100kV高壓脈沖電源的滑模反饋控制

潘圣民 傅 鵬 楊 雷 何寶燦 馮虎林 王鄧輝 胡純棟

(中國科學院等離子體所,合肥 230031)

100kV高壓脈沖電源的滑模反饋控制

潘圣民 傅 鵬 楊 雷 何寶燦 馮虎林 王鄧輝 胡純棟

(中國科學院等離子體所,合肥 230031)

在對100kV高壓脈沖電源主回路結構進行分析的基礎上，提出采用滑模反饋控制方法來控制該高壓電源，并給出其等效數學模型。仿真和實驗結果表明：經滑模反饋控制后的高壓電源輸出電壓過充小、安全裕量大，電壓上升時間約100μs。

滑模反饋控制 高壓脈沖電源 電壓上升時間 輸出電壓過充 安全裕量

100kV高壓脈沖電源是為國家重大科學工程——HT7U超導Tokamak聚變實驗裝置(Experiment of Advanced Supperconductor Tokamak,EAST)中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)系統研制的一套高壓大功率脈沖電源。該電源采用脈沖階梯調制技術[1]，由104個結構相同的額定輸出為1.1kV/100A的電源模塊串聯而成，其額定輸出100kV/100A，最大工作脈寬1 000s。100kV高壓脈沖電源是NBI加熱裝置的主要系統之一，該電源具有輸出電壓在0～100kV(DC)可調、最大電流100A、電壓穩定度高于1%、紋波(峰-峰)小于2%及電流上升時間不大于20μs等特點，因此，必須選擇適合的控制方法來加以控制。但由于100kV高壓脈沖電源的負載為離子源，而離子源在打火時要求電源系統注入能量小于8J，因此，在負載打火時，電源必須在5μs內關斷。為了配合NBI系統其他電源的工作特性，高壓電源的上升時間應為100μs，因此，該電源又需要具有快速開通能力。而該100kV高壓脈沖電源為強非線性系統，傳統的PID控制很難適用。在此，筆者選擇滑模反饋控制方法，實現對整個100kV高壓脈沖電源模塊的控制。

1 100kV高壓脈沖電源的主回路結構

100kV高壓脈沖電源主回路(圖1)有兩臺雙副邊繞組油浸隔離變壓器，每臺油浸變壓器分別連接兩臺干式多副邊繞組變壓器(具有26組副邊繞組)，干式多副邊繞組變壓器的每組副邊繞組給一臺電源模塊供電，最后相鄰電源模塊的正負極相連，104個電源模塊串聯運行，實現高壓輸出。其中，油浸變壓器的輸入輸出均為10kV，主要用于隔離高壓；同時，兩臺油浸變壓器的原邊繞組分別移相±7.5°，則兩臺油浸變壓器的原邊繞組相位相差15°，且油浸變壓器的兩組副邊繞組為星形連接，因此該電源可實現24脈波整流運行，降低電源輸出電壓的紋波。

100kV高壓脈沖電源由104個結構相同的PSM電源模塊(圖2)串聯而成。PSM電源模塊主要包括軟啟動部分、整流橋、濾波電容、交直流熔絲、絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)、續流二極管和控制部分[2～5]。

2 等效數學模型

100kV高壓脈沖電源是由結構相同的PSM電源模塊串聯而成的，因此電源的整體等效數學模型與單模塊電源模型基本相同[6～8]。100kV高壓脈沖電源上升沿模型可以等效為一階滑模電壓控制(圖3)[9～15]。

圖1 100kV高壓脈沖電源主回路結構

圖2 PSM電源模塊

選取參考輸出電壓誤差x1=(Vref-βv0)及其變化率x2=-(β/c)ic為狀態變量，則可以得到如下狀態方程：

圖3 一階滑模電壓控制原理

(1)

式中L、RL、C——等效模型中的電感值、電阻值和電容值；

Ua——當前輸出電壓值；

Ui——單個電源模塊的電壓值；

u——開關控制量，u的取值為-1(切除電源模塊)、0(保持當前電源模塊的狀態)、1(投入電源模塊)；

Vref——參考電壓；

β——滑模系數。

由于高壓電源在上升沿時可以簡化為一個二階控制對象，根據滑模反饋控制技術的降階控制特性，因此只需設計一階滑模面方程即可。選取切換線S=αx1+x2=0，從而得到切換函數為：

S=αx1+x2

(2)

其中，α>0，以確保滑模運動穩定。根據兩個狀態變量的定義，切換函數產生的開關切換控制規律為：

(3)

式(3)的理論切換頻率為無窮大，因此必須采用降頻措施，通常采用滯環調制降頻。

由于滑模反饋控制屬于控制受限的滑模控制，因此滑模區是有限的，系統不一定第一時間進入滑模區。為了保證高壓電源系統能夠順利進入滑模區，必須分析高壓電源一階滑模控制的滑模區。根據滑模面方程S=αx1+x2=0可以得到高壓電源的滑模運動規律為[16～20]：

x1=x1(t1)e-α(t-t1)

(4)

其中，t1為系統運動至滑模面并開始滑模運動的時刻(t1之前系統做趨近運動)。由式(4)可知，滑模運動趨近滑模面的速度直接取決于滑模系數，其值越大，系統進入滑模面的速度越快。

為了分析滑動模態區，將滑動模態存在條件等價為：

(5)

將式(5)代入式(1)可得：

(6)

假設式(6)中兩條直線λ1=0、λ2=0與滑模面S=0的交點分別為x1A和x1B，則有：

(7)

則系統的滑模區為：

x1A

(8)

3 仿真

根據上述分析，對滑模反饋控制方法進行仿真。設高壓電源的輸出電壓超調量2%，負載電阻1kΩ，仿真電路采用滯環調制方式，滯環寬度2 000。仿真電路(圖4)采用模/數混合仿真，主要由電源模塊、數字控制器及滑模控制器等組成。

圖5所示為滑模反饋控制仿真結果，圖5b是圖5a的局部放大圖。可以看出，電壓上升時間為108μs，此時高壓電源的輸出電壓為99.735kV，高壓電源的最大過充為970V，完全滿足設計要求。

圖4 滑模控制仿真電路

圖5 滑模反饋控制仿真波形

4 實驗調試

測試儀器采用DSO5014A示波器，電壓測量工具采用ROSS分壓器VD-120。圖6所示為100kV高壓脈沖電源經滑模反饋控制后的輸出波形，圖6a中CH1為高壓電源的輸出電壓波形，縱軸幅值每格表示20kV；CH2為高壓電源的輸出電壓設定值100kV；CH3為電流波形，縱軸幅值每格表示40A。圖6b為圖6a上升沿的放大波形。

圖6 100kV高壓脈沖電源的滑模反饋控制測試波形

由圖6可知，高壓電源的輸出電壓為100kV，高壓電源經滑模反饋控制后，電壓的過充約為3%，上升時間約100μs，電流峰值小于60A，較過流保護值120A還有一定的安全裕量，完全達到設計要求。

由于最終EAST-NBI高壓電源的額定電壓為80kV，額定電流為70A。因此，高壓電源的滑模反饋控制電壓測試主要在80kV下進行。圖7所示為額定電壓為80kV時的高壓電源滑模反饋控制輸出波形，CH1為輸出電壓波形，縱軸幅值每格表示20kV；CH2為電壓設定值(80kV)；CH3為電流輸出波形，縱軸幅值每格表示40A；橫軸時間，每格幅值表示1ms。由圖7可知，電壓從0升到設定值80kV的時間約100μs，此時電流約50A，電壓只在電流上升時有一個過充，電流峰值約60A。

圖7 額定電壓為80kV時的高壓電源滑模反饋控制輸出波形

5 結束語

筆者提出采用現代非線性控制方法，即滑模反饋控制方法來控制100kV高壓脈沖電源的輸出電壓。通過仿真和實驗驗證，經滑模反饋控制后的高壓電源輸出電壓上升時間約100μs，電壓過充小，安全裕量大，完全滿足設計要求。

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Sliding-modeControlfor100kVHigh-voltagePulsePowerSupply

PAN Sheng-min, FU Peng, YANG Lei, HE Bao-can,FENG Hu-lin, WANG Deng-hui, HU Chun-dong

(InstituteofPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China)

Basing on analyzing 100kV high-voltage power supply’s main circuit, applying the sliding mode to control it was proposed, including its equivalent numerical simulation model. Both simulation and experimental results shows that the high-voltage power supply’s output voltage under sliding-mode control has small overcharge and large safety margin and the voltage rise time stays at 100μs.

sliding-mode feedback control, high-voltage pulse power supply, voltage rise time, output voltage overcharge, safety margin

TH862+.78

A

1000-3932(2016)03-0227-06

2016-01-22(修改稿)

國家“九五”重大科學工程HT7U超導托卡馬克核聚變實驗裝置資助項目(計投資(1998)1303號)；國家高技術研究發展計劃項目(2008GB104000)