HT-7U 等离子体垂直位移快速控制电源 －－ 课题进展汇报

1. HT-7U等离子体垂直位移快速控制电源－－课题进展汇报HT-7U等离子体垂直位移快速控制电源－－课题进展汇报 HT-7U等离子体垂直位移快速控制电源课题组 2002年6月

2. 汇报内容 • 做了些什么？怎么做的？结果怎么样？ • 课题概况、进展及计划－－－刘正之 • 重点方案设计： 1，电压源型H桥逆变器－－－程荣仓、刘正之 2，电压源型三相PWM循环变流器－－－－－张兴、张崇巍 3，电流源型PWM双向变流器－－－－－－－－－张兴、余勇、张崇巍

3. 人员组织 • 刘正之，程荣仓（2000年春博士生）， 余勇（2000年硕士生，2002硕博连读） • 外协－－合工大电气工程学院：张崇巍教授，张兴副教授（徐宁，杜少武副教授－－初期），研究生4人 （2000，4～20002，12；7万元） • 发挥学院电力电子（国家级重点学科，具有博士学位授予权）的学术水平与专业实力，结合HT-7U大科学工程的挑战与机遇，院校结合，优势互补

4. 关于等离子体垂直位移快速控制电源的理解与考虑－－从电源研制的角度关于等离子体垂直位移快速控制电源的理解与考虑－－从电源研制的角度 • 物理目标 • 研制任务 • 系统特点 • 负载参数 • 技术要求（参数） • 研制路线 • 人员组织 • 计划进度 • 参考资料：电力电子技术的进展与应用； 国际同类装置的相关资料

5. 物理目标 • 抑制大拉长位形等离子体固有的垂直不稳定性，控制等离子体在垂直方向的快速漂移，实现等离子体在垂直方向的平衡与定位。 • －－大体积位形－－－

6. 研制任务 • 研制等离子体垂直位移控制系统中主动控制线圈的快速控制电源及其控制系统。在总控实时给定的主动控制线圈的电流信号指令下，实行电源输出电流的快速跟踪，实现上述物理目标。

7. 系统特点 • 复杂的电磁耦合－－PF,VV,PSP, IVC, IP－－－多变量，强耦合 • 等离子体固有的垂直不稳定性及扰动的随机性－－－时变性与非线性 • 物理分析与数值计算的重要性－－PSP,IVC的准确定位－－电源功率（峰值、额定值） • 垂直位移控制要求的快速性（~10ms)与准确性(<1cm)－－电流快速跟踪与准确控制 • 电源的固有延时，开关频率的限制－－电源的快速性 • 测量、诊断、运算的固有延时－－总控指令的实时性与准确性 • 故障保护的复杂性与重要性－－ IP快速漂移，破裂－－－过压，过流，过热保护 • 高频开关电源的复杂性与电磁兼容性－－拓扑优化、器件选择、负载匹配、控制算法、数字仿真（软件）、模拟实验， • 其它

8. 系统框图

9. IVC负载参数估算 • IVC: (R, Z)=240cm, ±60cm，上下线圈反串 • 单匝线规：Scu=5×5cm2 • 电流密度：max = 8A/mm2 (多匝亦同） • 引线：往返并行，设长度 l =250m=100m（？） • 线圈等值参数：(L1 =L2=14.35 H, M12=2.67 H) • 单匝： L=26 H, Rc=2.28 m , =11.40ms线圈:Lc=24 H, Rc=0.28 m; 引线：Ll~2 H, Rc~2m; • 双匝： L=98 H, Rc=9.12 m , =10.75ms 线圈:Lc=96 H, Rc=1.12 m; 引线：Ll~2 H, Rc~8m; • 4匝： L=386 H, Rc=36.48 m , =10.58s 线圈:Lc=384 H, Rc=4.48 m; 引线：Ll~2 H, Rc~32m • 电流引线参数不可忽略

10. 技术要求 • Im=20KA, 电压响应 tdv1ms • 4Q (电流双向）运行 • Um, Pm? Im/ t ? • Un, In , Pn? D/T? • 故障态？Pl.破裂? • 二组，可串、并联？

11. 研制路线 • 设计思想：以高性能、高可行性、高可靠性为主，兼顾经济性与技术先进性 • 方案设计：多途径探索，多方案比较－－理论分析，数字仿真，原理性样机试验－－－最佳方案 • 工程设计：初步工程设计－－工程样机试验－－工程设计 • 工程建设：加工－－组装－－调试

12. 研制过程框图

13. 快控电源可能采用的变流技术AC--DC--AC • 先进的电源技术： • 模块化技术 • 并联均流技术 • 多重化技术 • 软开关技术 • PWM控制 • －－－ • 最有可能采用的变流器拓扑： • 三相PWM变流器----V(s); I(s) • H-桥逆变器----V(s); I(s) • 以上技术已在大容量电气传动、电力机车、电力电能质量治理得到应用

14. 快控电源可能采用的电力电子器件 • SCR:高电压、大电流、成熟、可靠、非自关断（三相SCR变流器：控制死区=1/pf, 安全角～20°） • GTO:高电压、大电流、成熟、可靠、价高、自关断、开关频率有限（f~1KH）、门极关断功率大（电流型） • IGBT:中电压、中电流、成熟、可靠、自关断、开关频率高（f~10－30KH）、控制功率小（电压型），在高频开关电源得到广泛使用，甚至在聚变电源中（AH,SM,etc.)亦可见诸多应用

15. 快控电源方案 • 根据系统的物理特性与技术要求 • 根据电力电子技术的发展（电力电子器件、变流技术及其应用） • 参照大容量电流电子装置的有关经验 • 参照国内外同类装置的相关（有限）资料

16. 多方案设计与比较 • 方案一，电压源型模块化全桥逆变器 • 方案二，电压源型三相PWM循环变换器 • 方案三，电流源型PWM双向变换器 • 方案四，电流源型三相PWM对偶变换器 • 方案五，模块化全桥 PWM DC/DC 变换器 • 方案六，采用高频变压器输出的PWM控制全桥逆变器 • ---

17. 模块化PWM控制全桥逆变器

18. 软开关技术

19. 电压源型三相PWM循环变换器

20. 电压源型三相PWM循环变换器 • 采用电压型双向变流器控制技术，从而使快控线圈获得四象限运行特性 • 采用空间电压矢量PWM整流器快速电流跟踪控制获得较高电流响应 • 由于采用电压型拓扑结构，从而可采用通用IGBT模块， • 网侧电流正弦化，可进行谐波抑制及无功补偿控制。 • 易于实现并联均流 • 多重化移相PWM控制较困难 • 适合电感较小的单匝线圈，不适合电感较大的多匝线圈

21. 电流源型PWM双向变流器

22. 电流源型PWM双向变流器 • 具有四象限运行特性 • 具有较好的电流跟踪性能，可电流开环控制，具有更好的系统稳定性 • 适宜采用PWM组合移相技术，可以较低的开关频率获得较高的输出波形品质 • 可进行谐波抑制及无功补偿控制，实现网侧电流正弦化， • 易于实现并联均流 • 适合电感较大的多匝线圈 • 由于采用电流型拓扑结构，不可采用通用IGBT模块，

23. 电流源型三相PWM对偶变换器

24. R 图1.1 FCPS方案二系统结构框图 模块化全桥 PWM DC/DC 变换器

25. + T1 T3 D1 D3 L1 La Ua Lb Ub Lc Uc T2 T4 D2 D4 电压 检测 Io _ 驱动电路 ib ic ia ia* A 参考电流 发生器 电流 比较 B ib* C Ud _ ic* PI Ud* 模块化全桥 PWM DC/DC 变换器

26. 采用高频变压器输出的PWM控制全桥逆变器

27. 采用高频变压器输出的PWM控制全桥逆变器

28. 主要结果与结论 • 三个重点方案设计即将按计划完成， • 原理性样机实验正在积极筹备， • 最后的优选方案取决于： • 实验结果、物理设计、线圈设计、系统协调（物理控制、线圈、电源） • 快控电源的合理技术要求与设计参数与物理设计关系重大（如电流响应）， • 与负载线圈的设计关系重大（如匝数）， • 引线的设计与参数有较大影响

29. 主要结果与结论 • 重点方案设计所得结果令人鼓舞： • 可以达到很高的技术要求与技术参数， • 具有很高的技术性能， • 较高的可行性与经济性以及应用价值， • 与JET、ASDEX－U，KSTAR方案比较，具有较高的技术先进性。 • 有关技术报告可见HT－7U共享文件夹

30. 人员组织 • 刘正之，程荣仓（2000年春博士生）， 余勇（2000年硕士生，2002硕博连读） • 外协－－合工大电气工程学院：张崇巍教授，张兴副教授（徐宁，杜少武副教授－初期），研究生4人 （2000，4～20002，12；7万元） • 发挥学院电力电子（国家级重点学科，具有博士学位授予权）的学术水平与专业实力，结合HT-7U大科学工程的挑战与机遇，院校结合，优势互补

31. 计划进度 • 多方案设计，比较，优化－－－2002年7月 (接近完成） • 原理样机研制与试验－－－－－2002年10月 （正进行中） • 工程样机设计－－－－－－－－2002年12月 • 工程样机研制－－－－－－－－2003年6月 • 工程样机试验－－－－－－－－2003年10月 • 系统工程设计－－－－－－－－2003年12月 • 加工、验收、组装－－－－－－2004年10月 • 调试－－－－－－－－－－－－ 2004年12月

32. 计划修订 • “大拉长位形”暂停 • “BIGD位形”启动：重新确定设计参数，等待新一轮物理计算结果

33. ***** • End of Part 1

34. 参考资料 • 电力电子技术的发展与应用 • 国际同类装置相关资料

35. 电力电子技术的发展与应用 • 电力电子技术是利用电力半导体器件对电能进行高效变换与控制的技术，它包括电压、电流、频率与波形等方面的转换与控制，是电力、电子、控制三者结合的交叉学科。 • 电力电子器件的开关技术是其核心与基础

36. 电力电子学

37. 电力电子技术的发展与应用

38. 变流技术

39. 快控电源可能采用的变流技术AC--DC--AC • 先进的电源技术： • 模块化技术 • 并联均流技术 • 多重化技术 • 软开关技术 • PWM控制 • －－－ • 最有可能采用的变流器拓扑： • 三相PWM变流器----V(s); I(s) • H-桥逆变器----V(s); I(s) • 以上技术已在大容量电气传动、电力机车、电力电能质量治理得到应用

41. 快控电源可能采用的电力电子器件 • SCR:高电压、大电流、成熟、可靠、非自关断（三相SCR变流器：控制死区时间=1/pf, 安全角～20°） • GTO:高电压、大电流、成熟、可靠、价高、自关断、开关频率有限（f~1KH）、门极关断功率大（电流型） • IGBT:中电压、中电流、成熟、可靠、自关断、开关频率高（f~10－30KH）、控制功率小（电压型），在高频开关电源得到广泛使用，甚至在聚变电源中（AH,SM,etc.)亦可见诸多应用

42. ******* • End of Part 2

43. 国际同类装置相关资料 • JET--Fast Radial Field Amplifier(FRFA)--(early 90’s) • ASDEX-U--Plasma Position Stabilization--(early 90’s) • KSTAR • ITER----z~100ms, no IVC

44. JET--FPFA

45. JET--FPFA • Four Subunits: DC output V=2.5KV, I=2.5KA GTO: VDRM=4.5KV, ITGQM=3KA • Two Configurations: A: ±5KV, ±5KA(1s,1KHZ), ±1KA(29s, 2.5KHZ), B: ±10KV,±2.5KA(1s, 1KHZ), ±0.5KA(29s, 2.5KHZ) Max. Voltage Response Time=0.2ms • D/T: 30s/600s • Multi-level Control • Bipolar Crowbar • Pyrofuse (I>5KA) • Old Thyristor Converter: Tconv. ~2ms, TV.V ~3ms, Te ~1.5ms(delay time of electronics, filter of controller)

46. JET--FRFA

47. ASDEX-U----PPS

48. ASDEX-U----PPS • MFG: 85~110HZ (~10s) • Conv. Transformer: (22.5MVA--Cont., 210MVA--Pulse) • Thyristor Conv.: two sets, 12pulse, four Quadrant, 2s or 2p, 520V/300V/150V 8.3MW/4s and 4.16MW/6s; 16KA/4s and 8KA/6s, • Reversal time: Tv nature reversal time? Ti 50ms (+30 ~ -30 KA) • Overcurrent Protection: Thyristor DCCB: 30KA/1.6KV (Td 100µs), Pyrobreaker: Ia= 35KA, Im(limited)=40KA (Td360+50+ ~500 µs)

49. ASDEX-U---PPS

50. KSTAR