DC电路中的开关器件占空比，调节输出电压，将几个模块电压输出值分别调整为400V、200V、100V、100V，最后由开关器件IGBT控制该模块的输出，若开关器件开通，模块输出电压为400V、200V、100V、100V，若开关器件关断，则该模块输出电压为0。
所有电源模块200在模块直流侧串联，当控制信号到达是，模块中的IGBT器件开通，模块输出相应电压，当模块中的IGBT没有接收到控制信号时，电源电流经模块内部的二极管形成通路，该模块输出电压为0.
电动接地开关为远程电动自动控制，当脉冲发电机投入运行输出电压时，接地开关自动抬起，电源在控制***的控制下投入工作；当脉冲发电机切出运行时或者电源负载等出现故障报警时，电动开关自动接地。器件采用继电器、水电阻等组成。
一种用于高稳定度的大功率长脉冲高压电源的控制方法，该控制方法为：首先接入一个或多个开关电源模块，以使输出电压与设定电压的差值不大于开关电源模块的输出电压，然后根据输出电压与设定电压的差值，从多个可调电压模块中选取一个或多个可调电压模块投入使用，以使电源模块的输出电压与设定值电压的差值控制在预设范围内，预设范围不大于多个可调电压模块中的最小输出电压。
本发明的控制方法涉及的具体算法如下：
设定高压电压为V1，电源采集电压为V0，两者差值为ΔU＝V0-V1。ΔU＝ΔV±N*800，N为整数。***中除80个800V的开关电源模块外，还有4个可调电压模块，模块电压分别为400V，200V，100V，100V。电源设计时留有裕量，在电源电压的上升时段，采取只开通800V开关电源模块，在输出电压接近设定值或者在电源平顶段输出过程中，由于电机输出电压(***负荷变化很大，电机输出电压实时变化)的变化，导致高压输出电压发生改变时，则采用800V，400V，200V，100V，100V电源模块搭配的方式，将高压输出调节值控制在100V。
当电机电压输出不稳定时，或者负载发生改变时，高压电源输出电压在开环工作情况下，将出现极不稳定的波形，如果只是单纯的开关电源模块进行反馈，电源调节梯度较大，约为800V，这时候，需要采用一定的反馈算法，将4个400V，200V，100V,100V投入切出，可以将电压调节的梯度控制在100V，将减小高压电源输出电压的波动，从而保证回旋管等负载的功率不受影响。
具体的高稳定度的大功率长脉冲高压电源的反馈算法，如表1-9所示。
表1可调电压模块中400V、200V、100V电源模块均没有投入运行
Figure BDA0003826527070000081
Figure BDA0003826527070000091
表2可调电压模块中投入400V电源模块，200V、100V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000092
表3可调电压模块中投入200V电源模块，400V、100V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000093
表4可调电压模块中投入100V电源模块，400V，200V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000094
表5可调电压模块中投入400V和200V电源模块，100V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000095
表6可调电压模块中投入400V和100V电源模块，200V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000096
表7可调电压模块中投入200V和100V电源模块，400V电源模块没有投入运行
Figure BDA0003826527070000101
表8可调电压模块中投入400V、200V和100V电源模块
Figure BDA0003826527070000102
表9可调电压模块中投入400V、200V、100V、100V全部电源模块
Figure BDA0003826527070000103
当多个可调电压模块的输出电压为400V、200V、100V时，若输出电压与设定电压的差值为负200V时，投入输出电压模块为200V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负400V时，投入输出电压模块为400V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负600V时，投入输出电压模块为200V和输出电压模块为400V的可调电压模块。
通过调节可调电压模块的电源模块的方式，使电源输出电压接近设定电压，然后从多个可调电压模块中选取一个或多个可调电压模块投入使用,以使电源模块将输出电压与设定值电压的最小差值控制在±100V范围内。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (9)

1.一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述高压电源包括发电机、真空隔离开关、高压移相多绕组变压器、电源模块、电动接地开关和负载，发电机输出端经真空隔离开关与高压移相多绕组变压器原边连接，高压移相多绕组变压器副边与电源模块输入端连接，电源模块输出端并联连接电动接地开关和负载，电源模块包括多个开关电源模块和多个可调电压模块，多个可调电压模块分别固定在不同的电压值上。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述发电机为双Y输出，双Y之间错30°的交流脉冲发电机。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述高压移相多绕组变压器包括四个高压移相变压器，均采用高压三相多绕组移相变压器，采用原边移相，副边为星形接法；其中两个变压器原边移相+7.5°，另外两个变压器原边移相-7.5°。
4.根据权利要求3所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述电源模块包括四个可调电压模块，可调电压模块的输出电压分别固定为400V、200V、100V、100V。
5.根据权利要求1所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述开关电源模块和可调电压模块均为三相全桥整流结构。
6.根据权利要求1所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述真空隔离开关包括两个三相真空开关，分别用于发电机与高压移相多绕组变压器之间的分合。
7.根据权利要求1所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述电动接地开关为远程电动自动控制。
8.一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的控制方法，用于根据权利要求1-7任一项所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源，其特征在于，所述控制方法为：首先接入一个或多个开关电源模块，以使输出电压与设定电压的差值不大于开关电源模块的输出电压，然后根据输出电压与设定电压的差值，从多个可调电压模块中选取一个或多个可调电压模块投入使用，以使电源模块的输出电压与设定值电压的差值控制在预设范围内，预设范围不大于多个可调电压模块中的最小输出电压。
9.根据权利要求8所述的一种高稳定度的大功率长脉冲高压电源的控制方法，其特征在于，当所述多个可调电压模块的输出电压为400V、200V、100V时，若输出电压与设定电压的差值为负200V时，投入输出电压模块为200V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负400V时，投入输出电压模块为400V的可调电压模块；若输出电压与设定电压的差值为负600V时，投入输出电压模块为200V和输出电压模块为400V的可调电压模块。
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