PSM高压电源动态运行谐波含量的计算方法及存储介质

psm高压电源动态运行谐波含量的计算方法及存储介质
技术领域
1.本发明涉及核聚变类各步进式脉冲电源技术领域，具体涉及一种psm高压电源动态运行谐波含量的计算方法及存储介质。


背景技术：

2.psm高压电源是east聚变装置电子回旋共振加热系统(ecrh)的关键组成部分，在托卡马克装置发生核聚变的进程中发挥着重要作用。psm高压电源采用三相六脉整流桥为步进式供电投运的基本单元，网侧两组变压器原边绕组三相分别延边
±
7.5
°
，副边绕组三相32组通过星奇角偶交替连接的方式将整流桥串联，构成24脉整流电源结构。
3.psm高压电源通过副边绕组星形和三角形交叉供电使子模块逐级运行的方式来满足直流侧电压需求值。其工作中的投运工况变化频繁，其谐波含量的计算复杂。现有的谐波含量计算方法无法达到核聚变步进式脉冲电源的要求。
4.现有整流器谐波含量的计算方法存在弊端，无法直接应用到聚变psm高压电源的谐波计算中：
5.①
变压器绕组连接方式单一。传统研究常基于变压器副边星形连接整流器的条件下进行的研究，单台psm高压电源变压器副边绕组为32组星形连接和32组三角形连接。
6.②
忽略系统阻抗造成误差。psm聚变电源变压器阻抗较大，其换相重叠脚对电容等储能元件的影响无法忽略，否则网侧电流计算得到的波形较真实结果误差较大。
7.③
研究体量受局限。针对整流器的研究有12脉波、18脉波、甚至44脉波等单个多脉波整流器，一个psm聚变电源的副边存在64组整流器，且运行工况灵活，10kv网侧谐波含量计算复杂。


技术实现要素：

8.本发明提出的一种psm高压电源动态运行谐波含量的计算方法，能够解决上述问题，分别就变压器星形连接和三角形连接的环境下，分别绘制出变压器绕组的电流波形图，得到高精度谐波电流频谱分析结果。
9.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
10.一种psm高压电源动态运行谐波含量的计算方法，包括以下步骤，
11.s1、依据直流侧电压需求，确定psm高压电源子模块投运数量n；
12.s2、根据子模块投运数量更新事先构建的psm高压电源谐波计算模型初始关键参数，进一步运算得出子模块谐波电流波形；
13.s3、根据投运子模块类别数量及位置，将谐波电流波形叠加和相位移相处理，得到psm高压电源谐波发生量；
14.s4、在psm直流侧电压变化时，重复s1-s3获得其动态运行谐波含量。
15.进一步的，所述s2根据子模块投运数量更新事先构建的psm高压电源谐波计算模型初始关键参数，进一步运算得出子模块谐波电流波形，步骤如下，
16.s21、依据直流侧电压需求，确定psm高压电源子模块投运数量n，同时计算出变压器副边绕组y型和
△
连接的数量ny和n
△
，以及其所连接的变压器位置；
17.s22、根据子模块投运数量n更新已知计算模型参数，同时设定谐波计算模型未知参数即星形连接、三角形连接下换相重叠角分别为γy和γ
δ
，换相电压初相角分别为θy π和θ
δ
；换相时刻的直流电压值分别为uy和u
δ
；交流侧换相时刻的网侧电流值分别为iy和i
δ
；
18.s23、分别根据电工基础和基尔霍夫定律列出换相重叠状态下和换相结束后状态下的电路等效表达式，结合换相条件确定出等效方程组，利用matlab编程求解出计算模型设定的未知参数；
19.s24、根据求解出的模型参数分别绘出流经变压器副边单个绕组y形和
△
连接电流波形；
20.s25、根据副边绕组y形和
△
连接投入子模块数量，以及其所处变压器位置进行谐波电流的叠加和相位移相，得出10kv侧谐波电流含量。
21.进一步的，所述步骤s2还包括：
22.s26、当直流侧电压需求变化时，重复步骤s21-s25计算出psm高压电源动态运行的谐波电流含量。
23.进一步的，所述psm高压电源谐波计算模型构建步骤如下，
24.s201、设定换相初始参数；
25.星形、三角形连接下的换相重叠角分别为γy和γ
δ
，星形、三角形连接下的换相电压a初相角分别为π θy和θ
δ
；星形、三角形连接下换相时刻的直流电压值分别为uy和u
δ
；星形、三角形连接下交流侧换相时刻导通状态下流经二极管的电流值分别为iy和i
δ
；
26.s202、构建换相重叠期间的数学模型；
27.星形连接：
28.以d5、d6和d1同时导通，且d5即将关断为例分析变压器绕组星形连接换相重叠状态的数学模型，设换相重叠脚为γy，换相开始时的电容器的电压u
y0cap
(0)＝uy，换相初始值i
yc
(0)＝iy，i
ya
(0)＝0，i
yb
(0)＝-iy，变压器为y5连接方式，换相初始时刻a相的初相位是π θy；
29.根据基尔霍夫定律有
[0030][0031]
其中u
y0cap
是变压器绕组星型连接换相重叠过程电容器的瞬时电压。
[0032]
三角形连接：
[0033]
以d5、d6和d1同时导通，且d5即将关断为例分析变压器绕组三角形连接下换相重叠状态的数学模型。设换相重叠脚为γ
δ
，换相初始时刻：电容器电压u
δ0cap
(0)＝u
δ
，电流i
δx
(0)＝0，i
δy
(0)＝-i
δ
，i
δz
(0)＝i
δ
，换相初始时刻a相的初相位是θ
δ
；
[0034][0035]
式中u
δ0cap
是当变压器绕组三角形连接时换相重叠过程电容器的瞬时电压。
[0036]
s203、构建换相结束后的数学模型，其中换相重叠状态结束时的电压电流参数为换相后过程的初始值；
[0037]
星形连接：
[0038]
当d1和d6导通，d5关闭时，根据基尔霍夫定律有
[0039][0040]
其中u
y1cap
是变压器绕组星形连接时换相结束后电容器的瞬时电压。
[0041]
三角形连接：
[0042]
当d1和d6导通，d5关闭时，根据基尔霍夫定律有
[0043][0044]
式中存在当变压器绕组被三角形连接时，u
δ1cap
是换相结束状态下电容器的瞬时电压。
[0045]
s204、构建换相条件：
[0046]
星形连接：
[0047]iyc
(γy)＝0
[0048][0049][0050][0051]
三角形连接：
[0052]iδz
(γ
δ
)＝0
[0053][0054][0055][0056]
另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0057]
由上述技术方案可知，本发明的psm高压电源谐波发生量的计算方法具有以下有益效果：
[0058]
(1)本发明计及变压器副边绕组星形连接和三角形连接及其阻抗，能够精确计算换相重叠脚对储能元件的影响；
[0059]
(2)本发明分别以星形和三角形变压器为供电单元，研究整流器的谐波发生过程，进而分析psm高压电源在投运时的谐波含量；
[0060]
(3)本发明能够根据psm高压电源子模块的投运组数，灵活的计算不同运行工况下谐波含量；
[0061]
(4)本发明建立在电路拓扑结构的基础上，在计算求解过程中不采用近似算法，保证了精度的要求；
[0062]
(5)本发明以psm高压电源投运子模块的数学模型为研究基础，能够根据实际psm聚变高压电源的投运情况，快速计算psm高压电源的谐波含量；
[0063]
(6)本发明全面考虑了psm高压电源的拓扑结构和各聚变模块的谐波叠加，快速求得psm高压电源动态运行向电网注入的谐波发生量，且能够适用于后期设备升级改造时关键电气参数的确定。
附图说明
[0064]
图1是lhcd 4.6ghz阴极高压电源示意图；
[0065]
图2是变压器副边绕组星形连接等效电路；
[0066]
图3是变压器副边绕组三角形连接等效电路；
[0067]
图4是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0068]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0069]
电子回旋共振加热(ecrh)在托卡马克的无感电流加热和驱动中起着重要作用，脉冲式步进调制(psm)高压电源为ecrh系统的关键组成部分，为系统正常工作提供能量。
[0070]
如图1所示，psm高压电源是64个三相六脉整流单元的集合。变压器副边分别采用三角形和星形连接的方式为整流器供电。由于变压器存在较大的漏感，这会在整流器换相过程形成换相重叠脚。由于psm高压电源存在大电感(系统阻抗)和大电容(整流器直流侧)
等储能元件，所以对换相重叠脚的计算精度要求很高。
[0071]
针对上述问题，以下是本实施例所述的psm高压电源谐波发生量的计算方法，包括以下步骤，
[0072]
依据直流侧电压需求，确定psm高压电源子模块投运数量n；
[0073]
根据子模块投运数量更新事先构建的psm高压电源谐波计算模型初始关键参数，进一步运算得出子模块谐波电流波形；
[0074]
根据投运子模块类别数量及位置，将谐波电流波形叠加和相位移相处理，得到psm高压电源谐波发生量；
[0075]
在psm直流侧电压变化时，重复上面步骤获得其动态运行谐波含量。
[0076]
其中，根据子模块投运数量更新事先构建的psm高压电源谐波计算模型初始关键参数，进一步运算得出子模块谐波电流波形可以理解为：
[0077]
1)依据直流侧电压需求，确定psm高压电源子模块投运数量n，同时计算出变压器副边绕组y型和
△
连接的数量ny和n
△
，以及其所连接的变压器位置；
[0078]
2)根据子模块投运数量更新已知计算模型参数(变压器绕组的相电压，负载电阻r、直流电容c、变压器漏感ly和l
△
)，同时设定谐波计算模型未知参数即星形连接、三角形连接下换相重叠角分别为γy和γ
δ
，换相电压初相角分别为θy π和θ
δ
；换相时刻的直流电压值分别为uy和u
δ
；交流侧换相时刻的网侧电流值分别为iy和i
δ
)，其中a相电压u
δa
＝u
δ
sin(ωt θ
δ
)，u
ya
＝uysin(ωt θy π)，b相和c相电压满足电气基本规律。
[0079]
3)分别根据电工基础和基尔霍夫定律列出换相重叠状态下和换相结束后状态下的电路等效表达式，结合换相条件确定出等效方程组，利用matlab编程求解出计算模型设定的未知参数；
[0080]
4)根据求解出的模型参数分别绘出流经变压器副边单个绕组y形和
△
连接电流波形；
[0081]
5)根据副边绕组y形和
△
连接投入子模块数量，以及其所处变压器位置进行谐波电流的叠加和相位移相，得出10kv侧谐波电流含量。
[0082]
6)当直流侧电压需求变化时，重复1)至5)步骤计算出变化后的谐波电流含量。
[0083]
其中，所述psm高压电源谐波发生量的计算模型的构建步骤如下：
[0084]
s201、设定换相初始参数；
[0085]
星形、三角形连接下的换相重叠角分别为γy和γ
δ
，星形、三角形连接下的换相电压a初相角分别为π θy和θ
δ
；星形、三角形连接下换相时刻的直流电压值分别为uy和u
δ
；星形、三角形连接下交流侧换相时刻导通状态下流经二极管的电流值分别为iy和i
δ
；
[0086]
其中，图2是变压器副边绕组星形连接等效电路和图3是变压器副边绕组三角形连接等效电路；
[0087]
如图1所示，psm高压电源采用d( 7.5
°
)y5d0和d(-7.5
°
)y7d2两种变压器，变压器容量为2000kva，其原边实现移相
±
7.5
°
，副边各有32组绕组采用绕组星形和三角形连接方式为整流器供电，在运行过程中通过星形和三角形交叉供电使子模块逐级运行的方式，来实现直流电压幅值的要求。为简化计算，在等效电路中忽略对电路影响较小的元器件(二极管压降、限流电感、杂散电感等)。下面以副边绕组y5d0为例来分析。
[0088]
如图2和图3所示，分别为副边绕组y5和d0连接方式下为整流器供交流电。整流器
采用三相桥式整流结构，d1-d6为电力二极管，其中阴极连接到一起的三个二极管(d1、d3和d5)为共阴极组，阳极连接到一起的三个二极管(d4、d6和d2)为共阳极组，在正常运行中的导通顺序为d1-d2-d3-d4-d5-d6；c为整流器直流侧的电力电容器；r为加载在子模块上的电阻；ly和l
△
为变压器的等效漏感。图2变压器副边采用y形连接(y5)，其公共连接点为n，a、b和c相另一端分别连接至三相桥臂中点；图3变压器副边采用
△
连接(d0)，a、b和c相分别连接至三相桥臂中点。
[0089]
s202、构建换相重叠期间的数学模型；
[0090]
星形连接：
[0091]
以d5、d6和d1同时导通，且d5即将关断为例分析变压器绕组星形连接换相重叠状态的数学模型，设换相重叠脚为γy，换相开始时的电容器的电压u
y0cap
(0)＝uy，换相初始值i
yc
(0)＝iy，i
ya
(0)＝0，i
yb
(0)＝-iy，变压器为y5连接方式，换相初始时刻a相的初相位是π θy；
[0092]
根据基尔霍夫定律有
[0093][0094]
其中u
y0cap
是变压器绕组星型连接换相重叠过程电容器的瞬时电压。
[0095]
三角形连接：
[0096]
以d5、d6和d1同时导通，且d5即将关断为例分析变压器绕组三角形连接下换相重叠状态的数学模型。设换相重叠脚为γ
δ
，换相初始时刻：电容器电压u
δ0cap
(0)＝u
δ
，电流i
δx
(0)＝0，i
δy
(0)＝-i
δ
，i
δz
(0)＝i
δ
，换相初始时刻a相的初相位是θ
δ
；
[0097][0098]
式中u
δ0cap
是当变压器绕组三角形连接时换相重叠过程电容器的瞬时电压。
[0099]
s203、构建换相结束后的数学模型，其中换相结束后的电压电流参数为换相后过程的初始值；
[0100]
星形连接：
[0101]
当d1和d6导通，d5关闭时，根据基尔霍夫定律有
[0102][0103]
其中u
y1cap
是变压器绕组星形连接时换相结束后电容器的瞬时电压。
[0104]
三角形连接：
[0105]
当d1和d6导通，d5关闭时，根据基尔霍夫定律有
[0106][0107]
式中存在当变压器绕组被三角形连接时，u
δ1cap
是换相结束状态下电容器的瞬时电压。
[0108]
s204、构建换相条件
[0109]
星形连接：
[0110]iyc
(γy)＝0 (1)
[0111][0112][0113][0114]
三角形连接：
[0115]iδz
(γ
δ
)＝0 (5)
[0116][0117][0118][0119]
首先，对换相重叠期间和换相完成后的数学模型进行运算，得出电容器瞬时电压(u
δ0cap
,u
y0cap
,u
δ1cap
和u
y1cap
)的常系数非齐次微分方程；然后，利用电容器瞬时电压带入换相重叠期间和换相完成后的数学模型；最后利用(1)-(4)为变压器副边绕组星形连接时的换相条件，(5)-(8)为变压器副边绕组三角形连接时的换相条件，运用程序可求得事先设定数学模型的关键未知参数，带入电容器瞬时电压及其它数学模型中，进而分别绘出换相重叠过程和换相结束后状态的电流波形。
[0120]
上述数学模型仅以换相重叠过程(d5、d6和d1同时导通，且d5即将关断)，换相结束后(d1和d6导通，d5关闭)状态下为例分析，即可求得设定的未知参数。在三相电压平衡状态
下，使用电力二极管其余换相重叠过程和换相结束后过程求得变压器绕组内电流波形相同。分别绘出其余换相重叠过程和换相结束后状态的电流波形，即可得到子模块电流波形，且呈现周期性的特点。
[0121]
根据投运子模块类别数量及位置，将谐波电流波形叠加和相位移相处理，得到psm高压电源谐波发生量；
[0122]
在psm直流侧电压变化时，重复s1-s3获得其动态运行谐波含量。如图1所示，在聚变psm高压电源动态运行中，其负载呈阻性且基本恒定。变压器副边子模块投运数量根据直流侧电压实际工作要求灵活投运，使得聚变psm高压电源单元关键电气元件值变化频繁，不能简单线性叠加。采用图4进行计算，可以快速、准确的得出聚变psm高压电源动态运行谐波发生量。
[0123]
综上所述，本发明实施例具备以下特点：
[0124]
(1)本发明计及变压器副边绕组星形连接和三角形连接及其阻抗，能够精确计算换相重叠脚对储能元件的影响；
[0125]
(2)本发明分别以星形和三角形变压器为供电单元，研究整流器的谐波发生过程，进而分析psm高压电源在投运时的谐波含量；
[0126]
(3)本发明能够根据psm高压电源子模块的投运组数，灵活的计算不同运行工况下谐波含量；
[0127]
(4)本发明建立在电路拓扑结构的基础上，在计算求解过程中不采用近似算法，保证了精度的要求；
[0128]
(5)本发明以psm高压电源投运子模块的数学模型为研究基础，能够根据实际psm聚变高压电源的投运情况，快速计算psm高压电源的谐波含量；
[0129]
(6)本发明全面考虑了psm高压电源的拓扑结构和各聚变模块的谐波叠加，快速求得psm高压电源动态运行向电网注入的谐波发生量，且能够适用于后期设备升级改造时关键电气参数的确定。
[0130]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。