ABSTRACT

In order to realize the purpose of high parameter discharge of EAST plasma, the whole machine is redesigned on the basis of the old fast control power supply system; the parameters are improved, and the new fast control power supply system is designed. Through the theoretical simulation of the parameters of the new fast control power supply; the test waveforms and results are obtained; the expected design requirements are achieved, and it is proved that the new fast control power supply system can fully meet the requirements of fast tracking response of plasma displacement.

Keywords:EAST, Fast Control Power Supply, Plasma, Response Speed

快控电源快速跟踪响应

陈建军

中国科学院等离子体物理研究所，安徽 合肥

收稿日期：2019年11月26日；录用日期：2019年12月13日；发布日期：2019年12月20日

摘 要

为了实现EAST等离子体高参数放电的目的，在老快控电源系统基础之上进行重新整机设计，提高运行参数，设计新快控电源系统，并通过对新快控电源参数进行理论仿真，得到了试验波形与结果，达到了预期设计要求，证明了新快控电源系统完全可以达到等离子体位移快速跟踪响应的要求。

关键词 :EAST，快控电源，等离子体，响应速度

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1. 新快控电源的背景

现在能源是人们一直在思考的问题，石油、天然气、煤炭是一次能源，随着使用的时间，日益减少同时产生很大的环境污染。然而聚变能源清洁高效，资源丰富。东方超环托卡马克装置被认为是最有希望第一个建成聚变堆的发电核聚变装置。

通过论证得到拉长比越高，对等离子体放电约有好处。但也存在一些缺陷，例如，当拉长的等离子体受到某种信号干扰的时候，就会存在垂直位移不稳定性，此时可以施加反馈控制，防止等离子体失去平衡控制，避免等离子体在垂直方向上沿着同一个方向运动，发生等离子体碰壁破裂，从而造成等离子体放电失败 [1] [2]。反馈控制系统对等离子体的垂直不稳定性进行反馈控制，可以大大提高放电效率。EAST垂直位移主要通过真空室以及内部的真空板提供被动稳定，快控电源对等离子体在垂直位移稳定性上起着至关作用的重要。由于EAST实验的参数不断优化与升级，老快控电源的参数(最大输出电流和电压分别是±2500 A，±800 V)，而且只有电流工作模式，不在足以满足实验的需求，因此设计了新快控电源系统。新快控电源系统最大输出电压为±1600 V，稳态电流±6000 A，最大短暂电流±9000 A。

托克马克装置为了实现高参数放电的目的，经过多次试验验证，证明拉长位形的非圆截面的等离子体位形是最有效、最有可靠保障的方法。β表征磁场约束等离子体的能力。提高约束等离子体的能力可以通过增大等离子体的拉长比。但是可能会存在等离子体在垂直位移上不稳定。那么快控电源的反馈控制对等离子体的稳定性就起到了重要的作用了。垂直位移稳定性的控制方式有2种，被动反馈和主动反馈。被动反馈是一种毫秒级的快速响应 [2]，一般使用被动结构；主动反馈一般使用快速控制线圈维持等离子体的位置。

主动反馈是将采集的等离子体垂直位移信号快速反馈到电源系统，此时快控线圈得电，会产生与之对应大小的磁场，从而实现主动反馈线圈控制等离子体的目的。

2. 快控电源工作原理

EAST装置在内真空室中放置快速控制线圈的目的是：对拉长的等离子体的垂直不稳定性进行有效的控制。在内真空室中放置着相对平衡对称的快速控制线圈IC1和IC2 (如图1所示)，从图中可以看出他们成90˚的鞍形状态。检测等离子体垂直面位移的控制系统是PCS系统，首先是它按照一定的计算方法，推出对应磁场所需要的主动控制线圈的励磁电流大小，其次作为下发命令发送到快控电源系统，最后电源系统实时跟踪输入指令，同时进行有效的线性缩放，产生快速变化的磁场，用来抑制等离子体的不稳定垂直位移 [3]。

3. 新快控电源设计方案

快控电源的主要作用在于根据等离子体垂直位移为装置内真空室中的主动反馈控制线圈励磁，线圈

图1. EAST装置快控线圈布置图

在励磁过程中会产生快速变化的磁场用来维持等离子体在垂直方向上的稳定性 [4]。电源运行特性主要体现在电源跟踪响应速度和输出最大电流的能力。当等离子体位移发生很大的变化时，PCS控制系统对电源系统发出控制命令，电源系统要输出非常大的电流，才能够将等离子体拉回到平衡位置；当等离子体位移发生很小的变化时，此时PCS控制系统能够快速、准可靠的对快控电源系统发出控制指令，此时电源系统能够轻松建立所需要的磁场，电源系统出很小的电流就可以轻松将漂移的等离子体拉回到原来平衡位置。通过研究分析，尽可能的加强提高主动反馈电源的快速响应能力和控制精度，与持续不断提高电源系统输出电流能力相比，前者可以发挥主动反馈线圈的作用更大。快控电源的快速响应能力主要包含两个方面，一方面线圈电流的建立时间；另一方面电源响应输入信号的速度，这主要与电源输出电压能力相关。所以托卡马克垂直位移快速电源最基本的技术指标是：响应时间、额定电压和额定电流 [4] [5] [6]。由于EAST放电能力的提高，为了得到高参数等离子体电流的目标要求。但是对于装置来讲，最大可以控制的位移是2.5 cm以及5 cm，由于老快控电源系统最大可控位移是1.2 cm，极大地限制了控制能力，远远达不到高参数等离子体电流目标，为了解决这一难题，设计了新快控电源系统。

3.1. 新快控电源系统整机设计

快控电源整机系统由隔离变压器、整流桥、断路器、逆变器、均流电抗器和撬棒保护等电路组成。新快控电源系统框架流程图如图2所示。逆变器、变压器、整流桥和断路器组装在同一个单元逆变柜中。EAST装置要求快控电源具有快速的电流跟踪响应能力和输出数千安培负载电流的能力，于是采用多组逆变柜级联方式实现，每个级联支路配置一个支路控制器，为级联支路扩容提供预留。逆变柜电路框图如图3所示。

逆变器、整流桥和隔离变压器组装一个电源机柜内，隔离变压器容量大小60 kVA，变比为380 V/380V (1:1)，则整流后直流电压约为532 V，三个H桥级联理论上有1596 V的最高电压输出。在通常情况下，为了保证电网电能质量，会投入无功补偿。导致输出电压高于10 kV，一般高出10%，三个H桥级联实际最高输出可达1756 V。同时输出电流根据EAST放电要求，每个级联电路要有额定1000 A的电流输出，6个级联电路就会有6000 A的电流，短暂过载能力9000 A，0.1 s。系统设计方案中，设置了软起电路(功率电阻与断路器常开触头并联电路)，软起电路串在隔离变压器副边与整流桥之间，霍尔电流传感器LT308-S7/T7 (±15 V供电，测量范围±500A)测量电容器充电电流；当断路器闭合时，电容器充电是通过软起电路实现的，当直流侧电压接近额定电压时，断路器常开触头闭合，短接软起电阻；当电容器放电过多，充电电流过大时，接触器常开触头断开，再次通过软起电阻限制充电电流，从而达到保护整流桥

图2. 新快控电源系统框架流程图

图3. 逆变柜结构框图

的目的 [4] ；在变流柜内安装电压霍尔传感器LV100采集直流侧电压、电流霍尔传感器LT1005-S/T采集直流侧电流，输出电流信号经屏蔽电缆送至控制柜。控制柜内设信号采集和分析处理电路，接受总控信号，同时把信号下发各个支路控制器。设置比例给定电路，用于在电流给定情况下，某个级联支路发生故障退出而实验又要继续进行的情况。

3.2. 新快控电源的参数

快控电源设计原理：根据等离子体垂直位移为托卡马克装置内真空室的主动反馈线圈励磁，快速变化的磁场作用是维持等离子体在垂直方向上的稳定性，电源运行能力主要体现在两个方面；一是电源响应速度、二是输出最大电流的能力。对电源额定电压、额定电流以及响应时间等参数重新设计，新快控电源参数如表1所示：

表1. 新快控电源系统参数

快控电源采用的控制方式：电流闭环跟踪、电压开环给定等控制方式。

4. 新快控电源系统仿真

4.1. 新快控电源电流控制仿真

快控电源运行能力主要体现在两个方面：一是电源响应速度、二是输出最大电流的能力。电流控制方式仿真结果如图4所示。1通道是给定信号，4通道是总电流，2、3通道是两个支路的电流。新的快控电源系统是18个H桥3串6并的运行模式，技术参数为±1600 V/±6000A。

图4. 电流控制仿真结果

4.2. 新快控电源响应速度仿真

以前用于等离子体垂直稳定的快速电源均采用速度和电流闭环的电压调节方式，电源输出电压与等离子体运动速度成比例，控制环节中还有微小的电流反馈。其电源的输出电压计算公式如下式所示：

$u_c=-g_u\left[I_P\frac{\text{d}{Z}_P}{\text{d}t}\right]+g_i\left[i_{\text{FREA}}+k_i{\displaystyle \int i_{\text{FREA}}\text{d}t}\right]$

式中：g_u，g_i，k_i为控制器增益，I_P为等离子体电流，Z_P为等离子体垂直位移，i_FREA为FREA输出电流，u_c为FREA输出电压。老快控电源和新快控电源比较，新快控电源采用的是电流闭环反馈控制模式，在负载中没有电压积分部分，负载上的电压实际为电源直流电压的PWM波，根本无法实现电压闭环反馈跟踪。所以新系统电压控制模式为开环给定工作模式。

新快控电源响应速度仿真结果如图5所示，电流响应时间0.22 ms；电流−1000 A达到1000 A的时间是1.28 ms；1000 A到0的时间是0.33 ms，均小于1 ms。

图5. 电源响应速度仿真结果

5. 结论

通过对等离子体放电的要求，计算得出快控电源的参数，确定了整机设计方案，同时对系统进行仿真验证，证明了新快控电源系统方案的快速跟踪响应目标，同时对等离子体垂直位移的控制起到了很好的抑制作用。

文章引用

陈建军. 快控电源快速跟踪响应
Fast Tracking Response of Fast Control Power Supply[J]. 电力与能源进展, 2019, 07(06): 136-142. https://doi.org/10.12677/AEPE.2019.76016

参考文献