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在加速器电源的实际运行中,输出电流的稳定性关乎约束磁场的稳定性,从而对粒子束运行轨迹的稳定性产生决定性作用[11]。因此,总体采用输出电流作为被控量的电流闭环控制,将电流参考和输出电流送入总的电流环闭环调节后可得到悬浮模块和主模块需要产生的总电压
${V}_{\mathrm{ref}} $ ;为确保两个模块能够在放电阶段共同放电使输出电流满足需求,并且在下降段结束时能够将悬浮模块的母线电压充电到初始值,必须通过电压分配算法将总参考输出电压$ {V}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}} $ 分配给悬浮模块和主模块,悬浮模块参考输出电压记为$ {V}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}\_\mathrm{f}} $ ,主模块参考输出电压记为$ {V}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}\_\mathrm{c}} $ 。具体的控制策略如图5所示。后级通过两个H桥串联的方式,可以实现电源的三电平输出,以降低电源纹波;同时,采用移相倍频的调制方式(主模块和悬浮模块内部桥臂移相180°,两个模块之间移相90°),增大输出等效频率(4倍开关频率),可提升电源动态响应,进一步减小输出电流纹波。
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在放电阶段,即脉冲电流的上升段和平顶段,悬浮模块和主模块同时向负载放电,两个模块输出电压之和为负载所需总参考输出电压
$ {V}_{\mathrm{ref}} $ 。令悬浮模块参考输出电压为$$ {V}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{f}}=k\times {V}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}} \text{,} $$ (1) 则主模块参考输出电压为
$$ {V}_{\mathrm{r e f}\_\mathrm{c}}=(1-k)\times {V}_{\rm ref} \text{,} $$ (2) 式中
$ k $ 为放电比例系数,表述悬浮模块参考输出电压$ {V}_{\mathrm{r e f}\_\mathrm{f}} $ 在负载所需总参考输出电压$ {V}_{\mathrm{r e f}} $ 中的占比。 -
在一个脉冲电流周期内,悬浮模块电容电压以及输出电流的对应波形如图6所示。假设在脉冲电流下降段的某个瞬间,输出电流瞬时值为
$ I $ ,悬浮模块电容电压瞬时值为$ {U}_{\mathrm{f}} $ ,该瞬间到放电结束的预估剩余时间为$ {t}_{0} $ ,放电结束时电容电压回到预设最大值$ {{U}_{\mathrm{f}}}_{\_\mathrm{max}} $ 。根据H桥电压电流特性[12],在反向充电阶段的任意时刻,悬浮模块参考输出电压
$ {V}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{f}} $ 与直流电容电压${U}_{\rm f}$ 存在正比关系,即$$ {U}_{\mathrm{f}}=\frac{{V}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}\_\mathrm{f}}}{D} 。 $$ (3) 同理,在当前瞬间至电流下降段结束期间的任意时刻,悬浮模块直流侧电容电流
$ {I}_{\mathrm{f}} $ 满足:$$ {I}_{\mathrm{f}}=D\times \left( { I-\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}\times t } \right) \text{,} $$ (4) 式中D为悬浮模块参考占空比。
根据电容的特性方程可得:
$$ {I}_{\mathrm{f}}={C}_{1}\times \frac{\mathrm{d}{U}_{\mathrm{f}}}{\mathrm{d}t} , $$ (5) 式中
$ {C}_{1} $ 为悬浮模块电容。对式(5)两边进行积分,并代入式(3)、(4)得到,悬浮模块直流电容电压在放电阶段任意瞬间满足:$$\begin{split} {U_{\rm f}}_{\_\max } - {U_{\rm f}} = & \frac{1}{{C_1}}\times \displaystyle\int_0^{{t_0}} {{I_f}{\rm d} t = } \frac{1}{{C_1}} \times \displaystyle\int_0^{{t_0}} {D \times \left( { I - \frac{\rm d{I}}{\rm d{t}} \times t } \right){\rm d}t} \\ =& \frac{1}{{C_1}} \times \left( { D \times I \times {t_0} - \frac{1}{2} \times D \times \frac{\rm d{I}}{\rm d{t}} \times {t_0}^2 } \right) 。 \\[-11pt]\end{split}$$ (6) 又根据电流下降段曲线可得预估时间
$ {t}_{0} $ :$$ {t}_{0}=\frac{I}{\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}} , $$ (7) 将式(7)代入式(6),可以得到悬浮模块参考占空比D计算公式为
$$ D=\dfrac{2\times {C}_{1}\times \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}\times \big({{U}_{\mathrm{f}\_\mathrm{max}}}_{}-{U}_{\mathrm{f}}\big)}{{I}^{2}} 。 $$ (8) 在得到悬浮模块参考占空比D后可得,在反向充电阶段,悬浮模块以及主模块的参考电压分配关系如下:
$$ \left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{f}}=D\times {U}_{\mathrm{f}}\\ {{\mathrm{V}}_{\mathrm{r ef}\_\mathrm{c}}}_{}={V}_{\mathrm{ref}}-D\times {U}_{\mathrm{f}}\end{array}\right. 。 $$ (9) -
数字控制器采用DSP芯片TMS320F28377D作为核心器件[13],实现电源所有控制功能,控制器实物图如图7所示。控制器采用1路18位高精度ADC(AD7634)采集经600A高精度DCCT转换得到的输出电流信号,以实现电路闭环控制;直流侧电容电压、电网侧三相电压及三相电流由8通道的16位低精度ADC(AD7606)采集。控制器共可提供20路PWM波信号,利用其中8路PWM波,经驱动电路后控制H桥IGBT的开通与关断。电源输出电流、直流侧电容电压等数据均可存储在外部SRAM芯片中,以便进行后续数据处理和分析[14]。
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利用Plecs仿真软件搭建悬浮拓扑结构模型,对其原理进行仿真验证[15]。仿真参数如表1所列。
表 1 仿真参数
C1, C2
/F负载电感
/mH负载电阻
/mΩ开关频率
/kHz电流峰值
/AUf_max
/V0.1 60 60 10 200 170 为验证算法原理的正确性以及可重复性,在放电阶段分别取悬浮模块放电比例系数
$k=0.4,\,0.5,\,0.6$ ,以3个脉冲周期波形进行仿真。悬浮模块的直流电容电压与电源输出电流仿真波形如图8所示。从图8中可以明显看出,在不同放电比例系数下,电源输出电流一致,悬浮模块电容电压在电源输出电流的上升段和平顶段下降,在下降段上升。对比不同放电比例系数下悬浮模块母线电压值,当放电比例系数越大,悬浮模块直流电容电压在放电段下降越多,但总会在反向充电阶段将电压充回初始值170 V,验证了控制策略的正确性。在3个脉冲电流周期内,其波形一致,重复性良好。
在不同放电比例下,主模块直流电容电压波形如图9所示。可以明显看出,在脉冲电流的下降段,不投入悬浮模块时主模块的直流电容电压会有50 V左右的起伏,原因是下降段负载馈能全部反馈到了主模块的直流侧,导致电容电压上升;而投入悬浮模块后主模块直流母线电压最大只有10 V左右的波动,有效地抑制了主模块的直流电压波动。
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摘要: 随着加速器技术的发展,重离子加速器脉冲电源工作频率逐步提高,电流上升速率逐步提升。脉冲电源磁铁负载具有阻感特性,其在电流波形上升段将吸收大量的无功,会对电网产生周期性强冲击;同时,快电流上升速率下的高精度要求,对电源设计提出了新的挑战。论文设计了一种基于电容储能的悬浮型H桥级联拓扑,利用电源自身储能电容和负载电感进行无功交互,实现了无功能量的内部循环,以减小对其对电网冲击;同时采用H桥级联多电平结合移相倍频控制,以保证电源快动态响应下的高精度需求。样机实验结果验证了电源拓扑和控制原理的可行性,为加速器快电流上升速率脉冲电源提供了一种新的解决方案。Abstract: With the development of accelerator technology, the working frequency and current rising rate of the pulse power supply of heavy ion accelerator are gradually increased. The magnet load of pulse power supply has the resistive characteristic, and it will absorb a large amount of reactive power in the rising section of current waveform, which will have a strong periodic impact on the power grid. At the same time, the high precision requirement of fast current rising rate poses new challenges to power supply design. In this paper, a suspension type H-bridge cascade topology based on capacitor energy storage is designed, which uses the energy storage capacitance and load inductance of the power supply to carry out reactive power interaction, and realizes the internal circulation of the reactive power, so as to reduce the impact on the power grid. At the same time, multilevel modulation and multiple frequency phase shift method is adopted to ensure the high precision demand under the fast dynamic response of power supply. The experimental results of the prototype verify the feasibility of the power supply topology and control principle, providing a new solution for the pulse power supply of accelerator based on fast current rising rate.
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Key words:
- floating topology /
- pulse /
- power supply /
- accelerator /
- PI control
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表 1 仿真参数
C1, C2
/F负载电感
/mH负载电阻
/mΩ开关频率
/kHz电流峰值
/AUf_max
/V0.1 60 60 10 200 170 -
[1] XIA Jiawen, ZHAN Wenlong, WEI Baowen, et al. Science Bulletin, 2016, 61(Z1): 467. (in Chinese) doi: 10.1360/N972015-00472(夏佳文,詹文龙,魏宝文,等.科学通报,2016,61(Z1):467 [2] 陈又新, 燕宏斌, 黄玉珍, 等. 强激光与粒子束, 2010, 22(9): 5. doi: 10.3788/HPLPB20102209.2138 CHEN Youxin, YAN Hongbin, HUANG Yuzhen, et al. Intense Laser and Particle Beam, 2010, 22(9): 5. (in Chinese) doi: 10.3788/HPLPB20102209.2138 [3] 高大庆, 武荣, 周忠祖, 等. 电力电子技术, 2003(02): 17. doi: 10.3969/j.issn.1000-100X.2003.02.006 GAO Daqing, WU Rong, ZHOU Zhongzu, et al. Power Electronics, 2003(02): 17. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-100X.2003.02.006 [4] 王有云, 高大庆, 丁军怀, 等. 原子能科学技术, 2010, 44(4): 499. WANG Youyun, GAO Daqing, DING Junhuai, et al. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(4): 499. (in Chinese) [5] 张志新. 高功率密度大功率脉冲电源的设计及实现[D]. 兰州: 中国科学院研究生院(近代物理研究所), 2015. ZHANG Zhixin. Design and Realization of High-power Density and High-power Pulsed Power Supply[D]. Lanzhou: Graduate University of Chinese Academy of Sciences (Institute of Modern Physics), 2015. (in Chinese) [6] TAN S, LI R, GUO C, et al. Nucl Instr and Meth A, 2018, 911: 25. doi: 10.1016/j.nima.2018.09.091 [7] 齐欣, 徐中雄. 原子能科学技术, 2006, 40(3): 362. doi: 10.3969/j.issn.1000-6931.2006.03.024 QI Xin, XU Zhongxiong. Atomic Energy Science and Technology, 2006, 40(3): 362. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-6931.2006.03.024 [8] PERON R, BORDRY F, BURNET J, et al. A 60MW Pulsed power Supply for Particle Accelerator: Preliminary Test Results[C]// Ohrid, Republic of Macedonia: EPE-PEMC, 2010. [9] PERON R, GUENNEGUES V J, POULIQUEN L, et al. Performances Analysis of Main Components Used in 60MW Pulsed Supply for Particle Accelerator[C]// Barcelona, Spain: European Conference on Power Electronics & Applications. IEEE, 2009: 10. [10] BOATTINI F, BURNET J P, SKAWINSKI G. POPS: The 60 MW Power Converter for the PS Accelerator: Control Strategy and Performances[C]//Geneva, Switzerland: EPE-ECCE Europe 2015. [11] 吴凤军. 空间矢量PWM整流技术在重离子加速器电源中的研究与应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2016. WU Fengjun. Research and Application of Space Vector PWM Rectification Technology in Heavy Ion Accelerator Power Supply[D]. University of Chinese Academy of Sciences (Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences), 2016. (in Chinese) [12] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 5版. 北京: 机械工业出版社, 2009. WANG Zhaoan, LIU Jinjun. Power Electronics TechnologyM]. 5th ed. Beijing: China Machinery Industry Press, 2009. (in Chinese) [13] TANG R, WANG H, YANG X, et al. Aerospace Manufacturing Technology, 2019, 3(26). doi: CNKI:SUN:HTGY.0.2019-03-005 [14] GORRIERI R, VERSARI C. Introduction to Concurrency Theory: Transition Systems and CCS[M]. Switzerland: Springer International Publishing, 2015: 81. [15] WU W. Experimental Technology and Management, 2011, 28(06): 110. doi: 10.16791/j.cnki.sjg.2011.06.030