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降低直流磁铁电源纹波用有源滤波器研究

2021-01-19

兰州重离子加速器是一个大科学工程装置,主要开展重离子物理基础和重离子束应用研究,其研究成果应用在重离子束深层治癌、材料辐照等领域[1-2]。在加速器中,为磁铁提供励磁电流的直流稳流电源必须满足极低纹波标准(10-4~10-5),用来控制加速器的磁场,从而实现对束流的精确控制。目前,兰州重离子加速器部分直流磁铁电源输出电流纹波偏大,电流的波动影响了磁场束流,需要采取措施降低电源输出电流的纹波。通过对电源输出电流波形进行FFT分析,发现纹波大小是由各次电流谐波构成的,以50 Hz,100 Hz交流信号为主。降低磁铁电源输出电流纹波的常用方法有2种:1)采用LC无源滤波器,但是随着电源功率的增加,无源滤波器的体积会变得很大,而且该方法对低频纹波抑制效果非常有限[3-4];2)使用直流有源滤波器(DAF),DAF对低频纹波有很好的抑制效果,成本也较低,非常适合用于处理已经在运行的电源。文献[5]采用串联型DAF降低电源纹波,负载电流全部流过有源滤波器,对功率器件要求高且效率低;文献[6]采用并联型DAF,滤波器只流过需要补偿的谐波电流,优点是容量小且效率高,缺点是低通滤波器在准确性和响应速度方面存在矛盾。在控制方法上,单一的PI控制跟踪交流信号存在稳态误差。文献[7]采用开环调制的方式产生PWM脉冲控制逆变器,但其补偿精度有待提高。文献[8]用小波变换进行谐波分析,通过重构反相信号的补偿方式进行跟踪控制,但是算法复杂,计算量较大,对处理器要求高。电流平均值法利用平均值原理得到与基波分量对应的直流量[9],实现LPF的滤波功能,延时较小;重复控制能跟踪多频率谐波信号,常用于消除电力系统谐波的周期性稳态误差[10]。为了解决DAF响应速度和补偿精度的矛盾,本文将改进的电流平均值法应用于DAF的纹波提取,并将PI控制与重复控制相结合,用于谐波无静差跟踪控制,同时增加参考电流前馈和输出电流反馈,提高了系统响应速度和补偿精度。1有源滤波器原理常用的并联型有源滤波器和电源主电路结构如图1a所示,电源通过12脉波相控整流得到直流电压,通过调压电路稳定输出。图1中,Ls为平波电抗器;Cs为滤波电容;R,L为等效负载电阻和电感;V1~V4的桥式逆变器构成DAF主电路;Lf为滤波电感;is为磁铁电源输出电流;ic为有源滤波器输出的补偿电流;iL为负载电流。is可分解为is=id+ih(1)式中:id为电源输出中的直流分量;ih为纹波分量。检测负载电流时,有源滤波器输出可以等效为如图1b所示电路。理想情况下,负载电流只含有直流分量(iL=id),即有源滤波器的输出满足:ic=-ih(2)此时,有源滤波器实际是一个电流控制电流源(CCCS),通过PWM脉冲控制电压源逆变器,产生与纹波大小相等,相位相反的信号去抵消负载电流中的谐波成分,最后只剩下稳定的直流,实现抑制电源纹波的目的。在DAF中,电源输出电流谐波分量的准确检测是有源滤波器能够有效补偿的前提,直接影响到设计的有源滤波器的补偿效果。2改进电流平均值法在电源纹波处理中,常用的纹波提取方法就是将检测到的负载电流通过低通或高通滤波器滤波,从而得到纹波参考信号。但是该方式受滤波器阶数、截止频率的影响,检测精度和动态响应两者很难同时兼顾。为了提高动态响应速度,需要降低滤波器阶数或者提高截止频率,但这会牺牲算法的检测精度;如果要提高检测精度,就要提高滤波器阶数,这会使滤波器延时增加,牺牲算法的动态响应速度。电流平均值法是LEDLD Oliveira等人在对基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法进行改进时候提出的一种电流检测方法。

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