EAST快控电源逆变器并联分析

1、第44卷第3期2010年3月电力电子技术PowerElectronicsVol.44，No.3March2010EAST快控电源逆变器并联分析黄海宏，傅鹏，高格，吴义兵230031）（中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥摘要：针对超导托卡马克核聚变实验装置（ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak，简称EAST）对等离子体位移快控电源大电流快速响应要求，采用多组逆变单元并联运行。分析了采用均流电抗器形式的逆变电源并联产生环流的情况，根据EAST快控电源系统的设计要求，对逆变单元采用电流闭环调节器控制，可有效提高系统对低频和直流环流的抑制能力。实验结

2、果说明该系统设计方案合理，控制策略有效。关键词：逆变器；快控电源；均流电抗器；环流中图分类号：TM464；TL62文献标识码：A文章编号：1000-100X（2010）03-0057-03ParallelingInvertersAnalysisofEASTFastControlPowerSupplyHUANGHai-hong，FUPeng，GAOGe，WUYi-bing（InstituteofPlasmaPhysics，ChineseAcademyofScience，Hefei230031，China）Abstract：Themethodofmultipleinvertersparallele

3、dispresentedtomeettheneedoflargecurrentandfastcontrolfortheplasmadisplacementpowersupplyintheexperimentaladvancedsuperconductingTokamak（EAST）.Thecirculatingcurrentamongparalleledinverterswithcurrentsharingreactorisanalyzed.AccordingtodesigndemandofEASTfastcon-trolpowersupply，theadjusterofcurrentclos

4、eloopisappliedtoinverter，whichcanadvanceabilitytorestrainloopcur-rentinlowfrequencyandDCoutput.Theexperimentalresultsconfirmthevalidityofproposedschemeandcontrolstrategy.Keywords：inverter；fastcontrolpowersupply；currentsharingreactor；circulatingcurrentFoundationproject：SupportedbyKeyProjectofNational

5、NinthFiveYearResearchProgramofChinaNo.（1998）13031引言觶0（U00）为并联交流母线电压U觶1（U11），U觶2（U22）分别为两台逆变器的输出电压U超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）中快速控制电源是一种大容量AC/DC/AC单相逆变电源。它跟踪等离子体漂移产生位移信号，并通过为真空室内部4个快控线圈提供数千安的励磁电流，形成磁场来维持等离子体在非圆截面时的动态平衡与准确位置，以抑制其在大拉长形下的快速漂移。考虑到图1两台逆变电源并联系统等效电路两台逆变器均流电抗器的阻抗Z1=R1+jX1，Z2=R2+jX2；并联系统负载阻抗Z0=R0+jX0

6、。根据戴维南定理，有：EAST装置要求快控电源能输出数千安培的负载电流，并有快速的电流跟踪响应，而单台变流器难以实现该要求，故电源系统由24个逆变单元经过均流电抗器并联组成。逆变电源的并联运行远比直流电源并联复杂，不但要求输出电压幅值相等，且波形、频率和相位也要一致，否则各逆变器间将存在很大的环流，因此需要在逆变电源输出侧串联均流电抗器。但均流电抗器在抑制环流的同时，其压降使得电源特性变软，稳压特性变差。从限制动态环流的效果考虑，其电感值越大越好；但从稳压精确角度考虑，电感值越小越好，这就需要综合考虑两方面因素，以达到最佳的控制效果1。觶0=U觶102+U觶201U Z1+Z0Z2Z2+Z0Z

7、1 觶1觶2UU觶1=Z0I-10220110觶1觶2 UU觶2=- Z0+I10220201觶1=U1（cos1+jsin1）-U0I逆变器1供给负载的复功率为：觶0I觶1*=U0U1（cos1+jsin1）-U0S1=P1+jQ1=U11U0（RUcos-RU+XUsin） P1=11110111 11U（UXcos-UX-RUsin） Q1=1110111111（1）觶h=（I觶1-I觶2）/2，逆变器1的输出电流为：定义环流I（2）2逆变器并联环流分析为简化分析，对两台逆变器并联构成的系统进*（3）行详细分析，其等效电路如图1所示。基金项目：国家九五重点科技攻关项目（1998）1303

8、定稿日期：2009-08-21作者简介：黄海宏（1973-），江西人，博士生，副教授，研究方向为电力电子和自动控制技术。（4）由于一般逆变器的输出电压与系统电压之间的相位差很小，sin11，cos11，则第一台逆变器输出的有功和无功为：57第44卷第3期2010年3月电力电子技术PowerElectronicsVol.44，No.3March2010，P1=U0（R1U1-R1U0+X1U11）11（5），Q1=U011（U1X1-U0X1-R1U11）同理可得第2台逆变器输出的有功和无功。定义U=U1-U2，=1-2；有功功率差P=P1-P2，无功功率差Q=Q1-Q2。设Z1=Z2=Z=R+

9、jX，则：觶I觶h=U1U觶22（R+jX）（6）由式（6）可知，影响环流的主要因素是各逆变器的输出电压和均流电抗器的阻抗数值。均流电抗器对抑制环流的高频部分十分有效，但由于其电阻值很小，故对环流的低频成分，尤其是直流成分限制作用甚小。图2示出环流矢量图。当输出电压只有幅值差，而无相位差时，即U1U0U2，1=2=0时：，Pi=U0R（Ui-U0），P=U0RU，Qi=U0X或，（Ui-U0），Q=U0XU（7）P，i=RP，i=1，2i，=R图2环流矢量图P10，P20，Q10，Q20。电压高的逆变器发出有功和无功环流功率；电压低的逆变器吸收有功和无功环流功率。当输出电压只有相位差，而无幅值

10、差时，即U1=U2=U0，1=-2=/2>0时：，Pi=U0UiXi，P=U02X，Qi=-UUR，-U2R，R2+X2i或，Q=R2+X2（8）Pi，=-X，i=1，2P=-Xi，P10，P20，Q10，Q20。相位超前的逆变器发出有功，吸收无功环流功率；相位滞后的逆变器吸收有功，发出无功环流功率。3EAST快控电源逆变器均流控制策略大容量通用正弦波离网逆变装置由若干逆变单元并联而成，由于参数的分散性，必然造成单元间的不均流。目前逆变器并联有自整步法、外特性下垂法、主从模块法、热同步并机技术和无主从同步均流技术。其中自整步法控制电路复杂，调节时间长，精度低；外特性下垂法和热同步并机技术

11、在动态过程或带非线性负载时均流效果不好且算法复杂；主从模块法构成复杂；而无主从同步均流技术只适用于电流型控制的逆变器。58由于EAST快控电源的负载为阻值很小的阻感性负载，输出高电压微小的持续时间也会带来负载电流的急速攀升，采用电压信号给定时，给定信号若不能及时跟上电流变化速度，可能造成频繁的单元过流保护。考虑到EAST快控电源的作用是通过输出励磁电流来产生磁场控制等离子体漂移，不存在稳压精度的要求，电源输出电压主要影响电流上升率而不是电流值。为克服多模块并联不均流的问题，输入波形信号采用电流给定方式，输出电流实时跟踪给定信号，并进行线性功率放大，使其成为一种具有电流源特性的电压源型逆变器。每

12、个逆变单元采用电流闭环比例调节器控制，其反馈取单元内部均流电抗器上的电流，控制框图如图3所示。图3功率单元的控制框图给定信号的变化具有快速性和随机性，积分环节虽然可消除静差，但会使响应的快速性下降，故控制器采用比例调节。忽略调制中的非线性成份，即忽略输出的载波及所有的高次成份，包括载波信号及输入信号的各次组合频率成份，每个单元放大器可简化为一个线性系统，各单元都是电流型放大器，可采用电流源形式表示2，如图4所示。为电流反馈系数；K1为前置放大器增益图4功率单元的控制结构图K2为逆变器增益，等于母线电压与比较三角波幅值之比；逆变器内阻和均流电抗器阻抗近似表示为Z（s）R+Ls；K0为PWM调制放

13、大器开环增益。令K0=K1K2，则单元闭环传递函数为：G（s）=K0（9）0若两个逆变单元并联运行，则根据式（6）可得环流：觶IU觶h=1-U觶22（K0+R+Ls）（10）由于电流闭环使得逆变单元输出阻抗的实部增加了K0部分，而虚部与开环时相同。若K0垌R，电流闭环负反馈对低频和直流环流的抑制能力大大增强；而在高频段和电流变化较大时，各单元间的环流仍主要取决于均流电抗器中电感的大小。需注意的是，增大K0有助于抑制环流，提高系统在低频状态的均流能力，但过高的K0会引起系统的不稳定。在上述分析中，将单元简化成一个一阶系统，只考虑了电感性负载所形成的极点，对单极点系统闭环反馈不存在稳定性问题，但实

14、际上它并不是真正的单极点系统。由于调制过程中会形成延迟，EAST快控电源逆变器并联分析设延迟时间为，则环路PWM调制放大器开环增益应为K0e-s，式（9）应改为：实验中工控机通过PXI-2204采集卡记录的112个逆变单元的电流输出波形。图中各逆变单元电流波形相似，同一时刻的数值接近，各逆变单元间瞬时均流情况满足设计要求。-s（11）K0e-s+R+Ls由于s垲1，则e-s1-s，则式（11）简化为：K0（1-s）（12）G（s）=00显然，系统稳定条件为L-K0>0，调制过程中最大延迟时间为载波周期T，则L>K0，设fk为载波频率，则系统稳定条件为LfkK0。故应根据均流电抗器电

15、感数值和载波频率数值合理选择开环增益K0。G（s）=4实验图524个逆变单元并联运行，各单元输出交流电流的有效值如表1所示。表1单元均流测试结果12个逆变单元的输出电流波形5结论123456I/A76.576.477.276.673.578.0单元789101112I/A76.075.276.076.076.175.8单元131415161718I/A76.578.573.075.574.475.3单元192021222324I/A79.078.276.277.274.977.6将输出侧串联均流电抗器的逆变器并联技术应用于EAST快控电源，并根据其运行特性采用电流闭环反馈技术，提高其抑制环流效

16、果。实验证明，该电源系统能输出大电流并具有良好的跟随性能，逆变单元间的均流效果也满足要求，达到EAST快控电源一期工程的指标。用箝流表测量各单元的输出电流，检测系统逆变单元并联运行的均流程度。当输入信号为峰值为5V，频率为100Hz的正弦波时，根据表1所示，总电流为1830.3A，均流系数k=蒡i/（nImax）=0.97。快控电源正常工作时，输出电流波形实时跟踪输入信号，而输入信号并非标准的正弦波形。图5示出参考文献12江春红.逆变器并联运行的常用控制方案J.铜陵学院学报，2006，9（3）：78-81.黄海宏.三电平大功率并联逆变电源在EAST系统中的应用J.核聚变与等离子体物理，2008

17、，28（4）：357-361.蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡1h设定一次温度并测量电源电压。测试条件为Uin=24V，RL1k，结果如表1所示。（上接第54页）隔是造成功率损失的关键，设计时应重点考虑。5结论中子发生器是随钻中子孔隙度测量系统的关键部件。针对其输入电源必须满足耐高温、响应速度快、体积小等特殊要求，基于电流断续模式Boost变换器升压比大的特点，以军用级电流型PWM芯片图4表1电源运行时的输出波形不同环境温度额定负载时的输出电压Ta/25405570Uo/V145.98145.92145.85145.73Ta/85100125140Uo/V145.65145.54145.28145.09UC1842作为控制器设计了DC/DC升压电源。对样机在25140环境温度下进行测试，结果表明该电源工作稳定，可靠性高，效率达80以上，电路调试容易。目前该电源已在实际设备中得到了成功应用。参考文献1宋延淳，邓乐，毛为民.随钻中子空隙度测量的数值模拟研究A.先进钻井技术与装备论文集C.北京，2008：由测试结果知，电源的Uo随着Ta的升高而降低，在Ta=140时相对Ta=25时Uo下降了约1V，这