對于電源方案來說,要求采用接地并聯技術,也就是功率管并聯或電源裝置并聯。比方說20kA直流電源,若采用功率管IGBT并聯,每個橋臂至少需要15只功率管并聯,這不僅給驅動帶來很大困難,而且,在一般情況下,電流容量較大的功率管的電壓容量同樣也大,而實際電壓只有50V的情況下,對功率管的電壓容量是極大的浪費。該電源可用作EAST托卡馬克裝置中的大功率垂直位移快速控制直流電源。對該電源裝置進行了仿真與研究,獲得效果優良的動靜態性能。
隨著電力電子技術的發展,很多場合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源,其技術要求為:電壓響應時間1ms峰值電壓50V;最大電流20kA,能實現4個象限的運行。針對此要求,不可避免地需采用電源并聯技術,即功率管并聯或電源裝置的并聯。對于20kA直流電源,若采用功率管IGBT并聯,每個橋臂則至少需15只功率管并聯,這不但給驅動帶來很大困難,而且,在一般情況下,電流容量較大的功率管的電壓容量也較大,在實際電壓只有50V 的情況下,對功率管的電壓容量而言,這是極大的浪費。因此,提出采用多米諾結構的DC/DC電源裝置并聯技術思路。
對電源并聯系統的基本要求為:
1)在電網擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩定;
2)各模塊調制頻率一致。若不一致,則產生低頻脈動信號,增大輸出電流和電壓的紋波成分;
3)控制各模塊電流,使其均分負載電流。
1 大功率直流電源的拓撲結構
DC/DC電源并聯有兩種拓撲結構,一種是采用輸入直流母線結構,其系統結構框圖如圖1a所示,主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路,N 路DC/DC變換器,泵升電壓抑制電路等;另一種是采用獨立的AC-DC/DC電源并聯,系統結構圖如圖1b所示。
采用圖1a所示的拓撲結構,系統需大容量不可調直流電源,一般可采用整流變壓器降壓,二極管整流并經電容濾波得到。這種結構雖可保證并聯的每條支路有共同的直流電壓輸入,避免并聯支路因直流側輸入電壓不同而帶來的不均衡,但該直流電源的容量大,電流達20KA,直流母線承受的負荷過重,前級AC-DC設備要求較高,不易實現。另外,輸入端共用母線不利于實現完全意義上的獨立電源模塊的并聯。因此,采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯的拓撲結構。
圖1b所示的拓撲結構可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性,即可實現直流電源裝置的并聯,能夠根據實際的電壓,電流及功率的要求自由地增減模塊的個數!在實際應用中有很大的空間,有一定的研究價值。但這種拓撲結構也有它不利的一面!即若變壓器輸出電壓略有差別,則每個整流模塊的輸出電壓將不同,從而造成各整流模塊輸出電流嚴重不平衡。
不過,這種不平衡可采取如下相應措施進行抑制:首先,在采用獨立的AC-DC/DC電源并聯時,應盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等;其次,針對由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡,可在DC/DC環節設置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調制方式(PDW),通過調節各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨于平衡。當電源模塊給定電流正負切換時,可實現不同象限的運行,滿足系統4象限運行的要求。