PSM高压脉冲电源单元研制

为了提高HL-2A装置的物理实验参数,二级加热功率将达到10MW,需要开发新的高压大功率电源来满足不同的加热系统的要求。采用国际上近些年发展起来的PSM技术和快速开关元件,研制基于高功率固态技术的高压电源并进行了PSM单元制作,其输出参数最高达15kV/100A。对此电源使用的PSM控制原理,开关电源模块的研制以及28个开关电源模块串联调节等情况作了描述。测试结果表明,该电源输出电压、电流、输出直流侧有效高频和关断快速性等参数达到了设计要求。     

基于软启与缓冲功能的长脉冲电源模块

依托中国环流器二号M(HL-2M)装置等离子体加热和电流驱动需求,提高HL-2M装置物理实验参数,为开展NNBI加热系统设计,需开发新的大功率高压电源系统来加速引出的负离子源.采用国际上常用脉冲阶梯调制(PSM)高压电源技术和快控技术,建造一套200 kV/50 A/100 s高压电源系统.首先研制基于软启动和缓冲电路的大功率长脉冲开关电源单元,其额定输出参数为800 V/50 A/100 s.通过对此开关电源模块进行相关电气指标测试表明,电源模块的输出电压、电流、负载短路快速关断时间、电压上升和下降时间均达到设计要求.     

HL-3装置电子回旋用大功率脉冲高压电源

阴极高压电源采用单相桥式整流电源模块串联的结构,通过优化的控制算法控制不可调电源模块的开通个数,实现高压输出的初步建立,再利用算法使其可调电源模块动态输出,实现快速跟踪设定值以达到高稳定度的电压波形输出。目前该80 kV/50 A/3s电源控制系统已完成输出电压、电流、电压纹波、过流保护时间等多次统计测试。测试结果表明,其在输出电压53 kV时,平顶电压纹波系数为0.57%,可满足电子回旋共振加热系统相关指标要求。     

基于PSM技术的70kV/90A高压脉冲电源的研制

在受控核聚变实验中,辅助加热系统采用高功率微波和高能粒子对等离子体进行加热或驱动。这些部件不仅要求为其供电的高压电源稳定度高,而且要求在它们发生打火现象时,保护时间短(<10μs),高压电源对其释放的能量小,否则这些关键部件极易受到损坏。基于脉冲步进调制PSM技术的高压脉冲电源是许多相同的脉冲电源串联并经过特定的调制方式控制,从而实现高压大功率输出。该高压电源有控制方式灵活、输出功率高、功率因数高、稳定度高、响应速度快、保护时间短、故障时系统对负载的释能小等众多优点。尤其保护时该电源系统储能小,时间短,满足各种高功率微波管和加速器的要求。本文分析了基于主回路的三种控制方式,并选取了PSM技术作为最终控制方式。在此基础上,设计并研制了一套基于PSM技术的高压脉冲电源,实验及运行结果表明该高压电源的线路简洁,控制方式灵活,且各项参数均优于现有基于晶闸管器件的高压电源,最高输出参数约为72kV/90A,能够满足辅助加热系统的要求。     

基于低压直流供电的100 kV重频高压电源

为了满足小型化、重频化脉冲功率装置在无市电供应环境下的充电需求,研制了一种紧凑型重频高压电源。电源使用30 V低压直流供电,分别采用初级储能电容和多模块串联叠加结构实现输出功率的放大和100 kV高压的输出;通过仿真实验拟合输出电压和功率曲线,进而分析了模块和整机的性能;然后对电源各器件进行结构设计并完成了硅凝胶灌封;最后采用两组充电运行实验测试了电源系统的性能指标。最终测试结果表明:电源能够对320 nF电容负载充电至100 kV;平均充电功率大于10 kW;充电频率1~10 Hz可调;实际电源装置的输出功率小于仿真结果,可能是由反馈电流信号纹波过大和组装的等效阻抗更大所引起。该结果验证了重频高压电源技术方案的可行性,并为研制更高性能的紧凑型重频高压电源奠定了基础。     

DNB高压电源CROWBAR系统研究

为在中性束诊断(DNB)系统打火等严重故障时及时撤除高压以保护系统设备和人员安全,分析了撬棒(CROWBAR)保护系统作为HT-7托卡马克DNB系统高压电源最关键的后备保护系统,针对DNB系统50 kV的高压和恶劣的电磁环境,用大功率引燃管组成的撬棒保护系统并联在DNB高压电源上,故障时导通引燃管将高压电源直接对地短路泄放能量,保护DNB系统设备。通过分析引燃管的参数和触发特点设计的新引燃管触发电路和通过串联水电阻以限制短路电流的方法解决了撬棒保护动作时产生的短路大电流干扰其他电子设备引起的元器件损坏。测试实验和HT-7托卡马克上的DNB实验都表明撬棒系统工作时对周边设备的干扰大大降低,没有造成元器件损坏,该撬棒系统运行可靠稳定,能够满足HT-7和EAST对DNB系统的运行要求。     

桥臂交替导通型多电平换流器的晶闸管换向方法

给出了一种用于桥臂交替导通型多电平换流器的晶闸管换向方法。当换向开关门极信号发生变化时,不立即改变所对应子模块组的输出电压,而是继续保持输出电压以强迫串联晶闸管关断,即通过延迟桥臂交替控制晶闸管作为换向开关。该方法的优点在于:损耗低、直流侧故障耐受能力强,保证换流器具有电压源换流器的灵活性,避免了大量IGBT串联,大幅降低了换流器的实现难度和成本。建立了三相35 kV的240子模块换流器的仿真模型。仿真结果表明:给出的方法可以控制晶闸管关断换向,换流器能够四象限稳定运行,并在此过程中保持桥臂电抗尖峰电压和子模块电压波动均处在合理水平。     

光伏中压直流变换器串联系统控制策略研究

针对光伏中压直流变换器串联系统中光伏发电单元功率失配导致的变换器输出过电压及功率损失问题,分析了光伏直流变换器串联系统运行特性,推导了限电压控制下串联系统光伏功率损失与光伏发电单元功率不均衡度及变换器输出电压限幅值之间的关系;提出了改进型Boost全桥隔离功率模块拓扑及其调制策略,基于功率模块输入并联输出串联形成模块级联型直流变换器,通过占空比灵活调节,实现直流变换器宽输出电压范围运行,解决直流变换器调压能力不足导致的功率损失问题;针对光伏直流变换器串联系统复杂运行工况,提出了串联系统直流变换器自适应电压分段式控制策略,实现了串联系统直流变换器多模式自适应稳定运行。研制了3kV/80kW功率模块及20kV/500kW光伏中压直流变换器,基于3台直流变换器输出串联实现了光伏中压直流变换器串联升压并网系统实证应用,现场实验结果验证了所提直流变换器拓扑方案的可行性与控制策略的有效性。     

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV...     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器研究

提出了一类基于Boost-Flyback变换器的单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器电路结构与拓扑族。这类变换器由二极管整流桥和具有功率因数校正、不间断供电、输出电压快速调节等功能的Boost-Flyback变换器构成，可以将1种交流电压变换成所需要的输出直流电压。分析研究了这类变换器的3种工作模式(正常工作模式、后备工作模式、充电工作模式)、稳态原理特性、控制策略和关键电路参数设计准则，并给出了原理试验结果。这类变换器具有单级功率变换、不间断供电、网侧功率因数高、蓄电池与电网或负载高频电气隔离、输出电压调节速度快、体积重量小、成本低等优点。     

EAST快控电源RT LAB半实物仿真故障分析

在RT-LAB半实物仿真平台上建立EAST快控电源主电路模型,其与外部硬件电路构成闭环反馈回路,实现EAST快控电源的功能。该硬件在环仿真实验实现了预期结果,说明RT-LAB仿真模型的可行性和准确性。文中模拟快控电源主电路中H桥的各种故障状态,通过分析故障状态下快控电源的输出电压和电流波形,形成故障状态数据波形库,为快速定位故障位置提供依据,对于快控电源的稳定运行具有重要意义。     

以电流为判据的厂用电源快切原理及实现

分析了发电厂厂用电源现有快切装置的现状和依据,提出了通过计算备用电源电压和母线残压之间的差拍电压有效值与断电后母线残压初始频差的乘积,以预测冲击电流的大小,并以此为判据的快切新原理。该方法综合了现有方案的长处,可避免单一参数(频率差、相角差或电压差)不满足就闭锁快切的弊端。以135MW和300MW机组为例,给出了切换时的实录数据,结果表明:该方法可最大限度地发挥快切的功能,提高快切成功率及切换质量。     

基于数字锁相技术的交流采样及其信号处理

现在一些场合对应急电源切换的时间要求越来越高,快速采集交流电压信号并进行实时处理,是实现准确快速切换的关键,本文采用TMS320LF2407作为逆变控制芯片,并在此基础上采用数字化锁相技术、RC低通滤波和谐波补偿处理等方法,实现了交流电压信号的准确与快速的实时采集,为应急电源的正确、快速切换控制奠定了基础。     

快速响应的多电平双向电源及高精度电压控制方法

提出了一种快速响应的多电平双向电源及高精度电压控制方法 ,通过负载电流的中高频分量前馈,有效提高了系统的动态响应速度,并降低冲击性负荷下电源输出电压的剧烈扰动,增强了多电平电源的抗扰性能;同时针对电压环提出准比例谐振QPR(quasi-proportional resonance)+重复控制的控制方式,实现了输出电压在基频和主要次谐波频率处的无静差控制,从而提高了多电平电源输出电压的控制精度。所提控制方法能够有效提高系统的动态响应性能及其输出电压的控制精度,增强系统稳定性,可用于解决海岛国防设施和民用设备可靠供电的难题。     

一种连续供电系统双电源快速柔性切换方法

针对焦化生产行业一类负荷电能质量不合格或双电源切换不成功导致煤气异常排放问题,提出一种利用复合开关实现低压双电源快速柔性切换方法。该方法切换速度快,切换过程不产生冲击电流、过电压,保证设备正常运行。切换过程由协调控制器协调控制,各设备间信息流用IEC 61850模型表示,适应未来电网发展。实例分析说明了所述双电源快速柔性切换方法的实现和快速柔性切换复合开关的基本特性。     

加速器用大功率高精度稳流系统几个关键问题

就高精度稳流电源系统的几个关键问题,如负载电流的高精度检测、电压谐波的准确实时获得、有源滤波器输入侧电源电压波动的影响等进行讨论并给出解决方法。实验结果表明,所提方法切实可行,可以满足系统的要求。     

Steady-state characteristics of matrix converter

The matrix converter proposed by Venturini is very simple in structure and has powerful controllability. However, there are few applications especially in power electronics fields. This seems to be caused mainly by the fact that such power devices that were fast enough to suppress ringing oscillations in the supply lines and large enough to pay for more devices and more complicated control circuits than in conventional dc-link converter-inverter systems were not available. At present, static induction thyristors (SIThs) have been introduced and a new possibility for the matrix converter has been raised. This paper describes a new control strategy which is simple and practical and allows the output voltage of 0.866 times the supply voltage to be generated. Also, the new firing sequences which eliminate voltage and current spikes are proposed. Steady-state and distortion characteristics of the prototype PWM matrix converter with SITh are shown.     

辅助互感器串联补偿技术在供电型电压互感器电压调整中的应用

针对供电型电压互感器供电电压随负荷而变化的实际情况,介绍了一种基于辅助互感器串联补偿技术的供电电压补偿方法。以一台额定一次电压为110√3 kV,额定容量为60 kV·A的单相供电型电压互感器为例,计算了其供电电压及供电容量随负荷容量及功率因数的变化率。依据变化率,设计了基于辅助互感器的供电电压自动补偿回路,可实现对供电电压±4.4 V、±8.8 V、±13.2 V、±17.6 V、±22.0 V、±26.4及±30.8 V的补偿量。分别对功率因数cos φ=1和cos φ=0.89（感性）2种情况的不同负荷容量下供电电压补偿效果进行验证,试验结果表明：增加了辅助互感器自动串联补偿回路后,供电型电压互感器的供电电压变化率由–1.80%~11.36%提高到了–3.000%~0.045%,完全满足标准对单相220 V供电电压质量的要求。采用辅助互感器的自动串联补偿技术,可以实现对供电型电压互感器供电电压的补偿,解决了由于农村负荷功率因数低,高峰负荷期供电电压偏低的问题,对提高用户电压质量提供了保障。