高参数平顶脉冲强磁场电源系统的控制策略及拓扑结构研究

发布时间：2020-06-22 17:50

【摘要】：脉冲强磁场作为一种有利于揭示物质未知现象和效应的极端实验环境,被广泛地应用于物理,化学,生物等领域的前沿科学实验中。平顶脉冲强磁场结合了脉冲强磁场和稳态强磁场的优点,成为了强磁场研究领域内科学家和工程师们关注的热点问题之一。随着对物质特性的探索进程的进一步深入,平顶脉冲强磁场的参数水平尚不能满足一些科学实验的严苛要求,因此提高平顶脉冲强磁场的参数水平具有重要的理论意义和实验价值。电源系统是平顶脉冲强磁场系统的核心部件之一,其主要类型包括脉冲发电机整流型电源、电容器型电源、蓄电池型电源等。平顶脉冲强磁场的主要参数(磁场峰值强度、平顶稳定度和平顶持续时间)与脉冲磁体供电方案的选择、控制策略的设计等因素密切相关。因此,本文在广泛阅读相关文献的基础上,结合武汉国家脉冲强磁场科学中心现有电源系统,以实现高参数的平顶脉冲强磁场为目标,针对平顶脉冲强磁场电源系统的关键理论和技术进行了深入研究。研究内容包括:100 MVar脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统的控制策略和动态无功补偿、平顶磁场系统的有源嵌入式磁场调控以及多电源组合供电平顶磁场系统。在脉冲发电机整流型电源的控制策略研究方面,从提高时变非线性复杂系统控制精度的角度出发,提出了硬件电路解耦方案和两种高精度控制策略以提高平顶磁场的平顶稳定度。针对50 T双线圈磁体的电流耦合效应引起的磁场平顶阶段控制困难的问题,在线路中串联了互感与50 T磁体的互感相抵消的去耦变压器,通过硬件电路解耦提高了控制系统的控制精度和鲁棒性;提出了基于遗传算法和BP神经网络的复合控制策略,利用遗传算法优化BP神经网络的初始参数,避免了BP神经网络初始参数整定困难,易陷入局部最优、收敛速度较慢的问题;针对单闭环PI反馈控制、双闭环带前馈控制和PI参数在线自整定等控制策略不能很好的适应非线性时变复杂系统的问题,通过建立12脉波整流器的外特性预测模型和磁体电阻非线性预测模型,提出了适用于12脉波整流器电源供电平顶磁场系统的基于模型预测控制的高精度控制策略;脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统的数字仿真模型验证了硬件电路解耦方案以及控制策略的有效性。在脉冲发电机整流型电源的动态无功补偿研究方面,从减小整流器输入电压波动对控制策略精度影响的角度出发,提出了基于15 MVar单调谐滤波器组和10 MVar STATCOM的无功补偿系统,通过减小整流器输入电压的下降幅值,解决了控制策略随着放电时间深入而出现的控制精度下降问题,延长了平顶磁场的平顶持续时间。在分析负载无功功率变化规律的基础上,对单调谐滤波器组和STATCOM的无功补偿容量进行了优化设计,以保证无功补偿系统具有较高的经济性、稳定性和适应性;提出了基于晶闸管投切并联电容器的单调谐滤波器组和利用移相变压器实现四重化结构的STATCOM电路拓扑结构,以补偿固定值的无功功率并兼顾特定次谐波的滤波功能;提出了基于模型预测方法的控制策略以精确跟踪负载消耗无功功率的变化;在脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统仿真模型的基础上建立了无功补偿系统的仿真模型,并结合基于模型预测控制的脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统控制策略,分析了无功补偿系统的运行状况并验证了补偿效果。在有源嵌入式磁场调控系统的研究方面,从跟踪并补偿磁场在平顶阶段的磁场波动的角度出发,提出了基于磁场叠加原理的有源嵌入式磁场调控系统以提高平顶磁场的平顶稳定度。提出了基于超级电容器的全桥MOSFET电路,以实现能量的双向流动并产生跟踪磁场波动的补偿磁场;在考虑科学实验要求、工程实现性和通用性的基础上提出了可嵌入原磁体的调控系统磁体线圈;提出了串联在放电回路中的平波电抗,避免了调控系统出现互感电压过大导致的过补偿现象;在采用高频率开关器件的基础上,提出了基于双极性PWM的控制策略以满足调控系统对响应速度、补偿精度和鲁棒性的要求,并进一步提出了脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统和有源嵌入式磁场调控系统的协同控制策略;利用数字仿真平台,分别结合电容器型电源供电平顶磁场系统、蓄电池型电源供电平顶磁场系统和脉冲发电机整流型电源供电平顶磁场系统分析了有源嵌入式磁场调控系统的工作过程并验证了调控效果。在多电源组合供电系统的研究方面,从利用多电源组合供电而发挥多种电源系统各自优点的角度出发,提出了多种组合供电系统,以在满足平顶持续时间和平顶稳定度的要求的基础上提高平顶磁场的磁场峰值强度。初步设计了多种组合供电系统的电路拓扑和磁体参数;提出了考量组合供电系统磁体线圈经济性和工程实现性的评价函数;电容器型电源和脉冲发电机并联整流型电源组合供电系统的磁场峰值强度最高且磁体线圈的经济性和工程实现性最优,因此进一步针对基于该组合供电系统的65 T平顶磁场系统的电路拓扑结构和65 T双线圈磁体进行了优化设计;针对65 T平顶磁场系统中两种电源的输出电压差较大而可能出现的短路击穿故障,提出了多电源协同工作时的保护系统;提出了针对65 T平顶磁场系统的多电源协同工作控制策略,以实现线圈电流的高精度控制;在数字仿真平台上建立了65 T平顶磁场系统的仿真模型并验证了系统的有效性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM73
【图文】：

电源系统,电容器,实物,极性转换

图 1.1 WHMFC 电容器型电源系统实物图图 1.2 WHMFC 电容器型电源系统电路原理图，减小磁场下降阶段的时间进而减小磁体线圈累积的焦耳热以 C0通过极性转换电路对磁体线圈放电，T 是回路的主放电开体线圈的电感和电阻。型电源系统的初始电压较高，放电波形较为平滑，但是放电脉T储能及续流回路C0充电机S1S1S2R1R1充电及泄能回路DR2极性转换电路极性转换及放电回路RcLc

电路原理图,电源系统,蓄电池,实物

池型电源系统型电源具有放电脉宽较长，输出电压较稳定的优点，并且可以提高输出电压和输出电流。Ni-Cd、Ni-MH、Na-S 型电池价昂贵。相比之下，铅酸型蓄电池具有成本较低、高倍率放及通用性较强的优点[46]。因此，WHMFC 建设了基于铅酸型体线圈提供能量[47]。图 1.3 给出了 WHMFC 的蓄电池型电源C 的蓄电池型电源系统包含 1050 个 6GFM-200 型阀控式铅 12 V，额定容量 200 A.h，同时单个蓄电池可以灵活串联或4 给出了蓄电池型电源系统的电路原理图。蓄电池组的每条极管以避免反向电流。直流断路器 S1可以在电流过大时切T2是主回路的放电开关；电容器 Cb、晶闸管 T3、电感 Lb组主开关 T2的关断[48-50]；R2和 D 组成了续流回路以调整下降

【参考文献】