潘圣民 傅 鹏 杨 雷 何宝灿 冯虎林 王邓辉 胡纯栋

(中国科学院等离子体所,合肥 230031)

100kV高压脉冲电源的滑模反馈控制

潘圣民 傅 鹏 杨 雷 何宝灿 冯虎林 王邓辉 胡纯栋

(中国科学院等离子体所,合肥 230031)

在对100kV高压脉冲电源主回路结构进行分析的基础上，提出采用滑模反馈控制方法来控制该高压电源，并给出其等效数学模型。仿真和实验结果表明：经滑模反馈控制后的高压电源输出电压过充小、安全裕量大，电压上升时间约100μs。

滑模反馈控制 高压脉冲电源 电压上升时间 输出电压过充 安全裕量

100kV高压脉冲电源是为国家重大科学工程——HT7U超导Tokamak聚变实验装置(Experiment of Advanced Supperconductor Tokamak,EAST)中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)系统研制的一套高压大功率脉冲电源。该电源采用脉冲阶梯调制技术[1]，由104个结构相同的额定输出为1.1kV/100A的电源模块串联而成，其额定输出100kV/100A，最大工作脉宽1 000s。100kV高压脉冲电源是NBI加热装置的主要系统之一，该电源具有输出电压在0～100kV(DC)可调、最大电流100A、电压稳定度高于1%、纹波(峰-峰)小于2%及电流上升时间不大于20μs等特点，因此，必须选择适合的控制方法来加以控制。但由于100kV高压脉冲电源的负载为离子源，而离子源在打火时要求电源系统注入能量小于8J，因此，在负载打火时，电源必须在5μs内关断。为了配合NBI系统其他电源的工作特性，高压电源的上升时间应为100μs，因此，该电源又需要具有快速开通能力。而该100kV高压脉冲电源为强非线性系统，传统的PID控制很难适用。在此，笔者选择滑模反馈控制方法，实现对整个100kV高压脉冲电源模块的控制。

1 100kV高压脉冲电源的主回路结构

100kV高压脉冲电源主回路(图1)有两台双副边绕组油浸隔离变压器，每台油浸变压器分别连接两台干式多副边绕组变压器(具有26组副边绕组)，干式多副边绕组变压器的每组副边绕组给一台电源模块供电，最后相邻电源模块的正负极相连，104个电源模块串联运行，实现高压输出。其中，油浸变压器的输入输出均为10kV，主要用于隔离高压；同时，两台油浸变压器的原边绕组分别移相±7.5°，则两台油浸变压器的原边绕组相位相差15°，且油浸变压器的两组副边绕组为星形连接，因此该电源可实现24脉波整流运行，降低电源输出电压的纹波。

100kV高压脉冲电源由104个结构相同的PSM电源模块(图2)串联而成。PSM电源模块主要包括软启动部分、整流桥、滤波电容、交直流熔丝、绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)、续流二极管和控制部分[2～5]。

2 等效数学模型

100kV高压脉冲电源是由结构相同的PSM电源模块串联而成的，因此电源的整体等效数学模型与单模块电源模型基本相同[6～8]。100kV高压脉冲电源上升沿模型可以等效为一阶滑模电压控制(图3)[9～15]。

图1 100kV高压脉冲电源主回路结构

图2 PSM电源模块

选取参考输出电压误差x1=(Vref-βv0)及其变化率x2=-(β/c)ic为状态变量，则可以得到如下状态方程：

图3 一阶滑模电压控制原理

(1)

式中L、RL、C——等效模型中的电感值、电阻值和电容值；

Ua——当前输出电压值；

Ui——单个电源模块的电压值；

u——开关控制量，u的取值为-1(切除电源模块)、0(保持当前电源模块的状态)、1(投入电源模块)；

Vref——参考电压；

β——滑模系数。

由于高压电源在上升沿时可以简化为一个二阶控制对象，根据滑模反馈控制技术的降阶控制特性，因此只需设计一阶滑模面方程即可。选取切换线S=αx1+x2=0，从而得到切换函数为：

S=αx1+x2

(2)

其中，α>0，以确保滑模运动稳定。根据两个状态变量的定义，切换函数产生的开关切换控制规律为：

(3)

式(3)的理论切换频率为无穷大，因此必须采用降频措施，通常采用滞环调制降频。

由于滑模反馈控制属于控制受限的滑模控制，因此滑模区是有限的，系统不一定第一时间进入滑模区。为了保证高压电源系统能够顺利进入滑模区，必须分析高压电源一阶滑模控制的滑模区。根据滑模面方程S=αx1+x2=0可以得到高压电源的滑模运动规律为[16～20]：

x1=x1(t1)e-α(t-t1)

(4)

其中，t1为系统运动至滑模面并开始滑模运动的时刻(t1之前系统做趋近运动)。由式(4)可知，滑模运动趋近滑模面的速度直接取决于滑模系数，其值越大，系统进入滑模面的速度越快。

为了分析滑动模态区，将滑动模态存在条件等价为：

(5)

将式(5)代入式(1)可得：

(6)

假设式(6)中两条直线λ1=0、λ2=0与滑模面S=0的交点分别为x1A和x1B，则有：

(7)

则系统的滑模区为：

x1A

(8)

3 仿真

根据上述分析，对滑模反馈控制方法进行仿真。设高压电源的输出电压超调量2%，负载电阻1kΩ，仿真电路采用滞环调制方式，滞环宽度2 000。仿真电路(图4)采用模/数混合仿真，主要由电源模块、数字控制器及滑模控制器等组成。

图5所示为滑模反馈控制仿真结果，图5b是图5a的局部放大图。可以看出，电压上升时间为108μs，此时高压电源的输出电压为99.735kV，高压电源的最大过充为970V，完全满足设计要求。

图4 滑模控制仿真电路

图5 滑模反馈控制仿真波形

4 实验调试

测试仪器采用DSO5014A示波器，电压测量工具采用ROSS分压器VD-120。图6所示为100kV高压脉冲电源经滑模反馈控制后的输出波形，图6a中CH1为高压电源的输出电压波形，纵轴幅值每格表示20kV；CH2为高压电源的输出电压设定值100kV；CH3为电流波形，纵轴幅值每格表示40A。图6b为图6a上升沿的放大波形。

图6 100kV高压脉冲电源的滑模反馈控制测试波形

由图6可知，高压电源的输出电压为100kV，高压电源经滑模反馈控制后，电压的过充约为3%，上升时间约100μs，电流峰值小于60A，较过流保护值120A还有一定的安全裕量，完全达到设计要求。

由于最终EAST-NBI高压电源的额定电压为80kV，额定电流为70A。因此，高压电源的滑模反馈控制电压测试主要在80kV下进行。图7所示为额定电压为80kV时的高压电源滑模反馈控制输出波形，CH1为输出电压波形，纵轴幅值每格表示20kV；CH2为电压设定值(80kV)；CH3为电流输出波形，纵轴幅值每格表示40A；横轴时间，每格幅值表示1ms。由图7可知，电压从0升到设定值80kV的时间约100μs，此时电流约50A，电压只在电流上升时有一个过充，电流峰值约60A。

图7 额定电压为80kV时的高压电源滑模反馈控制输出波形

5 结束语

笔者提出采用现代非线性控制方法，即滑模反馈控制方法来控制100kV高压脉冲电源的输出电压。通过仿真和实验验证，经滑模反馈控制后的高压电源输出电压上升时间约100μs，电压过充小，安全裕量大，完全满足设计要求。

[1] Schwarz U E.Digitized High Power Modulation[J].Fusion Technology,1986,19(7):125～136.

[2] 潘圣民,刘小宁,杨雷.基于DSP的光纤数据采集网络的研制[J].微计算机信息,2006,22(12-2):106～108.

[3] 吴翼平.现代光纤通信技术[M].北京:国防工业出版社,2004.

[4] 雷肇枥.光纤通信原理[M].成都:电子科技大学出版社,1997.

[5] 王付胜,刘小宁,潘胜明.基于DSP和CPLD的三相电流源型变流器[J].电工电能新技术,2005,24(4):26～29.

[6] 刘琨,周有庆,王洪涛.电子式互感器高压侧的数据采集系统[J].高电压技术,2007,33(1):111～114.

[7] Wolf R,Wei H,Bruins S,et al.Digital Power Supply Controller for Control of Extremely Precise Power Supplies[C]. 2007 European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg:IEEE,2007:1～6.

[8] Rumpf E,Ranade S.Comparison of Suitable Control Systems for HVDC Stations Connected to Weak AC Systems Part I:New Control Systems[J].IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems,1972,91(2):549～555.

[9] 高为炳.变结构控制的理论及设计方法[M].北京:科学出版社,1996.

[10] 姚琼荟,黄继起,吴汉松.变结构控制系统[M].重庆:重庆大学出版社,1997.

[11] 高为炳.非线性系统的变结构控制[J].自动化学报,1989,15(5):408～415.

[12] Sira-Ramirez H.Sliding-mode Control on Slow Manifolds of DC-to-DC Power Converters[J].International Journal of Control,1988,47(5):1323～1340.

[13] 王金玉,孔德健,姜泳,等.高频多级PI控制的电化学直流电源研究[J].化工机械,2015,42(3):350～354.

[14] 孙伟,林小军.基于S3C2410的嵌入式弧焊电源测试平台设计[J].化工机械,2010,37(1):28～30.

[15] Venkataramanan R,Sabanovic A,Cuk S.Sliding Mode Control of DC-to-DC Converters[C].Proceedings IECON.San Francisco:IEEE,1985:251～258.

[16] Sira-Ramirez H.Sliding Motions in Bilinear Switched Networks[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems,1987, 34(8):919～933.

[17] Giral R,Martinez L,Hernanz J,et al.Compensating Networks for Sliding-mode Control[C].1995 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.Seattle:IEEE,1995:2055～2058.

[18] Huang S P,Xu H Q,Liu Y F.Sliding-mode Controlled Cuk Switching Regulator with Fast Response and First-order Dynamic Characteristic[C].1989 20th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference.Milwaukee:IEEE,1989: 124～129.

[19] Malesani L,Rossetto L,Spiazzi G,et al.Performance Optimization of Cuk Converters by Sliding-mode Control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1995,10(3):395～402.

[20] Martinez-Salamero L,Calvente J,Giral R,et al.Analysis of a Bidirectional Coupled-inductor Cuk Converter Operating in Sliding Mode[J].IEEE Transactions on Circuits & Systems I Fundamental Theory & Applications,1998,45 (4):355～363.

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)

国家“九五”重大科学工程HT7U超导托卡马克核聚变实验装置资助项目(计投资(1998)1303号)；国家高技术研究发展计划项目(2008GB104000)