本發(fā)明涉及基于PSM技術(shù)的高壓電源系統(tǒng)技術(shù)領域，尤其涉及一種PSM高壓電源系統(tǒng)及其反饋控制實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

作為最近幾年國內(nèi)外研究的重點，PSM開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅速并已在托卡馬克輔助加熱高壓電源系統(tǒng)中獲得大量成功的應用?；赑SM開關(guān)電源技術(shù)的高壓電源系統(tǒng)是以單個整流電源模塊為核心，利用多個模塊的串聯(lián)來實現(xiàn)最終直流高壓的建立，在控制策略中引入負反饋機制，通過模塊的自動增減可以提高電壓控制精度，從而減小各種擾動對輸出電壓的影響。

對于設計參數(shù)范圍內(nèi)的各種擾動，在一定控制范圍內(nèi)通過減小反饋控制步長時間即提高反饋控制速度，可以明顯提高電壓控制精度。但是當擾動的幅值、速度等超出設計值時，高壓電源系統(tǒng)就無法及時、準確地做出響應以保證電壓控制精度，從而無法滿足負載的控制需求。

系統(tǒng)的反饋控制速度依賴于以下三個方面的影響，一是系統(tǒng)的固有響應時間，二是控制器的運算及控制性能，三是整流電源模塊的開關(guān)頻率。通常情況下，系統(tǒng)響應時間在設計完成后基本確定，控制器的速度也遠遠超出模塊的調(diào)節(jié)速度，而整流電源模塊的開關(guān)頻率由于與成本有較大關(guān)聯(lián)，因此一般根據(jù)負載需要選取設計值，不會有太大的裕量。

因此如果希望通過繼續(xù)提高反饋控制速度來解決系統(tǒng)過快或者過度的擾動問題，就要求整流電源模塊具有更高的開關(guān)頻率，而隨著開關(guān)頻率的提高其研制難度加大且成本將顯著增加，根據(jù)估算，具備1kHz開關(guān)能力的整流模塊比100Hz的整流模塊成本約高出50%。如何實現(xiàn)一種新型PSM高壓電源及反饋控制方法，節(jié)約成本的同時提高系統(tǒng)的適應性，使其能夠滿足各種擾動下的性能要求，就顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種PSM高壓電源系統(tǒng)及其

反饋控制實現(xiàn)方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種PSM高壓電源系統(tǒng)，包括有高壓進線單元，所述的高壓進線單元由兩臺高壓斷路器柜分別串聯(lián)一臺高壓接觸器柜構(gòu)成，兩臺高壓接觸器柜分別連接一臺多繞組高壓隔離變壓器，多繞組高壓隔離變壓器分別連接低頻整流電源模塊和高頻整流電源模塊, 低頻整流電源模塊和高頻整流電源模塊全部串聯(lián)后連接至負載，所述的低頻整流電源模塊的個數(shù)為N_lf個，“l(fā)f”表示“Low Frequency”,模塊編號分別為（1#,2#,……，N_lf#），所述的高頻整流電源模塊的個數(shù)為N_hf個，“hf”表示“High Frequency”,模塊編號分別為（1#,2#,……，N_hf#），低頻整流電源模塊的數(shù)量N_lf和高頻整流電源模塊的數(shù)量N_hf相加之和為單臺多繞組高壓隔離變壓器副邊繞組數(shù)量的兩倍，低頻整流電源模塊的數(shù)量N_lf和高頻整流電源模塊的數(shù)量N_hf的配置一般選擇為9:1，該配置可以根據(jù)系統(tǒng)需要進行相應調(diào)整。

一種PSM高壓電源系統(tǒng)的反饋控制實現(xiàn)方法，（1）首先預設輸出電壓值V_ref、開環(huán)上升時間間隔T_r、開環(huán)下降時間間隔T_f、閉環(huán)采樣運算周期T_s；

（2）確定電壓控制裕度V_Δ，理論上PSM結(jié)構(gòu)高壓電源的電壓控制裕度為單個模塊輸出電壓的一半，即V_s/2，為了避免系統(tǒng)的過度調(diào)節(jié)引起震蕩，在控制上適當增加該數(shù)值，取值V_s/10，從而保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，則V_Δ= V_s/2+ V_s/10= 0.6V_s；

（3）程序自動計算出預計啟動模塊個數(shù)N，根據(jù)X=V_ref/ V_s,X不是整數(shù)，對X四舍五入得到N；

（4）根據(jù)N- N_hf/2得出擬投入運行的低頻模塊個數(shù)；

（5）PSM高壓電源系統(tǒng)接收到啟動信號以后，立即從1#低頻模塊開啟，間隔T_r時間逐個開啟至（N- N_hf/2）#低頻模塊，隨后進入負反饋控制階段；

（6）在一個閉環(huán)采樣周期T_s時間以內(nèi)，系統(tǒng)采集反饋采樣值V_fd與電壓給定值V_ref相比較，根據(jù)比較結(jié)果對高頻整流電源模塊進行如下操作：增加、保持或者減少，由于高頻整流電源模塊數(shù)量有限，因此其調(diào)節(jié)范圍有一定的限制，1#高頻模塊為下限，N_hf#高頻模塊為上限，增加至N_hf#高頻模塊后，如果電壓低于預設值，仍保持；減少至1#高頻模塊以后，如果電壓高于預設值，仍保持；

（7）脈沖時間到達以后，按照間隔時間T_f，逐個關(guān)閉所有模塊。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明為EAST核聚變裝置上4.6GHz低雜波系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了可靠的技術(shù)保障，通過一定數(shù)量的高頻模塊替代低頻模塊，很好地解決了在EAST裝置放電期間由于電網(wǎng)擾動對于高壓輸出造成劇烈擾動的問題，節(jié)約科研經(jīng)費的同時大大縮短了設備的研制與調(diào)試周期，滿足了速調(diào)管對于電壓精度的控制要求，從而最終滿足了各項物理實驗的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的工作原理圖。

圖3為本發(fā)明反饋控制實現(xiàn)方法的工作流程圖。

圖4為正常電網(wǎng)條件下的電壓輸出圖。

圖5為有擾動電網(wǎng)條件下的電壓輸出圖(圖5a為輸出電壓全局圖，和圖5b為輸出電壓局部放大圖）。

圖6為提高反饋控制速度對于擾動控制的影響圖形（圖6a為輸出電壓全局圖，圖6b為輸出電壓局部放大圖）。

圖7為PSM結(jié)構(gòu)高壓電源對于擾動的抑制效果圖（圖7a為輸出電壓全局圖，圖7b為輸出電壓局部放大圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種PSM高壓電源系統(tǒng)，包括有高壓進線單元，所述的高壓進線單元由兩臺高壓斷路器柜1分別串聯(lián)一臺高壓接觸器柜2構(gòu)成，兩臺高壓接觸器柜2分別連接一臺多繞組高壓隔離變壓器3，多繞組高壓隔離變壓器3分別連接低頻整流電源模塊4和高頻整流電源模塊5, 低頻整流電源模塊和高頻整流電源模塊全部串聯(lián)后連接至負載6，所述的低頻整流電源模塊的個數(shù)為N_lf個，“l(fā)f”表示“Low Frequency”,模塊編號分別為（1#,2#,……，N_lf#），所述的高頻整流電源模塊的個數(shù)為N_hf個，“hf”表示“High Frequency”,模塊編號分別為（1#,2#,……，N_hf#），低頻整流電源模塊的數(shù)量N_lf和高頻整流電源模塊的數(shù)量N_hf相加之和為單臺多繞組高壓隔離變壓器副邊繞組數(shù)量的兩倍，低頻整流電源模塊的數(shù)量N_lf和高頻整流電源模塊的數(shù)量N_hf的配置一般選擇為9:1，該配置可以根據(jù)系統(tǒng)需要進行相應調(diào)整。

如圖3所示，一種PSM高壓電源系統(tǒng)的反饋控制實現(xiàn)方法，（1）首先預設輸出電壓值V_ref、開環(huán)上升時間間隔T_r、開環(huán)下降時間間隔T_f、閉環(huán)采樣運算周期T_s；

（2）確定電壓控制裕度V_Δ，理論上PSM結(jié)構(gòu)高壓電源的電壓控制裕度為單個模塊輸出電壓的一半，即V_s/2，為了避免系統(tǒng)的過度調(diào)節(jié)引起震蕩，在控制上適當增加該數(shù)值，取值V_s/10，從而保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，則V_Δ= V_s/2+ V_s/10= 0.6V_s；

（3）程序自動計算出預計啟動模塊個數(shù)N，根據(jù)X=V_ref/ V_s,X不是整數(shù)，對X四舍五入得到N；

（4）根據(jù)N- N_hf/2得出擬投入運行的低頻模塊個數(shù)；

（5）PSM高壓電源系統(tǒng)接收到啟動信號以后，立即從1#低頻模塊開啟，間隔T_r時間逐個開啟至（N- N_hf/2）#低頻模塊，隨后進入負反饋控制階段；

（6）在一個閉環(huán)采樣周期T_s時間以內(nèi)，系統(tǒng)采集反饋采樣值V_fd與電壓給定值V_ref相比較，根據(jù)比較結(jié)果對高頻整流電源模塊進行如下操作：增加、保持或者減少，由于高頻整流電源模塊數(shù)量有限，因此其調(diào)節(jié)范圍有一定的限制，1#高頻模塊為下限，N_hf#高頻模塊為上限，增加至N_hf#高頻模塊后，如果電壓低于預設值，仍保持；減少至1#高頻模塊以后，如果電壓高于預設值，仍保持；

（7）脈沖時間到達以后，按照間隔時間T_f，逐個關(guān)閉所有模塊。

低頻模塊和高頻模塊的輸入輸出特性相同，即具有相同的輸入電壓和輸出電壓，不同之處僅僅在于其最高開關(guān)頻率，兩者的最高開關(guān)頻率在設計上可以相差10倍以上，比如低頻模塊的最高開關(guān)頻率設計為100Hz，則高頻模塊的最高開關(guān)頻率可以設計為1kHz甚至更高。其工作過程如圖2所示。

低頻模塊用于底部高壓的建立，高頻模塊用于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，當系統(tǒng)出現(xiàn)較大或者較快的擾動時，利用高頻模塊的快速調(diào)節(jié)能力抑制輸出電壓的大范圍波動。在系統(tǒng)設計初期，可以根據(jù)實驗條件確定擾動大致的范圍，從而確定低頻模塊和高頻模塊數(shù)量的配置，即便在系統(tǒng)研制完成后發(fā)現(xiàn)無法滿足對于擾動的抑制，也可以通過高頻模塊替換低頻模塊的方式來提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，由于低頻模塊和高頻模塊輸入輸出特性一致，因此在硬件上可以直接替換，同時配以相應的軟件升級，即可滿足系統(tǒng)新的需求，此法方便、靈活、快捷，可以節(jié)約大量的時間和經(jīng)濟成本。

在EAST裝置4.6GHz低雜波高壓電源系統(tǒng)中，上述新型PSM高壓電源及反饋控制系統(tǒng)已經(jīng)研制成功并且投入運行，單套電源系統(tǒng)采用58個低頻模塊和6個高頻模塊，兩者輸入電壓均為600VAC，輸出電壓均為800VDC，系統(tǒng)電壓控制精度為400VDC。很好的解決了由于開關(guān)頻率的限制無法進一步提高反饋控制速度從而改善電壓輸出性能的問題。

圖4給出了電壓給定值V_ref=25kV，脈沖寬度T=200mS的輸出電壓波形，從波形中可以看出，在電網(wǎng)沒有擾動的情況下，輸出電壓波動較小，滿足＜1%的設計要求。

圖5a（輸出電壓全局圖）和圖5b（輸出電壓局部放大圖）所示，給出了電壓給定值V_ref =25kV，脈沖寬度T=7S，閉環(huán)采樣運算周期Ts=5mS的輸出電壓波形，從波形中可以看出，由于電網(wǎng)的擾動，電壓輸出波形峰峰值最大達4000V。

圖6a（輸出電壓全局圖）和圖6b（輸出電壓局部放大圖）所示給出了電壓給定值V_ref=30kV，脈沖寬度T=7S，閉環(huán)采樣運算周期Ts=2mS的輸出電壓波形，從波形可以看出，在有擾動電網(wǎng)條件下，提高反饋控制速度后電壓峰峰值減小為2000V，與圖5相比減小了近一半。但是由于模塊開關(guān)頻率的限制，無法進一步通過提高反饋控制速度來改善控制效果。

在新型PSM高壓電源以及反饋控制系統(tǒng)中，一方面提高了反饋控制速度，另一方面提高了部分模塊的開關(guān)頻率至1kHz，電壓輸出波形如圖7a（輸出電壓全局圖）和圖7b（輸出電壓局部放大圖）所示所示。其中電壓給定值V_ref=30kV，脈沖寬度T=7S，閉環(huán)采樣運算周期Ts=500uS，從波形可以看出，在有擾動電網(wǎng)條件下，電壓峰峰值最大達1400V，而密集包絡線則主要限制在電壓給定值的±400V范圍以內(nèi)。