Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2013, 1, 9-17 http://dx.doi.org/10.12677/nst.2013.11002 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/nst.html) The Analysis and Design of High Voltage DC Power Supply of ECRH for EAST* Zhigang Yang, Jian Zhang, Yiyun Huang, Xu Hao, Qingming Zhao, Fei Guo Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei Email: yangzhigang@ipp.ac.cn Received: Sep. 2nd, 2013; revised: Sep. 20th, 2013; accepted: Sep. 26th, 2013 Copyright © 2013 Zhigang Yang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: High voltage DC power supply is one of the most important parts of ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating) system, and its stability and reliability directly affect the operation of the whole system. The article introduces a design method of ECRH, using PSM (Pulse Step Modulate) module power supply technology, which overcomes the shortcomings of the traditional high voltage power supply, such as large single volume, low efficiency, net side low harmonics pollution, lower power factor, larger output ripple, slower dynamic response and so on. Meanwhile, it has the capacity of 1 KHZ modulation. Furthermore, the simulations of the Simplorer Software and the results of experiment are provided to verify the accuracy of the proposed design method. Keywords: ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating); High Voltage DC Power Supply; Pulse Step Modulator EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计* 杨志刚,张 健,黄懿赟,郝 旭,赵庆明,郭 斐 中国科学院等离子体物理研究所,合肥 Email: yangzhigang@ipp.ac.cn 收稿日期:2013 年9月2日;修回日期:2013年9月20 日;录用日期:2013年9月26 日 摘 要:高压直流电源是 ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating)系统最重要的组成部分之一,其工作的稳 定性与可靠性直接影响整个系统的运行。本文介绍了一种ECRH高压直流电源的研制方案,用PSM (Pulse Step Modulate)模块电源技术,克服了传统高压电源单机体积大、效率低、网侧低次谐波污染、功率因数低、输出纹 波大、动态响应慢等缺点,同时具备1 kHz 的调制能力。并通过Simplorer软件仿真和实验,验证了该设计方案 的正确性。 关键词:电子回旋共振加热;高压直流电源;脉冲阶梯调制器 1. 引言 目前研究核聚变的主要任务是实现托卡马克装 置的稳态运行和提高高温等离子体的磁约束性能,单 靠欧姆加热场线圈的磁通变化是不能将电流长期维 持下去的,因此必须发展非感应电流驱动装置即辅助 加热系统。电子回旋共振加热(ECRH)是一种采用回旋 管产生电子回旋共振波对等离子体加热的辅助加热 手段。根据 EAST (Experimental Advanced Supercon- ducting Tokamak)装置实验计划,预备在后期建造 4 MW/140 GHz 的ECRH辅助加热系统,因此必须研制 *基金项目:ITER 计划专项(国内配套研究)——阴极高压直流电源 技术研究(2009GB102004)。 Copyright © 2013 Hanspub 9 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 相应高压直流电源。该高压电源具备长脉冲稳态加压 模式,同时为了满足物理实验的要求,电源还需具备 最高达 1 kHz 调制的能力。传统的基于高压线性调整 管(四极管)的高压电源和基于晶闸管相控调节技术的 高压电源,无法满足长脉冲稳态运行或 1 kHz 的调制 要求;基于 PSM 技术的开关电源目前发展迅速,该 电源不仅能够实现稳态运行,而且能够满足快速加载 与脱载的要求,实现电源电压最高达 1 kHz 的调制输 出,现已应用于诸多托卡马克装置的辅助加热系统[1]。 本文在研究 PSM 模块电源技术要求的基础上,对 ECRH 高压直流电源进行研究与设计。 2. 高压直流电源的组成及技术要求 大功率回旋管是ECRH系统的关键组件,其性能 指标直接关系到高压直流电源的设计参数[2,3]。EAST 研制的ECRH140 GHz/4 MW系统分两步完成,第一步 是选择美国CPI和俄罗斯GYCOM的140 GHz/1 MW回 旋管各一只,并联运行;第二步是在第一步的运行的 基础上选择两只美国CPI 或俄罗斯GYCOM 的140 GHz/1 MW回旋管,并联运行。为了减少和合理利用 电源功率,先设计一套高压直流电源满足系统第一步 运行要求,所需高压电源的主要技术参数如表1。 ECRH高压直流电源主要由10 kV开关柜、接触器 柜,多绕组整流变压器,PSM电源模块、RPSM电源 模块,限流电阻,假负载,上位机人机交互操作软件, 光-电、电光接口转换电路,故障检测与处理装置,以 逻辑控制器和脉冲控制器为核心的控制单元等组成。 其中PSM电源模块是高压直流电源的技术核心,如图 Table 1. 2 MW main technical parameters of high voltage DC power supply 表1. 2 MW高压直流电源的主要技术参数 项目 参数 电压/kV 70 电流/A 80 调压范围/kV 20~74 调压精度 0.5% 稳定度 1% 最大脉宽/s 3600 调制频率/Hz 1~1000 调制深度 0%~100% 1所示,PSM技术是通过N个相同采用IGBT 控制输出 的电源模块串联形成需要的各类电压等级的模式。由 于IGBT器件的全控和高速(1~3 μs)开断性能,可实现 高压电源要求的快速上下沿以及快速保护的需要。和 传统高压电源相比,PSM电源的稳态特性优越,可靠 性高,功率因数高,且无谐波污染[4]。 3. 高压直流电源的研究与设计 3.1. 主回路的计算分析 图2是高压电源主回路拓扑结构图[5],交流电网 通过 10 kV开关柜、软启动接触器柜控制两台 3150 kVA 整流变压器的进线。整流变压器原边绕组组型是 延边三角形,分别移相正负 7.5˚,每台整流变压器有 44 个副边绕组,两台变压器共 88 个触头,交替星形 和三角形接法。再经 PSM 电源模块三相全桥不控整 流对负载(大功率回旋管)进行供电,每个电源模块输 出为 6脉波的直流电压,4个模块串联组成一个24脉 波整流电路。极大地降低了纹波系数,提高了电源的 稳定性。 对于 24脉波 3相不控整流桥,单个 PSM电源模 块的输出电压是: Figure 1. PSM mode and working principle 图1. PSM模式及工作原理 Copyright © 2013 Hanspub 10 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 Copyright © 2013 Hanspub 11 Figure 2. ECRH hv DC power supply topology 图2. ECRH高压直流电源拓扑结构 1.35*630*1%810 V i UA (1) 其中,A%:整流变压器的短路阻抗,A = 5 。 通过 IGBT 控制每个模块的输出,88 个模块串联 输出电压是: *88*810V71.28 kV oi UnU (2) 其电压纹波系数是: 22 0 0 *100% 0.0315% d ud UU U (3) Figure 3. A theoretical analysis model of PSM power supply mod- ule 理论上整套直流电源输出电压准确率是: 图3. 单个PSM 电源模块的理论分析模型 %1 2*880.57%E (4) 2 1 1 c is Us LC Us s sR LLC (5) 如图 3所示,单个 PSM 电源模块的等效电路是 一个二阶 RLC 系统的阶跃激励响应,Ui为阶跃激励 源,UC和ILs 分别滤波电容两端电压和流过等效电感 的电流,Rs为软启动电阻,R为负载等效电阻,C为 滤波电容,L为变压器二次侧漏感等效电感,Ls为限 流电感,在此电路中, k1是软启动电阻开关,将 IGBT 理想化为快速开关,用k2表示。 其中 L = 1.6 mH,期望得到两实轴极点,取Rs = 10 Ω, C = 3 mF,则可得到 25 sL RC ,初值为 0 Cs i Us Us ,终值为 0 1 Cs i Us Us ,此时 112 s RC ,22S RL 。1 距离原点的距离远 大于 2 距离远点的距离,则 1 是主导极点。二阶 RLC 系统可以简化成一阶 RC系统,经过计算,得到时域 初始情况下,k1和k2断开,即软启动电阻Rs通电, IGBT断载,经拉氏变换得到电容电压与阶跃激励的传 递函数为[6]: EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 表达式为: 1 1t Ci Ut Ue (6) 通过软启动电阻控制充电电流保证前级电压稳 定可靠建立后,k1和k2闭合,即软启动电阻 Rs短路, IGBT加载,此时,电容初始储能和电源同时激励负 载R,分析可得到输出与输入的传递函数为: 2 2 * 1 * 11 oCo iiC s s UsUs Us UsUsU s sR LC RsL ss RsLC LC (7) 将实际负载电压的传递函数分解为滤波电容前 LCR 二阶电路环节和滤波电容后RL 一阶电路环节, 滤波电容器前环节(仍包含电容器后限流电感和负载 等参数): 2 2 1 1 C i s s Us LC Us ss RsLC LC 1 (8) 滤波电容器后环节: o Cs Us R Us RsL (9) 负载总传递函数为两环节传递函数的乘积,初 值为 *0 oCo sss iiC UsUs Us UsUsU s (10) 终值为 00 *0 oCo sss iiC UsUs Us UsUsU s 0 (11) 由于负载电压及电流总传递函数是两环节传递 函数乘积,可见起始阶段主要由滤波电容器后限流 电感Ls和负载R按RLs的单独一阶过程决定。而当一阶 过程结束后(终值为1),负载电压(电流)的暂态总响应 还是主要由滤波电容器前参数和负载共同决定,即 等于滤波电容上电压暂态及稳态,只不过从零时刻 起滞后端电压(即滤波电容电压)RLs的时间常数。 经过计算得到时域表达式: cos sin cos sin 2 1sin t oi ti ti UtUettU ettU etU i (12) 式中, 12 ,1RC LC 。 当k2断开,即IGBT脱载,主回路各等效电感(漏 感,电缆等杂散电感)及滤波电容通过IGBT开关的 RCD回路或分布电容与负载继续导通,继续分析,得 到输入输出传递函数为: 2 2 * 11 1* * 11 1 oCo iiC S s 1 R CD sRCD UsUs Us UsUsUs ss RsLR RC LCR ssRs LC sC RsLC sC L (13) 还是分为两级电路分析,电容器前为LCR二阶电 路,电容器后是集中RCD 电容CRCD 和限流电感(含杂 散电感)Ls二阶电路。负载总传递函数为两环节传递函 数的乘积,初值为 *1 oCo sss iiC UsUs Us UsUsU s (14) *0 oCo sss iiC UsUs Us UsUsU s (15) 经过计算得到时域表达式: cos sin t oi Ut Uett (16) 式中, 2 2 4* 2, 4 sRCD s sRCD LRC RL LC 。 根据时域表达式,用Simplorer软件对PSM单模块 等效电路进行仿真,得到IGBT开通和关断时不同等效 负载电阻输出波形,如图4所示,初步验证了PSM单 模块电源分析和设计的合理性与正确性。 3.2. 控制电路的设计 ECRH高压直流电源的控制系统主要分为三层: Copyright © 2013 Hanspub 12 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 Copyright © 2013 Hanspub 13 Figure 4. The simulation waveform of IGBT open and shut off under different equivalent load 图4. IGBT开通和关断时不同等效负载下输出仿真波形 上位机人机交互层、现场控制层和受控设备层,如图 5所示。人机交互层软件是利用基于Windows XP的 Delphi 编写的,通过位于现场或远程的监控计算机选 择PSM电源系统的工作模式,并设置相关参数;相 关数据通过RS232 串行通信线传输给整套控制系统 的核心运算部分现场控制层。现场控制层包括基于单 片机的逻辑控制器和基于FPGA 的脉冲控制器。其中 单片机逻辑控制器包含了对外部设备的信息和电源 的状态信息的处理,能够实现对软启动柜的控制和电 源的故障锁存。根据设计方案:过流设定值、 PDM 预 设值、故障信号接收与分接触器保护、现场电压电流 值传送至上位机显示等信息均由单片机逻辑控制器 来处理,主要信号流程是上位机通过 Delphi 编制的上 位机界面,设定总电压值,经自动计算,将 PDM 的 电压值送入单片机处理,将处理完之后发送到远端 PDM模块中,通过模块内部的 PWM调节占空比,来 调整可调模块的输出电压值,而可调模块回路的另一 个开关量由 FPGA通过光纤进行数字控制,从而达到 与前 83个可调模块一样的开关效果。采用基于FPGA 的脉冲控制器来控制PSM模块,利用该脉冲控制器, EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 本地控制 (HMI) 远程控制 单片机逻辑 控制器 FPGA 脉冲控制器 PSM模块 电压电流测控箱 / / 电压电流值 故障信号(过流) PDM电压设定值 IGBT_开/关PSM模块 状态 / / / / / / DI( ) 接触器 回旋管故障 撬棒受触发导通 / 光纤 光纤 光纤 光纤 光纤 光纤 / DI(各种故障信号使接触器分闸) DI(回旋管故障信号) DI(撬棒受触发导通) DI (PSM模块状态) DO(IGBT_开/关) DI(STS RT) SA O转DO(PDM电压设定值) DI(故障信号(过流)) RJ45 RS232 RS232 PDM电压输出值 PDM PDM_开/关 DI转SAI(PDM电压 显示置上位机) DO(PDM_开/关) D/AA/D 数码显示值 受控设备层现场控制层上位机人机交互层 光纤 PDM过流设定 PDM过流设定 DI(PDM_开/关状态) 过流值设定(232经 ARM去测控箱) 输出电流值(测控 箱经AR M去232 ) 输出电压值(测控 箱经AR M去232 ) 过流值设定(232 经ARM去测控箱) 输出电流值(测控 箱经ARM去232) 输出电压值(测控 箱经ARM去232) 回旋管故障信号 撬棒故障信号 1/2/ 3级过流及过压信号 传送过流改 设定值与 PDM预设 值,接收故 障保护与显 示等信息 传送波形变量, 设定开关模式, 接收PSM开关状 态与保护信息 分/合 状态 Figure 5. ECRH hv DC power supply block diagram of control system 图5. ECRH高压直流电源的控制系统框图 我们能够实现PSM电源模块精确 1 μs间隔时间的投 入与切除,满足了 PSM电源对输出电压苛刻的上升 沿和下降沿的要求;同时脉冲控制器也参与快速保 护,可以在1.2 μs内完成电源模块开关控制数字量的 全部关断,从而达到有效保护回旋管的目的。受控设 备层的故障检测与处理装置是电压电流测控箱,它将 检测到的电压电流直接通过光纤隔离传输的高速模 拟量传送装置显示在控制机柜的数码表头上,而通过 电压电流测控箱后比较出的故障信号是一个数字量, 一方面送至 FPGA 脉冲控制器中关闭所有 DO 量的输 出,另一方面送至单片机逻辑控制器中按设定逻辑分 接触器。而其中的数字量都是通过接口转换电路转换 成光信号进行传输的。 将控制系统的核心运算部分分为逻辑控制器和 脉冲控制器两个单元有3个优势:①将逻辑控制部分 (主要包括状态锁存与故障连锁)与脉冲控制部分(主 要包括对 PSM 模块的控制)分开,简化了软件的复杂 程度,便于维护和修改;②脉冲控制器可以作为逻辑 控制器故障后的后备保护,有效的提高了控制系统对 高压电源故障处理的可靠性;③逻辑控制器主要实现 组合控制,脉冲控制器主要实现时序控制,将所有组 合控制从脉冲控制器中剥离可以大大提高 FPGA的定 时精度,从而实现对PSM模块精确的 1 μs的控制。 图6是利用simplorer 软件对不同调制频率下PSM 单 Copyright © 2013 Hanspub 14 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 1 Hz 20 Hz 200 Hz 1000 Hz Figure 6. PSM single module output voltage simulation waveform of different modulation frequency 图6. 不同调制频率下PSM 单模块输出电压仿真波形 模块输出电压的仿真波形,初步验证电源具有从1 Hz 到1 kHz 的调制能力[7]。 3.3. 保护电路的设计 在电路运行过程中,由于可能出现的各种因素的 影响,会造成电路过压、过流故障,这些故障不但会 对电源本身带来影响,也会损害到回旋管。因此为了 使整流电路和元器件能够长期稳定可靠运行,除了充 分留有余地的选择各元器件外,完善可靠的保护措施 也是必不可少的[8]。本高压直流电源设置了三级保护: 第一级保护为三电极气体开关保护,当负载发生打火 故障时,三电极开关会在us级时间内将高压输出短路, 保护负载不受损害。第二级保护为IGBT 快速关断保 护,当PSM模块输入过流时,IGBT会在ms级内关断, 从而切断电源与负载的回路,保护负载。第三级保护 为控制系统的保护,故障检测装置将故障信号通过光 纤传递到控制系统,发出驱动信号,跳开真空断路器。 前两级保护动作时间快,用于回旋管系统过流、打火、 过压等保护时间要求高的快保护;第三级开关动作较 慢,用于过压、欠压等保护时间要求不高的慢保护。 4. 实验结果 根据上面的设计思路,首先分别对PSM单模块、 PSM多模块串联、单片机逻辑控制器、FPGA 脉冲控 制器和保护性能等进行了分系统调试,然后对整机进 行了调试。调试结果如图7、图 8和图 9所示。图7 是电源 1 kHz 调制输出波形,CH3为电流直接测量信 号,CH4 为40 kV探头接在第 42个模块负端输出的 位置,精度为 1:1;图 8是模拟负载短路情况的波形 图,我们可以看到,83个模块串联输出 70 kV,保护 Copyright © 2013 Hanspub 15 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 Figure 7. 1 kHz modulation output waveform 图7. 1 kHz调制输出波形 Figure 8. Power supply short circuit output voltage and current waveform 图8. 负载短路时输出电压和电流调试波形 Figure 9. Power supply normal output voltage and current waveform 图9. 电源正常输出电压和电流波形 Copyright © 2013 Hanspub 16 EAST 装置 ECRH高压直流电源的研究与设计 值设置 88 A开通,CH1 为因探头耐压原因只测到 14 个模块输出的电压,CH2 模块输出电流,电流82 A 稳定输出,短路后电流最高冲到200 A开始下降,响 应时间为 3.5 μs,完全关断小于 10 μs;图9是电源正 常输出电压波形图,模块开通和关断时间间隔为 1 μs, 开通 83个模块,输出电压67.2 kV,输出电流为81.6 A,符合了根据设定参数拟合的波形,验证电源的设 计合理。 5. 结论 PSM开关电源技术在设计高功率直流电源方面, 具有稳态特性优越,可靠性高,功率因数高,且无谐 波污染等优点,已成为当前辅助加热电源普遍采用的 研制方案。本文从经典控制理论的角度对基于PSM电 源模块技术设计的高压电源进行了分析和研究,为 EAST装置ECRH系统设计了一套2 MW的高压直流电 源,满足高功率长脉冲稳定输出以及高功率输出条件 下的快速关断,控制简单,保护迅速,输出连续可调, 且具有1 kHz调制能力;通过仿真和实验,说明了高压 直流电源的性能满足ECRH系统回旋管的供电需求, 验证了电源设计的正确性与合理性。 6. 致谢 感谢辅助加热低杂波电源和电子回旋电源课题 组全体同志的辛勤工作,诚挚感谢等离子体物理研究 所其他部门的大力支持和帮助。 参考文献 (References) [1] 赵庆明, 张健, 黄懿赟等. 基于 FPGA 的PSM 高压电源脉冲 控制器的研制[J]. 核电子学与探测技术, 2012, 33(3): 284-288. [2] 陈文光, 康自华等. HL-2A装置 ECRH 阳极高压电源系统研 制[J]. 核聚变与等离子体物理, 2009, 29(3): 239-243. [3] 宣伟民, 姚列英等. HL-2A装置 ECRH主高压电源的研制[J]. 核聚变与等离子体物理, 2008, 28(2): 136-141. [4] X. Hao, Y. Y. Huang. The design of high voltage DC power supply of 4.6GHz/500MW LHCD. Applied Mechanics and Ma- terials, 2011, 135-136: 1027-1036. [5] 徐伟东, 宣伟民等. 基于 PSM 技术高压脉冲电源的模拟实验 [J]. 电工技术学报, 2008, 23(1): 110-113. [6] A·布达克. 电路理论基础及应用[M]. 北京: 科学出版社, 1985. [7] 赵庆明. 基于 FPGA 的PSM高压电源脉冲控制器的研制[D]. 中国科学院等离子体物理研究所, 2013. [8] 杜少武, 丁同海, 徐宁, 刘宝华, 张崇巍. ECRH 负高压脉冲 电源系统保护特性研究[J]. 核聚变与等离子体物理, 2003, 23(4): 239-242. Copyright © 2013 Hanspub 17 |