基于PSM技术的70kV/90A高压脉冲电源的研制

徐伟东 陈文光 宣伟民 姚列英 王英翘

（1.中国科学研究院电工研究所 北京 1001902 2.核工业西南物理研究院 成都 610041 3.南华大学电气工程学院 衡阳 421001）

1 引言

在受控核聚变装置中，低混杂波电流驱动系统（LHCD）、电子回旋加热系统（ECRH）和中性束注入系统（NBI）是有效的辅助加热手段[1-6]。这些辅助加热系统采用速调管、回旋管和离子源，通过高功率微波和中性束注入对等离子进行加热和驱动。这些设备（速调管、回旋管和离子源）要求为其供电的高压电源稳定度高，保护时间短（＜10 μs），且在保护时对关键部件释放的能量非常小（约几个焦耳），否则极易受到损坏[7-8]。在中国环流器 2号A（HL-2A）装置中[9]，现有基于晶闸管交流调压技术和基于晶闸管星点控制技术的高压脉冲电源，由于器件本身的特性，响应速度慢，输出侧有效频率低，输出滤波系统储能大，已经不能满足这些辅助加热系统的要求。基于PSM（Pulse Step Modulation）技术的高压脉冲电源是由许多完全相同的直流脉冲电源串联，经过特定的调制方式之后，在直流侧形成高压大功率脉冲电源。该电源的直流侧等效为在一个直流电压基础上叠加一系列脉冲电源，且其有效频率高达几百 kHz，这能够大大减小滤波系统的储能，在发生故障时，向负载释放的能量就大大减小。同时，该电源采用 IGBT作为直流脉冲电源的开关管，即利用了IGBT的快速性，又避开了IGBT直接串联所带来的风险，整个高压电源的动态性能得到很大提高。该电源还具有功率因数高，线路简洁，控制方式灵活，输出电压连续可调等优点，能满足多种辅助加热系统的要求。目前，基于PSM技术的高压脉冲电源[10]在国内外多个核聚变装置上得到应用，如:德国W7-X装置，设计最高参数为130kV/100A，2003年实验结果为65kV/100A，上升沿时间为 30μs[7,11]；瑞士的 CRPP装置中[18]，输出参数为85kV/80A，上升沿时间约为100ms，保护时间小于5μs，最大脉冲时间为2s；国际热核聚变实验堆（ITER）计划相关高压电源也采用该技术方案，由欧洲原子能协会的ENEA研制，前期调试参数为45kV/80A，上升沿时间小于65μs，超调量小于630V[19]。

为了提高HL-2A装置物理实验参数，实现高约束模运行方式，以及满足 HL-2A装置升级改造的需要，辅助加热系统的输出能量及维持时间都有很大提高，这就要求为其供电的高压脉冲电源的容量和各项参数都要大大提高。由于基于 PSM 技术和IGBT的高压直流电源有众多的优点，因此决定研制一套该类型的高压电源为 HL-2A的辅助加热系统供电，其框图如图 1所示，设计输出参数80kV/100A。本文阐述了基于该主回路电源的几个基本控制方法，并在此基础上提出了所建造的电源系统所采用的控制方式和算法，实验及运行结果表明该电源的控制方式灵活，输出有效频率很高，大大减小滤波电容，减小故障时对关键部件释放的能量，且输出波形能够满足辅助加热系统的要求。

图1 PSM高压脉冲电源框图Fig.1 Diagram of the PSM HV pulse power supply

2 系统介绍

整个PSM电源系统由4个PSM高压脉冲电源单元组成，每个单元包含三相输入源（由交流发电机提供双Y输出，相差30°）、真空开关、一台高电位隔离变压器（120kV隔离等级）、两台多绕组整流变压器（每台14个二次绕组，每组参数为630V/100A）、28个脉冲直流电源模块（有一定冗余）、控制系统、滤波系统和负载组成。高电压绝缘、系统分布电容的大小和控制策略是该电源的关键技术。本方案采用了油浸式高电位隔离变压器和多个二次绕组变压器串联的方式[12]，由油浸式高电位隔离变压器和高压平台来提供足够的绝缘，以此确保整个系统的安全性。同时，将PSM单元直流输出侧的中间点与多个二次绕组变压器的一相相连结，也能够降低该多付边绕组变压器的耐压等级。多个二次绕组变压器的一半绕组为角型接法，一半绕组为星型接法，又因三相输入源有30°相位差，在直流侧得到24脉波，可以有效减小发电机电压畸变现象。因为该高压电源系统输出电压等级高，分布电容中的储能必须进行考虑。分布电容越小，储能就越小，否则当负载发生短路时，极易损坏负载。整个电源的输出波形质量由控制系统来决定，因而整个控制系统必须具有很高的可靠性和易操作性。

3 几种控制方式介绍

3.1 SM技术与PWM技术综合

SM 技术是多组开关电源模块串联形成高压输出，其电压输出为单个直流脉冲电源模块输出电压的整数倍，电压调节范围大，但不能连续可调[13]。PWM技术输出电压连续可调，但是大小范围有限。而将SM与PWM技术综合的调制方式下，根据给定电压的大小，算出需全开通 m-1（2#～m#）个直流脉冲电源模块，由第1个直流脉冲模块输出PWM电压信号，根据反馈电压和给定电压的差值，调节PWM 电压信号的占空比和直流脉冲电源全导通的个数，从而获得稳定的输出电压，且在 0～mU（U为单个模块输出电压）之间连续可调，输出侧的有效频率为PWM工作模块的频率。

3.2 PWM循环控制技术

该种控制方式下，先根据需要电压的大小和每个脉冲直流电源模块的电压值，计算出需要导通模块的个数，该计算值可能是一个非整数（n.m），其中n为整数部分，m为小数部分，此时就需要（n+1）个脉冲直流电源模块参与工作。该电源输出中，每一时刻有n个脉冲直流电源模块处于全开通状态，1个开关电源模块处于 PWM工作方式，即输出侧有效频率为 PWM工作模块的频率。根据反馈电压和给定电压的差值，在一定的控制规律下，调节投入直流脉冲电源模块的个数和 PWM信号的占空比，从而获得稳定的输出电压。在系统需要输出电压比较低的情况下，为达到PSM多绕组变压器的磁通平衡问题，如何分配开通直流脉冲单元模块也是需要慎重考虑。

3.3 PSM技术

该电源的控制方法原理图如图2所示，以6个模块为例。图2a中6个控制信号的占空比均为9/10，第二个脉冲比第一个脉冲滞后 T/6，以此类推，每个脉冲都比前一个脉冲滞后 T/6[15]。在这种控制方式下，6个直流电源串联之后得到的输出如图2b所示，在5倍于直流脉冲电源电压（每个脉冲直流电源的输出电压为 880V）的基础上，叠加了频率为6/T，占空比为 2/5，脉动幅值为 880V的直流脉冲电压。通过调制输出图可以看出:输出直流侧电压有效频率大大提高，大大减小输出滤波系统的尺寸和储能能量，并提高系统的动态响应。

该调制模式下的电源系统最终输出电压Vo，有效频率fo，占空比D和最大直脉冲电源模块同时导

图2 6个PSM控制方法仿真图Fig.2 the principle of the PSM technology with 6 modules

通数nmax可以按照如下算式进行计算:

其中，N为在线参与循环工作开通的电源模块的个数，l为全开通模块的个数，m取（ton/td）的整数部分，表示进一法。当有模块未满足工作条件时，只要系统要求最终输出电压小于（N-d+l）Vds，其中d为未准备好工作的模块个数，那么这些未工作的模块不会影响该高压电源的正常输出。通过该算法可知通过改变Vds、Ds、N、fs、l来调节系统最终输出电压和有效频率，这为前馈和反馈控制提供了一定的计算依据。

通过上述分析可知，这三种控制方式下，直流输出侧电压波形均等效为在直流电压的基础上叠加一系列PWM波形，根据参考文献[14]可知，与普通PWM 技术的开关电源相比较，这种输出波形的滤波电容电感量都大为减小，对提高系统的动态性能起到一定效果。在第一种调制方式和第二种调制方式下，输出侧叠加的有效频率均为一个脉冲电源模块的工作频率 fs。其中，第一种调制方式下，第一个模块工作在开关状态，其余开关模块工作在常通状态，开关损耗由第一个模块承担，开关频率不能太高；第二种调制方式下，由所有的模块进行交替工作，开关损耗被所有参与循环工作的模块均分，其工作频率可以有所增加；第三种调制方式下，其输出有效频率为单个脉冲电源模块工作频率 fs的 n倍，n为参与调制模块的个数，每个模块均处于低频工作状态，单个模块的开关损耗比较低，但总的输出有效频率很高，使得输出滤波系统更小，储能更低。通过调制方式的对比，为了降低整个系统的储能大小，最终采用第三种调制方式，即基于PSM技术。

3.4 控制系统仿真

主控计算机作为系统的唯一上位机，向下位机发出每次实验室所需数据，并可接收下位机送上来的信号。单元控制采用DSP芯片来处理，其能够接收上位机数据，并根据实时采集送来的各项数据来进行精确的控制。前馈调节系统得到参考电压信号，反馈控制系统调节最终所需的精度。测量一定数量开关模块中的电容器的电压，得其平均值，根据基于PSM技术的算法，计算所需的模块数和PWM的脉冲宽度，以获得期望输出电压。通过部分仿真，由图3对比可知，通过前馈系统能够有效调节系统的超调量。

图3 有无前馈控制调节效果对比Fig.3 Simulation of the feed-forward control

4 实验波形

4.1 单元实验波形

PSM高压电源单元实验结果如图4所示，全开通模块个数l=0，每个模块的直流电压约为630V，每路控制信号的参数为5kHz，占空比为0.8，开通的延时时间约为 7.2μs（即 T/28），负载为 145Ω的线绕电阻。图4a是电源开启时刻的波形图，可以看出最高电压是由23个 SPS模块输出电压形成，这与式（4）计算结果相同。电压采用标定的自制分压器测量，电流采用取样电阻测量，其值分别为15kV/104A。图4b是28个模块串联时测量关断特性的波形，其输出有效频率约为141kHz，占空比约为0.39，电压的关断时间为 1.2 μs，电流的关断时间约为10μs，负载呈感性。根据式（2）和式（3）可以计算出输出有效频率为140kHz和占空比为0.4[12]。总之，单元试验实测输出电压、有效高频频率及输出侧叠加脉冲的占空比与算式（1）～式（4）吻合，充分验证该调制方式及算法的可行性和准确性。

图4 单元输出波形图Fig.4 Output weveforms of one unit

4.2 系统实验波形

3#发电机输出电压为 3000V，经多二次绕组变压器降压后，脉冲直流电源的三相输入电压为630V，直流输出电压约为 850V，单个脉冲直流电源的工作频率为5kHz，占空比为0.8，假负载阻值为800Ω的线绕电阻。按照PSM控制方式和算法，搭建了基于DSP和FPGA的控制系统。图5和图6分别显示系统输出和过流保护时的系统响应时间。系统输出参数约为 72kV/90A，CH3为过流输出信号，CH4为电流互感器测得信号，从图中可以看出从过流信号产生到电流开始下降时刻，即系统保护响应时间小于 5μs，短路情况下，输出缓冲器能够确保电流在安全范围之内。

图5 系统输出波形Fig.5 Output weveforms of the system

图6 过流时系统响应时间Fig.6 Response time of the system under over current

整个电源系统已经成功应用于 HL-2A装置电子回旋加热系统，其负载为500kW的电子回旋管，要求输入的高压电源电压在 45～55kV之间变化。图7显示其中一次工作波形，参数为47kV/20A，上升时间为0.8ms，超调量为1.2%，稳定度约为1.3%。通过调整每个直流脉冲模块的占空比，可以得到不同的电压输出，如图8所示。其中第13912次放电的输出波形，其占空比为0.55，电压约为47.9kV；第13916次放电的输出波形，其占空比为0.6，电压为51.8kV。图9显示基于PSM技术的高压电源和基于星点控制技术（采用晶闸管器件）技术高压电源的对比输出波形图，其中上图为PSM输出电压，下图为基于星点控制技术的高压电源。根据两个电源的开通与关断时刻波形相比，充分显示了基于PSM 技术高压电源的快速特性。图中还可以观察到，在623ms时刻，基于星点控制技术的高压电源的负载关断，其电压有明显上升现象，由于采用晶闸管器件，关断时间较长。而在802ms时刻，基于PSM技术高压电源的负载关断，电压没有明显上升现象，采用 IGBT器件，关断时间很短。另外，基于 PSM 技术高压电源的稳定度明显好于基于星点控制技术的高压电源。从而，基于PSM技术高压电源的各项参数要好于基于星点控制技术（晶闸管）的高压电源。

4.3 保护系统

图7 给电子回旋加热系统供电波形Fig.7 the output waveform supply to the ECRH system

图8 不同占空比条件下的输出波形Fig.8 Output weveforms with different durations

图9 基于PSM技术与基于星点控制技术的高压脉冲电源的输出电压比较Fig.9 the output of the HV power supply with PSM technology and star-point technology

由于该高压电源系统的负载都是非常昂贵的部件，在调试和运行中，其负载（如离子源、速调管或回旋管）经常会发生击穿现象，系统保护是一个非常重要的环节，设置了相应的多级保护系统。第一级快速保护的系统响应时间要求小于15μs，负载的最大能耗小于20J，通过快速关断直流脉冲电源模块中IGBT管来实现，动作时间小于10 μs。第二级保护在发生下列情况时启动，即开关电源模块中IGBT管的动作失效，电源的所有压降将落到负载上，采用断路器来限制负载上的能耗到小于2.5kJ，并在负载上串联一个约10Ω电阻，2.5kJ能量不致造成关键部件及周围设备损坏。如果上述两级保护失效，则启动第三级保护—断开真空开关。通过实验分析和计算，结果表明:所研制系统对负载的释能小于20J，在发生过流保护时，能确保负载的安全[17]。

5 结论

（1）该高压电源主回路的调制技术有多种，本文对比分析了其中三种调制技术，最终方案选用了系统储能最小且易实现的PSM调制技术。并且通过单元实验波形验证了该调制技术的特性，直流侧有效频率很高，滤波系统及杂散参数的储能＜20J，满足辅助加热系统的要求。

（2）该电源的输出电压高达70kV，且连续可调，电流约为90A，输出功率高，电源输出极性亦可调，能够满足多个辅助加热系统的需要。

（3）通过系统的调试运行，该电源的上升时间、稳定度、响应时间和保护时间等各项参数均优于现有的基于晶闸管技术的高压脉冲电源，目前运行情况良好。

（4）通过油浸式高电位隔离变压器和多个二次绕组变压器串联、高压平台以及单元输出中点接多绕组变压器原边的方案，能够有效解决该电源主回路的主绝缘问题，确保系统安全；

（5）为提高整机效率，减小整个电源系统的占地面积，以及缩减项目经费，与国内变压器厂家共同研制高电位隔离多个二次绕组变压器。同时，尽量优化控制系统，提高电源输出质量，更加满足辅助加热系统的要求。

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