本發(fā)明屬于脈沖電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多電容儲(chǔ)能型串并聯(lián)快控電源系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）的快速控制電源（簡(jiǎn)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(shí)時(shí)跟蹤等離子體漂移產(chǎn)生的位移信號(hào)，為真空室內(nèi)部的快控線圈提供數(shù)千或數(shù)十千安培的勵(lì)磁電流，形成磁場(chǎng)以維持等離子體在非圓截面時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡和準(zhǔn)確位置，以抑制等離子體在大拉長(zhǎng)形下的快速漂移?？炜仉娫磳?shí)際上是一種單相逆變電源，但與常規(guī)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(qiáng)的隨機(jī)性，其電流必須根據(jù)等離子體電流在垂直方向上偏離平衡位置的位移來(lái)快速變化，使等離子體處于相對(duì)平衡的位置。同時(shí)該電源的負(fù)載電流要求紋波盡量小，為此應(yīng)用移相PWM多重化技術(shù)以達(dá)到系統(tǒng)所需要求。通常要求用于EAST裝置的快控電源能夠輸出數(shù)千或數(shù)十千安培的負(fù)載電流，并且要求電流的響應(yīng)時(shí)間不超過1ms或者更快，而單臺(tái)變流器很難實(shí)現(xiàn)如此大而快速的電流響應(yīng)，為此采用多組變流器單元串并聯(lián)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(shí)大電流輸出脈沖，通常大電流持續(xù)時(shí)間不超過1s。穩(wěn)態(tài)輸出電流為峰值電流的幾十分之一。

目前運(yùn)行的快控電源均是在中高壓多電平變頻器基礎(chǔ)上改制而成。該電源由多組相同結(jié)構(gòu)的變流器并聯(lián)而成，單臺(tái)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。從圖2、圖3中可看出該變流器主要采用級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于輸入為交流電壓，故在每個(gè)H橋模塊單元前端增加三相隔離變壓器和三相二極管整流橋，或者前端用一臺(tái)或者多臺(tái)多輸出繞組的變壓器等方式。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：快控電源系統(tǒng)使用圖2所示結(jié)構(gòu)雖然能滿足EAST裝置實(shí)驗(yàn)的要求，但也存在以下缺點(diǎn)：

1．每個(gè)H橋模塊輸入側(cè)均通過隔離變壓器供電。由于快控電源屬于短時(shí)工作電源，即有充足的時(shí)間可用來(lái)給每個(gè)模塊充電。過多的隔離變壓器不僅增加了設(shè)備成本，還增加了設(shè)備所需安裝空間。

2．每個(gè)H橋模塊內(nèi)均有三相二極管整流模塊。過多的整流元器件使得快控電源系統(tǒng)出現(xiàn)失效的可能性得以提高，成本也相應(yīng)增加。

3．由于瞬間脈沖電流很大，每個(gè)H橋模塊內(nèi)往往需要配較多的儲(chǔ)能直流電容，因此必須配置專門的預(yù)充電回路，這樣也增加了系統(tǒng)的體積和成本。

4．在大電流對(duì)負(fù)載放電的過程中，如果電容上的直流電壓下降很快，會(huì)造成輸入側(cè)電流很大，對(duì)輸入電網(wǎng)造成較大的沖擊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述常用快控電源存在的這些缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種單充電回路的快控電源，其安裝空間和設(shè)備成本均得以降低。

本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種快控電源系統(tǒng)，由一充電模塊單元、一H橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每一個(gè)H橋單元，H橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出端經(jīng)斷路器連接負(fù)載回路。

本發(fā)明還提供了快控電源系統(tǒng)的控制方法，采用分時(shí)充電方式，在給負(fù)載大電流/電壓放電時(shí)，停止充電，所有H橋單元同時(shí)對(duì)負(fù)載放電，并通過對(duì)H橋單元中開關(guān)器件的控制來(lái)調(diào)整用于放電的儲(chǔ)能電容的數(shù)量，調(diào)節(jié)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(chǔ)能電容的充電和放電過程。預(yù)充電時(shí)，斷開斷路器，采用同一充電模塊單元進(jìn)行預(yù)充電。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明裝置只采用了單一充電單元，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，采用適當(dāng)?shù)姆謺r(shí)充電控制方式，即可完成對(duì)變流設(shè)備上所有的H橋單元直流側(cè)儲(chǔ)能電容的充電過程，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，設(shè)備操作和維護(hù)更加方便，同時(shí)節(jié)約了設(shè)備成本和安裝尺寸。

2.采用了同一套充電單元，斷開后端的斷路器，即可完成全部單元模塊儲(chǔ)能直流電容的預(yù)充電過程，預(yù)充電過程中效率高，充電單元利用率高，降低了成本。

附圖說(shuō)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3是帶整流模塊和儲(chǔ)能電容的H橋單元模塊。

圖4是本發(fā)明快控電源使用的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖5是H橋逆變單元結(jié)構(gòu)圖。

圖6是充電單元U1結(jié)構(gòu)圖。

圖7是具有能量回饋功能的充電單元U1結(jié)構(gòu)圖。

圖8是充電單元給H橋模塊單元充電結(jié)構(gòu)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(gè)H橋單元串聯(lián)充電示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明快控電源系統(tǒng)中變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，從圖中可看出該變流器采用H橋級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂單元由m（m≥1）個(gè)H橋單元串聯(lián)而成。為了提高設(shè)備的輸出電流等級(jí)，本發(fā)明裝置采用n（n≥2）個(gè)單橋臂單元并聯(lián)的方式。本發(fā)明電源結(jié)構(gòu)中的某一時(shí)刻處于工作狀態(tài)的H橋單元數(shù)均可根據(jù)設(shè)備負(fù)載需求進(jìn)行調(diào)整。從圖4中還可看出變流器的輸出經(jīng)斷路器QF與線圈負(fù)載構(gòu)成回路，線圈負(fù)載主要以電感為主，圖中的R為線路與線圈的等效電阻。

本發(fā)明變流器中所使用H橋單元結(jié)構(gòu)如圖5所示，該結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)能電容為大容值電容。與常見結(jié)構(gòu)不同的是，本發(fā)明變流器結(jié)構(gòu)只采用單一充電模塊單元U1，該單元的結(jié)構(gòu)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管整流器和IGBT斬波單元組成，三相二極管整流器將三相交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，斬波單元主要起到調(diào)節(jié)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。由于均采用的是雙向器件，故可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。圖7所示結(jié)構(gòu)除可完成圖6所示結(jié)構(gòu)充電單元的功能外，還可回饋能量至電網(wǎng)中。圖6、圖7充電模塊單元中的LC回路為濾波電路。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。

由于快控電源屬于短時(shí)大脈沖電流和長(zhǎng)時(shí)間小電流工作方式的電源，故可利用分時(shí)充電的方式給變流器單元中的H橋單元的直流側(cè)儲(chǔ)能電容充電。在給負(fù)載大電流/電壓放電時(shí)，停止充電，所有H橋單元同時(shí)對(duì)負(fù)載放電，并通過對(duì)H橋單元中開關(guān)器件的控制來(lái)調(diào)整用于放電的儲(chǔ)能電容的數(shù)量，調(diào)節(jié)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(chǔ)能電容的充電和放電過程。對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)中各H橋單元進(jìn)行預(yù)充電時(shí)，需將圖4中斷路器QF斷開。充電可以每次只給一個(gè)H橋單元充電，該方式下每個(gè)H橋單元的直流側(cè)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(guān)管S1、S2同時(shí)導(dǎo)通或者開關(guān)管S3、S4同時(shí)導(dǎo)通，該充電方式示意圖如圖9a所示）；也可以每次給多個(gè)H橋單元充電，該方式下各H橋單元直流側(cè)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(lái)調(diào)節(jié)，在該狀態(tài)下的各種充電方式示意圖如圖9b、9c、9d所示（由于模塊數(shù)眾多，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明圖中只采用兩個(gè)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(shí)現(xiàn)各H橋單元直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)，而各H橋單元直流側(cè)電壓值具體和當(dāng)前時(shí)刻所需電流值大小有關(guān)。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。