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新型能量变换与控制技术在高功率微波系统中的应用研究

张政权  
【摘要】:电源(初级能源系统)是高功率微波系统的必备环节,能量变换与控制技术是电源的核心技术,为了满足高功率微波系统朝着高功率,小型化和轻量化方向发展的需求,开展新型能量变换与控制技术的研究是必要的。 目前普遍使用的电源一般采用存在中间直流储能环节(DC-Link)的电源技术,中间储能环节的存在必然会增加电源系统的体积和重量,降低了电源的功率密度;另外这种供电系统的供电质量不高,其功率因数较低、谐波含量较大,为了进行校正或抑制,必然需要引入额外的电力电子器件,这样又进一步降低了供电系统的功率密度。为了解决这一问题,研究基于新型能量变换与控制技术的电源,提高高功率微波系统供电电源的功率密度和降低谐波就变得尤为重要。国外提出了基于AC-Link技术的能量变换与控制技术,AC-Link技术在结构上省去了直流储能环节,减少了能量变换的过程和整流部分无源器件的数量,有效提高了开关电源的功率密度和效率。因此AC-Link技术在开关电源中的应用是一项非常有潜力的电源技术,具有较好的应用前景,必将推动电源技术的进一步的发展。 本文综述了能量变换与控制技术研究现状和发展趋势,详细分析了能量变换与控制技术的发展历程,重点分析了AC-LinkTM技术和矩阵变换器(Matrix converter)相关技术的发展。 围绕应用于高功率微波系统中的高压充电电源系统展开工作,首先对AC-LinkTM串联谐振交-直(AC-DC)变换器和AC-DC巨阵变换器的拓扑结构及控制技术进行了详细的分析。AC-LinkTM串联谐振AC-DC变换器由三相输入滤波器、开关矩阵、电感和电容(LC)谐振充电和放电、续流开关、输出滤波器和负载组成。该拓扑结构具有故障免疫的功能。变换器在一个工作周期包含谐振充电和谐振放电两个工作环节,整个工作过程中关键是控制开关自然换流时间。可以通过调节中心电容器的残压和频率来调节输出功率。由于负载为电容,该电路结构在工作时存在一些缺陷,对该电路拓扑结构进行了优化,使得其更适用于电容负载场合。充电初期,为恒流充电模式,在充电后期可以采用恒功率充电模式,降低了电源对供电系统功率容量的要求。但无论改进前还是改进后的拓扑结构都存在输出放电开关和续流开关电压应力大的问题。 AC-DC矩阵变换器采用双向开关和并联谐振拓扑结构,实现零电流开关,采用输入预测控制和谐振电路预测控制两种控制方式。输入预测控制维持输入功率恒定,在低Q值时,预测值不再精确且控制策略的性能降低。谐振电路预测控制根据谐振电路运行的结果来选择开关状态,基本的控制策略会导致输入电流低频畸变非常严重,改进的控制策略通过存储以前的开关状态,且分配不同的开关状态来实现。输入预测控制需要采集三相交流相电压,输入线电流和谐振电流的大小,而谐振电路预测控制需要采集三相交流相电压,谐振电流和谐振电容器电压,为了维持输出电压的稳定,需要采集负载电压。两种控制需采集的变量较多,数据处理量较大,需要使用FPGA+DSP两种处理器相结合方式,使得控制器设计和算法较复杂。 鉴于以上两种拓扑结构和控制技术的优点和不足,根据负载为容性的应用需求,提出一种基于AC-Link技术的新型电路拓扑结构。采用了电荷(电流)分配的控制策略,减少了电源产生的谐波,降低了滤波器设计的难度。根据该电源的特性,提出了4工作过程和3工作过程2种工作模式,对2种工作模式建立分析模型,并给出2种工作模式下控制方程,分析表明:4工作过程,滤波电容器上纹波电压小,但在高输出电压时,不能对电源实现有效的控制;3工作过程简化了一个工作过程,但滤波电容器电压纹波较大。针对3工作过程提出了一种简化的控制方程。对两种控制方法进行了比较,简化的控制方程简单而有效。最后对两种工作模式的优缺点进行了定性的比较,最后选定3工作过程的工作模式。 首次利用状态平面分析法(State-plane analysis)对基于AC-Link技术串联谐振充电电源两种工作模式进行了详细的分析。画出了两种工作模式的状态平面图,在状态平面图上,标出各个量的几何关系,利用几何关系,并结合控制策略,求解出工作时控制量的关系,给出了切换相位、充电周期、续流周期和谐振电容器电压随输出电压和三相电网相位变化的关系。对于4工作过程,分析了输出电压的限制条件并给出限制条件的表达式。相对于基于表达式的稳态分析方法,状态平面分析法在分析基于AC-Link技术串联谐振充电电源的特性时,分析结果一致,各个量在图上都用几何关系表示,非常直观。整个分析过程没有复杂的表达式,求解简单,效率高。 应用Matlab中的Simulink电路仿真软件,根据实际线路的参数,建立了基于AC-Link技术串联谐振充电电源的仿真模型,采用3过程的工作模式。给出了主要元器件和端口的波形图,并进行了简要的分析。重点研究了“Y”型LC滤波器,给出电压纹波和电流纹波的表达式,分析了L和C参数的变化对电压纹波、电流纹波、电流谐波和功率因数等影响。最后分析C型吸收电路设计原则和对基于AC-Link技术串联谐振充电电源工作的影响。 根据对基于AC-Link技术充电电源理论分析、建模仿真的基础上,设计了一台充电速率为60kJ/s,输出电压为50kV的样机。在控制系统中包括硬件设计和软件设计,在硬件设计中,分析了以FPGA为核心的控制方案,由于电源的功率大,且布局非常紧凑,使得控制系统的电磁兼容环境差,因而详细论述整个控制系统的各个部分的抗干扰设计。在软件设计中,提出了相位检测实现电压采集的方法,详细讨论相位检测的方法,减小处理器的存储空间,加快了处理的速度。 论文最后利用设计的高压充电电源开展实验研究,验证理论分析和仿真研究的正确性。分别对三相电网电压数字化信号,IGBT驱动信号,输入线电流,开关电流,谐振电流和输出电压等进行了测试和分析。实验结果表明:控制系统能够在该电磁环境中可靠稳定地运行。电源平均充电速率为65kJ/s,功率密度为0.6W/cm3;电流波形能够很好地跟随电压波形,实现高的功率因数,功率因数测量平均值为0.99,每相总的电压谐波含量小于2%,总电流谐波含量小于10%;矩阵开关工作在软开关条件下,且实现软切换过程,能够实现高的效率,在阻性测试条件下,效率为90%。分析了线电流波形顶部坍塌及交界点跳变的原因,通过线性补偿的算法,明显改善了线电流波形,但同时也降低了电源输出功率。


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