超导磁体电源变流系统模块化的关键问题研究

发布时间：2020-01-21 14:12

【摘要】：国际热核聚变实验堆ITER是目前世界上规模最大的全超导托卡马克装置,由32个国家共同研制,旨在验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER极向场(Poloidal Field,PF)电源变流器系统作为ITER装置的重要子系统,是目前世界上功率最高,运行模式最复杂的特种电源系统。常规的一体化电源设计方法已无法满足ITER PF电源变流器系统的技术及工程需求。本文以ITER PF电源变流器系统为对象,提出了超导磁体电源变流系统的模块化设计方法,重点对ITER PF变流器串联系统的控制保护逻辑、启动退出策略、无功最小化控制及信号去噪等关键问题进行了深入研究,并结合ITER PF串联顺序测试平台对关键问题的解决方案进行了实验验证。本文的主要研究内容和创新点具体如下:(1)基于模块化设计思想,提出了采用模块的共用性和组合优化效应实现高电压、大电流超导磁体电源变流系统的模块化设计方法,有效降低了系统的设计难度。(2)研究了 ITER PF变流器串联系统的控制和保护逻辑,实现了系统的复杂模式运行。同时,针对串联复杂系统的同步启停问题,提出了借助旁通的安全启动策略和大电感储能负载条件下的可靠退出策略,并通过实验验证了其可行性和可靠性。(3)针对ITER PF变流器串联系统无功功率最小化控制进行研究,提出了极值控制的电压分配方式。在不增加任何额外设备的情况下,通过算法优化实现串联系统无功功率最小化控制,减小无功冲击对电网造成的危害,降低了无功补偿系统的装机容量及设备投资。(4)对强电磁复杂环境下的ITER PF电源变流器系统的电流反馈控制信号进行了小波实时滤波。创新性的提出了一种新型左右延拓方法,提高了小波滤波的实时性和准确性。所设计的小波滤波器成功应用于电源控制系统,优化了系统的控制性能,提升了电源在复杂电磁环境下运行的稳定性,具有实用价值。
【图文】：

场电源（Ｐｏｌｏｉｄａｌ邋Ｒａｄｉａｌ邋Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｆｉｅｌｄ邋Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，ＰＲＦＡ）以及欧姆加热场电逡逑源（Ｏｈｍｉｃ邋Ｈｅａｔｉｎｇ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＯＨ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ）。ＪＥＴ极向场电源系统的拓扑结构逡逑如图１．１所示＞１８］，垂直场电源和位形控制电源、径向场电源、欧姆加热场电源逡逑的拓扑结构分别如图１．１中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示。逡逑＿＿＿邋＿＿＿邋￥邋￥邋￥逡逑ｎ邋２ｒｓ￣邋ｔｉ邋ａ邋ｎ逦三＝＿逡逑＝＝—－＝＝—邋＾邋逦邋．逡逑ｓｉｔ邋ｔｉｔ逦——Ｎ－ｉ逡逑＇邋＇逦（＾邋＾＿＿ｉ邋＾逦｜－Ｃ＝３－ｒＣ＝＞－逡逑－ｅｆｔ邋ｔ逡逑⑷邋㈨逡逑醒逡逑Ｎ＝４０逦ｐ＾Ｔ－（Ｗ）邋１逦卞邋Ｉ逦ｚ邋卜逡逑？逦————逦＾邋—Ｈ＂逡逑Ｉ邋ｉ－邋ｒ－＾－Ｕ￣￣ｘ邋ｉ：邋Ｒ？逡逑ｐｆｇｃ邋逦Ｉ邋ｒｙｙｒ＼邋Ｉ邋．逦Ａ．邋Ｔ邋Ｉ邋Ｉ逦＃逡逑—＜ｗｖ￣ｆ邋ｓ２？逡逑Ｒｉｂ逡逑（ｃ）逡逑图１．１邋ＪＥＴ极向场电源系统逡逑ＪＥＴ极向场电源系统中共有两套垂直场电源为线圈Ｐ４供电，两套位形控逡逑制电源电源分别为线圈Ｐ２和Ｐ３供电。垂直场电源与位形控制电源的拓扑结构逡逑相同，每套电源均由４个变压器分别为４个整流桥模块供电，４个整流桥模块逡逑两两并联后串联

逦０逦＋５８／－４５逦＋７０／－５６逡逑块，，避免其因承受反向电压而损坏。垂直场电源和位形控制电源的具体输出参逡逑数如表１．１所示。径向场电源的拓扑结构如图１．１中（ｂ）所示，由４个三相全控逡逑桥并联一个二极管组成，可实现１２／２４脉波运行，径向电源的输出参数如表１．２逡逑所示。极向场飞轮储能发电机（Ｐｏｌｏｉｄａｌ邋Ｆｌｙｗｈｅｅｌ邋Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＰＦＧＣ）逡逑输出的交流电经过由二极管构成的整流桥直接转换为直流，每个二极管桥臂由逡逑４０个二极管并联组成。欧姆加热场电源通过调节飞轮储能发电机转速，控制输逡逑出能量大小。逡逑表１．２邋ＪＥＴ径向场电源输出参数逡逑直流输出参数逦空载逦带载逦带载逡逑最大电压（ｋＶ）逦±３．０逦±２．３逦±２．０逡逑电流（ｋＡ）／持续时间（ｓ）逦０逦±２．０／２５逦±３．０／１２．５逡逑峰值功率（ＭＷ）逦０逦士４．６逦±６．０逡逑１．１．２．３邋ＪＥＴ纵场电源逡逑ＪＥＴ装置共包含３２个纵场线圈，纵场线圈上的最大电流为７５邋ｋＡ，可在真逡逑空室中心产生的最大场强为４邋Ｔ［１９］。ＪＥＴ纵场电源系统由纵场飞轮储能发电机逡逑（Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋Ｆｌｙｗｈｅｅｌ邋Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＴＦＧＣ）和两个由晶闹管整流器构成的逡逑纵场变流器单元（Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋Ｆｉｅｌｄ邋Ｓｔａｔｉｃ邋Ｕｎｉｔｓ
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24

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本文编号：2571614