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工程技术

一、聚变装置电源技术

1. 100MVA脉冲发电机组双馈调速系统

100MVA脉冲发电机组是J-TEXT托卡马克装置的主供电源,主要为纵场电源系统和加热场整流器电源供电,图1J-TEXT 装置100MVA 脉冲发电机组的外形图。飞轮储能脉冲发电机组由一台额定功率1417kW 的三相异步电动机和一台额定功率100MW 的三相脉冲发电机组成,在额定转速下,飞轮储能达到最大值185MJ?;橹蟹⒌缁亩疃ㄊ涑龅缪?span>6.9kV,具备每两分钟输出时长4s 峰值功率为100MVA的脉冲的能力。


图1.1 J-TEXT 装置100MVA 脉冲发电机组外形图

该机组原根据美国电网(12kV/60Hz)设计,额定转速为713转/分,目前在中国电网(10kV/50Hz)下运行转速只有598转/分,储能约为原来的70%。为解决脉冲发电机组储能不足的问题,对脉冲发电机组进行升速改造,结合脉冲发电机组原动机为绕线式转子异步电动机的结构特点,研制了100MVA脉冲发电机组双馈调速系统,将机组转速提高到原设计转速,使其储能达到额定水平,保障装置可以开展高参数等离子体物理实验和偏滤器位形等离子体物理实验。

主要研究内容包括:

1)电机的矢量控制技术

2)高频整流技术

3)变频器结构设计和变频器电磁分析

图1.2 双馈调速系统主电路电路图

图1.3 调速系统装置实物图


2. 聚变装置磁体电源技术

J-TEXT 托卡马克装置有五套磁体线圈,包括纵场磁体,加热场磁体,垂直场磁体,水平场磁体,偏滤器磁体。为了满足 J-TEXT 装置放电的需要,必须为装置磁体线圈设计相应的电源系统及电源控制系统,五套磁体线圈电源系统的运行参数设计如表1所示。

表2.1 J-TEXT 装置主要电源供电参数


2.1纵场电源系统

纵场电源系统的主要功能是给纵场线圈供电以产生环向磁场。纵场电源采用 100MW 脉冲发电机组供电,整流部分由两组十二脉波整流器并联构成,将发电机组输出的交流电整流成直流,经母排给纵场磁体线圈供电,其电路结构如图1所示。

图2.1纵场电源系统电路

2.2加热场电源系统

加热场电源系统的主要功能是产生、 驱动、 加热和维持等离子体。 加热场电源系统由五种相关的电源并联而成,包括加热场整流器, 预磁电源整流器及其电容器,四组电容器柜,一组离子化电容器,还有一组旁通回路,其系统结构如图2 所示。

加热场整流器电路结构如图3所示,作用是在等离子体电流产生以后,加热场整流驱动和维持等离子体运行。预磁电源的主要作用是给加热场线圈提供反向的电流,使托卡马克装置的铁芯磁通反转。电容器柜的作用是在真空室内工作气体电离以后,迅速给加热场线圈供电,以建立等离子体电流。离子化电容器的作用是将真空室内工作气体电离。旁通回路的作用是在故障时将加热场线圈储能释放,以免产生过电压损坏电源设备和破坏线圈绝缘。


图2.2加热场系统结构图

图2.3加热场整流器电路结构

2.3 垂直/水平场电源系统

垂直场系统的主要功能是控制等离子体的水平位移,水平场系统的主要功能是控制等离子体的垂直位移,它们的系统结构如图4所示。其中垂直场电源和水平场电源结构如图5所示,垂直场电源由两组六脉波整流器通过平波电抗器并联构成一组十二脉波整流器;水平场电源由两组十二脉波整流器反向并联而成,分别输出正向电流和负向电流。

图2.4垂直场 / 水平场系统结构图

图2.5 垂直场 / 水平场电源结构图

主要研究方向:

1)磁体电源拓扑结构研究和设计

2)电源控制与?;は低成杓?span>

3)大功率晶闸管并联均流技术

4)复合开关设计

5)大电流测量技术


3. 聚变装置高压电源技术

要实现核聚变必须将等离子体加热到10 keV以上,欧姆加热等常规的加热方式远远无法将等离子体加热到点火温度,因此必须采用辅助加热手段。大功率直流高压电源是聚变装置辅助加热系统的关键组成部件,直接影响辅助加热的功率和效率。常规高压电源无法满足辅助加热系统供电电压高、连续可调、功率大、精度高、超调小、?;ぱ杆倏煽康纫?,因此非常有必要根据聚变辅助加热系统的需求研究相关的高压电源技术。

3.1 100kV高压电源相关技术研究和系统实现

针对J-TEXT装置ECRH系统对高压电源的要求,开展了100 kV脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)高压电源相关技术的研究,并研制了一套100 kV/60 A PSM高压电源系统。主要研究内容包括:

1PSM高压电源拓扑结构研究

2PSM高压电源??樯杓品椒ㄑ芯?span>

3PSM高压电源控制系统硬件方案的研究

4PSM高压电源的控制策略研究

5100 kV/60 A PSM高压电源系统的设计、实现和测试

经测试,PSM高压电源系统的输出参数达到设计要求,电源系统运行良好,而且响应速度快、?;な奔涠?,可满足J-TEXT装置ECRH系统的技术要求。

表3.1 PSM高压电源系统参数

项目

参数

输出容量

6 MW(可持续运行)

输入(脉冲发电机)

电压

6.3 kV

频率

80 Hz

输出电压

范围

0 ~ -100 kV

精度

< 0.5%

纹波

< 1%

超调

< 2%

有效频率

40 kHz(可调)

输出电流

60 A

故障响应时间

<5 μs

图3.1 PSM高压电源变压器系统

图3.2 PSM高压电源???

3.2 MV级高压电源研究

针对ITER及未来聚变堆NBI系统对高压电源的要求,拟开展MV级高压电源相关技术的研究,并研制一套200 kV单级高压电源系统样机。主要研究内容包括:

1MV级直流高压电源功率变换级拓扑研究

2MV级直流高压电源控制策略研究

3MV级直流高压电源高压发生级结构及绝缘设计研究

4200kV单级高压电源研制及工程调试


4. 聚变电源开关技术

托卡马克聚变电源系统由多套子电源系统的组成,在其运行时需要开关装置完成电源的负载切换、?;た系裙δ?,其需要满足长寿命、高可靠性及高功率等级等要求,由于当前的电力电子开关电压、电流等级较低,因此必须研究大功率电力电子器件级联技术以满足开关的高电压、大电流等性能需求。针对提高大功率半导体器件级联的电压、电流等级这一关键问题,本实验室开展大功率电力电子器件级联技术研究,并在此基础上设计制造符合现代高性能托卡马克的多套辅助加热系统的负载切换开关、短路?;た氐?。这一研究对于保证托卡马克装置辅助加热系统的正常运行具有重要意义,同时该项技术也可用于直流输电、大功率电力电子装置等。

针对目前状况,本研究开展了“大功率电力电子器件级联技术”研究。具体包括以下内容:

1)大功率半导体器件的串联均压技术

2)大功率半导体器件的并联均流技术

3)压接型器件的级联、驱动集成技术

4)大功率电力电子级联装置的仿真分析


4.1 基于全被动均压的10KV串联IGBT开关




二、电磁装置及部件的分析与设计

1. 聚变研究装置或部件

磁约束聚变装置(如托卡马克)是一个复杂的电磁装置。磁场是磁约束聚变的核心,直接关系着等离子体的稳定性和约束性能。聚变磁场位形由多个磁体及等离子体电流的磁场叠加而得,位形复杂,以托卡马克为例,磁体主要包含纵场磁体、中心螺管、极向场磁体、偏滤器等,所产生的磁场与等离子体电流磁场叠加形成环向和极向分别螺旋的约束位形。磁场位形对精度要求高,磁体的加工安装误差及磁体引线所产生的误差磁场要求至少小于平衡磁场的万分之一。

J-TEXT托卡马克的磁体(纵场、欧姆场、垂直场、水平场、偏滤器)、真空室及支撑框架

主要的研究方向:

1)聚变装置中电磁系统的设计、仿真和优化;

2)托卡马克装置误差磁场的分析及对等离子体性能的影响;

3)托卡马克内部部件在等离子体破裂时产生的电磁载荷。

2. 外加扰动场线圈

为了研究等离子体在外加扰动磁场下的行为,并利用扰动场控制等离子体不稳定性,我们需要在等离子体周围设计安装扰动磁场线圈。此线圈往往需要安装在真空室内部,运行频率需要达到几kHz,工作电流达到几kA,线圈需要解决高真空环境、强电动力、强涡流衰减、强干扰等一系列问题。



J-TEXT上的外加扰动场线圈

主要的研究方向:

1)线圈布置的优化以获得灵活多样的磁场位形,用于物理实验研究;

2)线圈结构设计优化,提高线圈在抗电磁应力、振动、真空密封、散热等方面的性能,延长使用寿命。

3. 托卡马克系统电磁兼容性

托卡马克装置中包含一系列具有大电流、强磁场、高电压特点的设备,也包含低频电磁场、微波、射频、激光、X射线等设备,工作频率覆盖范围宽,同时系统尺寸大,设备间容易相互干扰,电磁兼容性问题显得尤为突出。

研究方向:复杂大型装置中各系统间的电磁干扰及抑制。




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