一种循环脉冲大功率消磁主电源系统

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种循环脉冲大功率主电源系统。


背景技术：

2.当舰船受到地磁影响以及建造和航行过程中的磁场冲击以及应力冲击等，舰船周围空间会产生磁场，成为舰船被磁探和磁性武器攻击的重要威胁源。因此，对舰船进行消磁，防御舰船被探测仪器发现或水中磁性武器的攻击，提高舰船进出基地、港口、航渡和在战区活动的安全性，提高舰船的磁性防护能力、舰船生命力和战斗力的重要保障具有重要的安全作用和战略意义。
3.通常利用通电线圈来产生磁场来达到舰船消磁的目的。脉冲功率电源能够产生各种强电脉冲功率输出的电源，因此通过脉冲电源对为线圈提供舰船消磁所需的工作电流。随着大型舰船的使用，消磁系统所需的攻略越来越大，当电源系统应用到大功率、频繁充放电场合时，若工作负载所需的脉冲功率全部由电网输入，这不仅会对电源系统的功率等级和供电电源容量提出更高的要求，并且会给电网带来冲击和谐波污染。
4.传统的脉冲功率电源采用了工频变压器与可控硅整流的方式，在这种方式下，负载所需的功率完全由供电电源提供，可以满足中低功率等级设备的需求。但对于大功率等级的设备，工作负载需要脉冲幅值足够大的间歇式脉冲电流，若脉冲的功率全部由市电输入，这对电源系统的功率等级和供电电源容量提出了更高的要求，并且会给电网带来冲击和谐波污染。为达到工作负载中大功率等级的要求，电源系统中多有电机扩大机部分，但机械旋转部分提高了整个系统的控制时间常数和调节时间，导致系统可靠性差，装置体积大，效率低，同时也不利于整个电源系统的设计、维护、小型化和机动化。


技术实现要素：

5.本发明要解决的是现有大功率消磁主电源系统给电网带来冲击和谐波污染，且系统可靠性差，装置体积大，效率低的问题。
6.针对上述问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种循环脉冲大功率消磁主电源系统，包括变压器、三相整流器、电池储能单元、dc/dc升降压换流器及斩波换向单元；所述三相整流器的输入端接市电，其输出端和电池储能单元输入端连接；所述电池储能单元的输出端和dc/dc升降压换流器的输入端连接，dc/dc升降压换流器的输出端和斩波换向单元的输入端连接，斩波换向单元的输出端和大电感负载的输入端连接，dc/dc升降压换流器和斩波换向单元之间设置有泄能装置；
8.变压器：用于将市电转换成三相整流电路所需要的电压等级；
9.三相整流器：采用电容电流有源阻尼反馈控制，用于将变压器降压后的三相交流电转换成直流电，在脉冲电流的上升阶段，与电池储能装置一起为大电感负载供电，在脉冲电流处于脉冲间隙期间，为后级的电池储能装置供电，使电池储能装置进行能量存储，为下一脉冲电流上升时为负载供电作准备；
10.电池储能装置：为负载提供所需的工作电流，满足负载工作需求；当主电源系统所供电的负载所需的瞬时功率达到兆瓦级，仅靠三相整流电路为其供电无法满足负载所需的功率等级，这不仅会对主电源系统的功率等级和供电电源容量提出更高的要求，并且会给电网带来冲击和谐波污染。此在主电源系统的三相整流器的直流侧接入电池储能装置，满足负载所需工作电流需求，从而降低对电网容量的需求，满足负载所需工作电流需求，避免对电网产生冲击；在脉冲工作电流处于上升或平稳阶段，三相整流器与电池储能装置共同为电感负载供电；在脉冲工作电流处于下降阶段，电池储能装置通过三相整流器进行充电，维持储能装置荷电状态保持在一定范围内，为下一次脉冲电流上升做准备。电池储能装置为高安全高倍率磷酸铁锂电池组，由多个电池单体串并联组成，通过电池管理系统实时监控电池使用过程中状态量，保证电池使用过程的安全，提高电池使用效率。储能系统具有双向的功率调节能力，利用储能元件灵活地存储和释放电能，可以保证系统内的实时功率平衡，改善频率特性，解决电压波动问题；
11.dc/dc升降压换流器：采用三重双管buck-boost拓扑结构及双管同开同关控制策略,对输入的直流电压进行升压或降压处理，输出负载所需的电压等级；
12.斩波换向单元：用于对输入的电流进行正负换向，为负载提供正负交替的电流；
13.泄能装置：用于在脉冲电流下降阶段，采用电阻分段投切的形式实现对大电感负载能量的快速吸收；当泄能装置接入到电源系统，负载电流经过泄能装置、斩波换向单元与负载构成续流回路，泄能装置吸收电感负载中储能的能量，电感电流下降。
14.主电源系统接收交流电网的交流电能量，经过降压、整流、储能、变换、换向等环节后，为大电感负载提供正负交替、按照规律衰减变化的间歇脉冲电流，具有高功率密度和高能量密度的特点。通过主电源系统的控制器等可对主电源输出电流的幅值和持续时间进行调整和控制。
15.进一步的，所述三相整流器包括整流器侧电感l1、滤波电容cf及网侧电感l2，整流器侧电感l1、滤波电容cf及网侧电感l2共同构成了lcl滤波器；与l滤波器相比，lcl滤波器中含有滤波电容cf，为高频谐波电流提供了旁路通路，在实现相同滤波效果的前提下，lcl滤波器中两个电感量之和小于l滤波器中单个电感的电感量，因此体积更小，成本更低。
16.进一步的，三相整流器采用电容电流有源阻尼反馈控制的方法为：通过电容电流实现lcl滤波器谐振尖峰的抑制；将abc坐标系下物理量转换成αβ坐标系下进行控制，实现了有功和无功的互相解耦；通过控制交流电网侧电流，引入电容电流反馈，其中hi1为其反馈系数，最后输出pwm控制信号控制三相整流桥开关管的通断。
17.进一步的，所述dc/dc升降压换流器采用三重双管buck-boost拓扑结构，对储能装置的输出电压进行升压/降压变换，驱动负载电感；当脉冲工作电流处于上升阶段时，升降压电路工作在buck与buck-boost的模态下；当脉冲工作电流处于稳态阶段时，升降压电路工作在buck-boost与buck的模态下；当脉冲负载电流处于上升以及平稳阶段，双管buck-boost电路工作，当脉冲电流下降、间歇阶段，电路器件关断。双管buck-boost升降压电不仅具有升降压的功能，而且其功率器件电压应力低、无源元件少以及输入输出极性相同等优点，适用于输入电压变化范围较宽的场合。
18.进一步的，所述双管同开同关控制策略为：工作在buck-boost模式下；给定电流情况下电流内环计算值；电流给定值i
o_ref
与变换器输出电流io经过pi控制器后的到电流内环
给定值的修正部分，经过电流内环控制器以及三相均流控制器得到变换器占空比信号；i
lave
是单个开关周期内的平均电流,其中，i
l
可以由下式计算得到：
[0019][0020][0021][0022]
式中，i
o_ref
为电流给定值，d为占空比，m
ref
为给定调制比，v
in
为双管buck-boost变换器输入电压；r
l
为电感等效内阻l为电感,d为微分符号；
[0023]
为了避免负载电感两端电压跳变，引起输出电容与负载电感振荡，电感电流给定波形设计为一阶导数连续的分段函数；在上升初期采用线性给定，充分利用直流母线电压，保证在1s内能够达到额定电流；接近额定电流时，切换为三角函数，保证负载电感两端电压连续，函数数值表达式为：
[0024][0025]
x为表征电流的无量纲量；y为表征电压的无量纲量。
[0026]
进一步的，所述泄能装置包括电容泄能电路，所述电容泄能电路包括数量为4条的电阻分段投切支路电路、数量为1条的电阻支路电路及续流二极管dmm；所述电阻分段投切支路电路及电阻支路电路形成多路并联后与续流二极管dm串联，串联后的电路连接在外部dc/dc升降压换流器和斩波换向单元之间的主电路上，靠近续流二极管dm的主电路上还设置有主路开关管sm；所述每条电阻分段投切支路电路上串联设置电阻元件及支路开关管元件；所述电阻支路电路上设置电阻元件；其中电阻分段投切支路电路上的开关管元件和续流二极管dm的阳极端连接。
[0027]
进一步的，所述sm为泄能装置主电路开关管，采用全控型器件；通过控制sm来实现泄能装置在电源系统中的接入或断开；dm为续流二极管，在泄能装置吸收负载能量时，电感电流经电阻与dm续流；泄能装置中包含四条电阻支路，耗能电阻r1、r2、r3、r4并联连接，其中耗能电阻r1、r2、r3分别于全控型开关器件s1、s2、s3串联；通过控制s1、s2、s3的导通与关断，来调节泄能装置电路总电阻的大小；
[0028]
泄能装置前级与dc/dc升降压换流器连接，后级经斩波换向单元连接大电感负载；当脉冲电流处于上升并维持固定幅值一段时间时，泄能装置主电路开关管sm一直处于导通状态，泄能装置处于待机状态；当脉冲电流处于下降阶段，泄能装置中开关管动作，装置进入到工作状态；同时，为了满足短时间内电流下降为0的下降速率，采用电阻分段投切的形式实现电感泄能；能够在短时间内迅速吸收大电感负载所有的能量，并保证泄能回路中开关器件的安全运行。
[0029]
当电感电流下降至0，泄能装置中开关管s1、s2、s3全部关断，主电路开关管sm重新处于导通状态，负载电感完成泄能，泄能装置处于待机状态。
[0030]
进一步的，所述斩波换向单元包括4个晶闸管构成的h桥结构，其输出脉冲式正负交替、规律幅值衰减的电流波形；当晶闸管vt1、vt4导通，输出正向脉冲电流；当晶闸管vt2、vt3导通，输出负向脉冲电流。
[0031]
本发明的有益效果和特点是：
[0032]
1、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，具有高功率密度和高能量密度的特点，通过接入电池储能装置，有效降低电源系统对电网容量的需求，避免对电网产生冲击，并改善供电质量。电池储能装置具有双向的功率调节能力，利用储能元件灵活地存储和释放电能，可以保证系统内的实时功率平衡，改善频率特性，解决电压波动问题。
[0033]
2、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，整流电路采用lcl型高频整流将主电变压器降压后的交流电压，变换成储能装置的输入直流电压，并给储能装置提供合适的充电电流，起到稳流限压的作用。
[0034]
3、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，主电源系统中接入电池储能装置，储能装置可以实现电力的削峰填谷、改善电力供需矛盾。因此，通过在电源系统中加入电池储能装置可以降低电源系统对电网容量的需求，避免对电网产生冲击，并改善供电质量。同时储装置统具有双向的功率调节能力，利用储能元件灵活地存储和释放电能，可以保证系统内的实时功率平衡，改善频率特性，解决电压波动问题。储能装置选用高安全高倍率磷酸铁锂电池组，其在充放电效率、安全性能及使用寿命上都有所改善，能量密度大、储能时间长，主要用于存储及释放负载工作所需的能量。
[0035]
4、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，dc/dc升降压装置采用三重双管buck-boost升降压电路。双管buck-boost升降压电路不仅具有升降压的功能，而且具有功率器件电压应力低、无源元件少以及输入输出极性相同等优点，适用于输入电压变化范围较宽的场合。
[0036]
5、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，斩波换向单元采用由4个晶闸管组成的h桥拓扑结构，根据控制信号按顺序实现晶闸管导通，完成脉冲工作电流正负方向的转换。
[0037]
6、本发明的循环脉冲大功率消磁主电源系统，主电源系统中的泄能装置采用多级电阻支路并联，在工作阶段逐渐增大回路电阻阻值，即可以保证负载电流的快速释放，同时也避免电感两端出现过高的端电压损坏泄能回路中电路元器件。
附图说明
[0038]
图1是本发明较佳实施例的主电源系统拓扑结构框图；
[0039]
图2是本发明较佳实施例的三相整流器拓扑结构图；
[0040]
图3是本发明较佳实施例的三相整流器的控制框图；
[0041]
图4是本发明较佳实施例的dc/dc升降压换流器拓扑结构图；
[0042]
图5是本发明较佳实施例的dc/dc升降压换流器的控制框图；
[0043]
图6是本发明较佳实施例的泄能装置拓扑结构图；
[0044]
图7是本发明较佳实施例的斩波换向单元拓扑结构图；
具体实施方式：
[0045]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明具体实施例中的主电源系统拓扑结构框图如图1所示。电源系统主要包括三相整流器、电池储能单元、dc/dc升降压换流器、泄能装置、斩波单元等子系统。交流市电经变压器降压，转换成三相换流器所需的输入电压等级。三相整流器负责给电池储能装置充电，并在脉冲电流上升阶段同时为大电感负载供电。dc/dc升降压换流器对电压进行变换，其输出直流电流经斩波换向器换向，为大电感负载提供正负交替的脉冲电流。泄能装置可以缩短脉冲电流下降时间，使脉冲下降时间达到实际工程的设计要求。其中，电感负载用等效的rl串联支路代替。
[0047]
如图2所示，提供了主电源系统的三相整流器的拓扑结构图。其中，l1为整流器侧电感，cf为滤波电容，l2为网侧电感，它们构成了lcl滤波器。与l滤波器相比，lcl滤波器中含有滤波电容cf，为高频谐波电流提供了旁路通路，在实现相同滤波效果的前提下，lcl滤波器中两个电感量之和小于l滤波器中单个电感的电感量，因此体积更小，成本更低。
[0048]
图3为三相整流器的控制框图(其中u
gα
、u
gβ
分别为α、β轴电网电压，u
dc
为直流母线电压，i
2α
、i
2β
为整流器α、β轴输入电流)，其控制目标为控制换流器侧电流i2使其余电网电压ug同步。ug相位由锁相环获得。一般控制可分为无源阻尼法和有源阻尼法，但无源阻尼在实现系统控制目标的同时，也会为系统带来额外的功率损耗，因此这里控制器采用电容电流有源阻尼反馈控制。通过电容电流实现lcl滤波器谐振尖峰的抑制。根据图中控制器，将abc坐标系下物理量转换成αβ坐标系下进行控制，实现了有功和无功的互相解耦。通过控制交流电网侧电流，引入电容电流反馈，h
i1
为反馈系数，最后输出pwm控制信号控制三相整流桥开关管的通断。
[0049]
如图4所示，提供了主电源系统的dc/dc升降压换流器拓扑结构图(图中d
11-d
13
、d
21-d
23
表示不同位置处的二级管；s
11-s
13
、s
21-s
23
表示不同位置处的开关管；vin表示输入端电压，v。表示输出端电压，c。表示输出电容，i
l1
、i
l2
、i
l3
都表示电感电流)。dc/dc升降压换流器采用三重双管buck-boost拓扑结构，对储能装置的输出电压进行升压/降压变换，驱动负载电感。当脉冲负载电流处于上升以及平稳阶段，双管buck-boost电路工作，当脉冲电流下降、间歇阶段，电路器件关断。
[0050]
图5为dc/dc升降压变换器的控制策略结构。dc/dc升降压换流器采用双管同开同关控制策略，工作在buck-boost模式下。i
l
为当前给定电流情况下电流内环计算值；电流给定值i
o_ref
与变换器输出电流io经过pi控制器后的到电流内环给定值的修正部分，经过电流内环控制器以及三相均流控制器得到变换器占空比信号。i
lave
是单个开关周期内的平均电流,其中，i
l
可以由下式计算得到。
[0051][0052]
[0053][0054]
此外，为了避免负载电感两端电压跳变，引起输出电容与负载电感振荡，电感电流给定波形设计为一阶导数连续的分段函数。在上升初期采用线性给定，充分利用直流母线电压，保证在1s内能够达到额定电流。接近额定电流时，切换为三角函数，保证负载电感两端电压连续，函数数值表达式为
[0055][0056]
此外，在工作线圈泄能阶段，s
21
～s
23
开通，为电感电流提供续流通路。
[0057]
如图6所示，提供了主电源系统的泄能装置拓扑结构图。泄能装置电路中，sm为泄能装置主电路开关管，采用全控型器件。通过控制sm来实现泄能装置在电源系统中的接入或断开；dm为续流二极管，在泄能装置吸收负载能量时，电感电流经电阻与dm续流；泄能装置中包含四条电阻支路，耗能电阻r1、r2、r3、r4并联连接，其中耗能电阻r1、r2、r3分别于全控型开关器件s1、s2、s3串联。通过控制s1、s2、s3的导通与关断，来调节泄能装置电路总电阻的大小。
[0058]
泄能装置前级与dc/dc升降压换流器连接，后级经斩波换向单元连接大电感负载。当脉冲电流处于上升并维持固定幅值一段时间时，泄能装置主电路开关管sm一直处于导通状态，泄能装置处于待机状态；当脉冲电流处于下降阶段，泄能装置中开关管动作，装置进入到工作状态。同时，为了满足短时间内电流下降为0的下降速率，采用电阻分段投切的形式实现电感泄能。
[0059]
当电感电流下降至0，泄能装置中开关管s1、s2、s3全部关断，主电路开关管sm重新处于导通状态，负载电感完成泄能，泄能装置处于待机状态。
[0060]
如图7所示为斩波换向单元的电路拓扑结构图。其结构主要采用了有4个晶闸管构成的h桥结构，其输出脉冲式正负交替、规律幅值衰减的电流波形。当一号晶闸管vt1、四号晶闸管vt4导通，输出正向脉冲电流；当晶闸管二号晶闸管vt2、三号晶闸管vt3导通，输出负向脉冲电流。
[0061]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。