一种PSM高压电源系统及其反馈控制实现方法与流程
本发明涉及基于PSM技术的高压电源系统技术领域，尤其涉及一种PSM高压电源系统及其反馈控制实现方法。
背景技术：
作为最近几年国内外研究的重点，PSM开关电源技术发展迅速并已在托卡马克辅助加热高压电源系统中获得大量成功的应用。基于PSM开关电源技术的高压电源系统是以单个整流电源模块为核心，利用多个模块的串联来实现最终直流高压的建立，在控制策略中引入负反馈机制，通过模块的自动增减可以提高电压控制精度，从而减小各种扰动对输出电压的影响。
对于设计参数范围内的各种扰动，在一定控制范围内通过减小反馈控制步长时间即提高反馈控制速度，可以明显提高电压控制精度。但是当扰动的幅值、速度等超出设计值时，高压电源系统就无法及时、准确地做出响应以保证电压控制精度，从而无法满足负载的控制需求。
系统的反馈控制速度依赖于以下三个方面的影响，一是系统的固有响应时间，二是控制器的运算及控制性能，三是整流电源模块的开关频率。通常情况下，系统响应时间在设计完成后基本确定，控制器的速度也远远超出模块的调节速度，而整流电源模块的开关频率由于与成本有较大关联，因此一般根据负载需要选取设计值，不会有太大的裕量。
因此如果希望通过继续提高反馈控制速度来解决系统过快或者过度的扰动问题，就要求整流电源模块具有更高的开关频率，而随着开关频率的提高其研制难度加大且成本将显著增加，根据估算，具备1kHz开关能力的整流模块比100Hz的整流模块成本约高出50%。如何实现一种新型PSM高压电源及反馈控制方法，节约成本的同时提高系统的适应性，使其能够满足各种扰动下的性能要求，就显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种PSM高压电源系统及其
反馈控制实现方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种PSM高压电源系统，包括有高压进线单元，所述的高压进线单元由两台高压断路器柜分别串联一台高压接触器柜构成，两台高压接触器柜分别连接一台多绕组高压隔离变压器，多绕组高压隔离变压器分别连接低频整流电源模块和高频整流电源模块, 低频整流电源模块和高频整流电源模块全部串联后连接至负载，所述的低频整流电源模块的个数为Nlf个，“lf”表示“Low Frequency”,模块编号分别为（1#,2#,……，Nlf#），所述的高频整流电源模块的个数为Nhf个，“hf”表示“High Frequency”,模块编号分别为（1#,2#,……，Nhf#），低频整流电源模块的数量Nlf和高频整流电源模块的数量Nhf相加之和为单台多绕组高压隔离变压器副边绕组数量的两倍，低频整流电源模块的数量Nlf和高频整流电源模块的数量Nhf的配置一般选择为9:1，该配置可以根据系统需要进行相应调整。
一种PSM高压电源系统的反馈控制实现方法，（1）首先预设输出电压值Vref、开环上升时间间隔Tr、开环下降时间间隔Tf、闭环采样运算周期Ts；
（2）确定电压控制裕度VΔ，理论上PSM结构高压电源的电压控制裕度为单个模块输出电压的一半，即Vs/2，为了避免系统的过度调节引起震荡，在控制上适当增加该数值，取值Vs/10，从而保证系统调节的稳定性，则VΔ= Vs/2+ Vs/10= 0.6Vs；
（3）程序自动计算出预计启动模块个数N，根据X=Vref/ Vs,X不是整数，对X四舍五入得到N；
（4）根据N- Nhf/2得出拟投入运行的低频模块个数；
（5）PSM高压电源系统接收到启动信号以后，立即从1#低频模块开启，间隔Tr时间逐个开启至（N- Nhf/2）#低频模块，随后进入负反馈控制阶段；
（6）在一个闭环采样周期Ts时间以内，系统采集反馈采样值Vfd与电压给定值Vref相比较，根据比较结果对高频整流电源模块进行如下操作：增加、保持或者减少，由于高频整流电源模块数量有限，因此其调节范围有一定的限制，1#高频模块为下限，Nhf#高频模块为上限，增加至Nhf#高频模块后，如果电压低于预设值，仍保持；减少至1#高频模块以后，如果电压高于预设值，仍保持；
（7）脉冲时间到达以后，按照间隔时间Tf，逐个关闭所有模块。
本发明的优点是：本发明为EAST核聚变装置上4.6GHz低杂波系统的稳定运行提供了可靠的技术保障，通过一定数量的高频模块替代低频模块，很好地解决了在EAST装置放电期间由于电网扰动对于高压输出造成剧烈扰动的问题，节约科研经费的同时大大缩短了设备的研制与调试周期，满足了速调管对于电压精度的控制要求，从而最终满足了各项物理实验的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的工作原理图。
图3为本发明反馈控制实现方法的工作流程图。
图4为正常电网条件下的电压输出图。
图5为有扰动电网条件下的电压输出图(图5a为输出电压全局图，和图5b为输出电压局部放大图）。
图6为提高反馈控制速度对于扰动控制的影响图形（图6a为输出电压全局图，图6b为输出电压局部放大图）。
图7为PSM结构高压电源对于扰动的抑制效果图（图7a为输出电压全局图，图7b为输出电压局部放大图。
具体实施方式
如图1所示，一种PSM高压电源系统，包括有高压进线单元，所述的高压进线单元由两台高压断路器柜1分别串联一台高压接触器柜2构成，两台高压接触器柜2分别连接一台多绕组高压隔离变压器3，多绕组高压隔离变压器3分别连接低频整流电源模块4和高频整流电源模块5, 低频整流电源模块和高频整流电源模块全部串联后连接至负载6，所述的低频整流电源模块的个数为Nlf个，“lf”表示“Low Frequency”,模块编号分别为（1#,2#,……，Nlf#），所述的高频整流电源模块的个数为Nhf个，“hf”表示“High Frequency”,模块编号分别为（1#,2#,……，Nhf#），低频整流电源模块的数量Nlf和高频整流电源模块的数量Nhf相加之和为单台多绕组高压隔离变压器副边绕组数量的两倍，低频整流电源模块的数量Nlf和高频整流电源模块的数量Nhf的配置一般选择为9:1，该配置可以根据系统需要进行相应调整。
如图3所示，一种PSM高压电源系统的反馈控制实现方法，（1）首先预设输出电压值Vref、开环上升时间间隔Tr、开环下降时间间隔Tf、闭环采样运算周期Ts；
（2）确定电压控制裕度VΔ，理论上PSM结构高压电源的电压控制裕度为单个模块输出电压的一半，即Vs/2，为了避免系统的过度调节引起震荡，在控制上适当增加该数值，取值Vs/10，从而保证系统调节的稳定性，则VΔ= Vs/2+ Vs/10= 0.6Vs；
（3）程序自动计算出预计启动模块个数N，根据X=Vref/ Vs,X不是整数，对X四舍五入得到N；
（4）根据N- Nhf/2得出拟投入运行的低频模块个数；
（5）PSM高压电源系统接收到启动信号以后，立即从1#低频模块开启，间隔Tr时间逐个开启至（N- Nhf/2）#低频模块，随后进入负反馈控制阶段；
（6）在一个闭环采样周期Ts时间以内，系统采集反馈采样值Vfd与电压给定值Vref相比较，根据比较结果对高频整流电源模块进行如下操作：增加、保持或者减少，由于高频整流电源模块数量有限，因此其调节范围有一定的限制，1#高频模块为下限，Nhf#高频模块为上限，增加至Nhf#高频模块后，如果电压低于预设值，仍保持；减少至1#高频模块以后，如果电压高于预设值，仍保持；
（7）脉冲时间到达以后，按照间隔时间Tf，逐个关闭所有模块。
低频模块和高频模块的输入输出特性相同，即具有相同的输入电压和输出电压，不同之处仅仅在于其最高开关频率，两者的最高开关频率在设计上可以相差10倍以上，比如低频模块的最高开关频率设计为100Hz，则高频模块的最高开关频率可以设计为1kHz甚至更高。其工作过程如图2所示。
低频模块用于底部高压的建立，高频模块用于实现系统的快速调节，当系统出现较大或者较快的扰动时，利用高频模块的快速调节能力抑制输出电压的大范围波动。在系统设计初期，可以根据实验条件确定扰动大致的范围，从而确定低频模块和高频模块数量的配置，即便在系统研制完成后发现无法满足对于扰动的抑制，也可以通过高频模块替换低频模块的方式来提高系统的调节能力，由于低频模块和高频模块输入输出特性一致，因此在硬件上可以直接替换，同时配以相应的软件升级，即可满足系统新的需求，此法方便、灵活、快捷，可以节约大量的时间和经济成本。
在EAST装置4.6GHz低杂波高压电源系统中，上述新型PSM高压电源及反馈控制系统已经研制成功并且投入运行，单套电源系统采用58个低频模块和6个高频模块，两者输入电压均为600VAC，输出电压均为800VDC，系统电压控制精度为400VDC。很好的解决了由于开关频率的限制无法进一步提高反馈控制速度从而改善电压输出性能的问题。
图4给出了电压给定值Vref=25kV，脉冲宽度T=200mS的输出电压波形，从波形中可以看出，在电网没有扰动的情况下，输出电压波动较小，满足＜1%的设计要求。
图5a（输出电压全局图）和图5b（输出电压局部放大图）所示，给出了电压给定值Vref =25kV，脉冲宽度T=7S，闭环采样运算周期Ts=5mS的输出电压波形，从波形中可以看出，由于电网的扰动，电压输出波形峰峰值最大达4000V。
图6a（输出电压全局图）和图6b（输出电压局部放大图）所示给出了电压给定值Vref=30kV，脉冲宽度T=7S，闭环采样运算周期Ts=2mS的输出电压波形，从波形可以看出，在有扰动电网条件下，提高反馈控制速度后电压峰峰值减小为2000V，与图5相比减小了近一半。但是由于模块开关频率的限制，无法进一步通过提高反馈控制速度来改善控制效果。
在新型PSM高压电源以及反馈控制系统中，一方面提高了反馈控制速度，另一方面提高了部分模块的开关频率至1kHz，电压输出波形如图7a（输出电压全局图）和图7b（输出电压局部放大图）所示所示。其中电压给定值Vref=30kV，脉冲宽度T=7S，闭环采样运算周期Ts=500uS，从波形可以看出，在有扰动电网条件下，电压峰峰值最大达1400V，而密集包络线则主要限制在电压给定值的±400V范围以内。
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