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

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

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

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

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－－－

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。

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

系统框图

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 =250m=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

技术要求

• Im=20KA, 电压响应 tdv1ms

• 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？

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

研制过程框图

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

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

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

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

• ---

模块化 PWM 控制全桥逆变器

软开关技术

电压源型三相 PWM 循环变换器

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

电流源型 PWM 双向变流器3

LA1

LA2

LAN

FPPC Coil

H1

H2

HN

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，

电流源型三相 PWM 对偶变换器3

3

LA1

LB1

LA2 LB2

LAN

LBN

FPPC Coil

模块化全桥 PWM DC/DC 变换器

• 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•

驱动电路 电压 检测

电流比较

参考电流 发生器

PI

Ua

Ub

Uc

La

Lb

Lc

ia ib ic

AB

C

Ud*

ia*

ib*

ic*

Ud _

T1

T2 T4

T3

L1

+

_

D1

D2

D3

D4

Io

采用高频变压器输出的 PWM 控制全桥逆变器

CV1

CV2

CV3

CV4

I R1

I R2

I R3

I R4

u

RN1

L1

u

RN2

C1

FPPC Coi l

10KV

CB1

CB2

T1

T2

I S1

I S2

I S3

I S4

I S5A C

B D

3

3

3

3

3

H- Br i dge

I nver t er

( uper / l ower )

T3

采用高频变压器输出的 PWM 控制全桥逆变器

L1

u

RN1

u

RN2

R1 D1

D3

D2

D4

CW2

A

B

C

D

CW1

I GBT1

I GBT3

I GBT2

I GBT4

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

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

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

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

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

*****

• End of Part 1

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

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

电力电子学

电力电子技术的发展与应用

变流技术

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

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

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• End of Part 2

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

JET--FPFA

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)

JET--FRFA

ASDEX-U----PPS

ASDEX-U----PPS

• MFG: 85~110HZ (~10s)

• Conv. Transformer: (22.5MVA--Cont., 210MVA--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 (Td360+50+ ~500 µs)

ASDEX-U---PPS

KSTAR

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• End of Part 3