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工程技術

一、聚變裝置電源技術

1. 100MVA脈沖發電機組雙饋調速系統

100MVA脈沖發電機組是J-TEXT托卡馬克裝置的主供電源,主要為縱場電源系統和加熱場整流器電源供電,圖1J-TEXT 裝置100MVA 脈沖發電機組的外形圖。飛輪儲能脈沖發電機組由一臺額定功率1417kW 的三相異步電動機和一臺額定功率100MW 的三相脈沖發電機組成,在額定轉速下,飛輪儲能達到最大值185MJ。機組中發電機的額定輸出電壓6.9kV,具備每兩分鐘輸出時長4s 峰值功率為100MVA的脈沖的能力。


圖1.1 J-TEXT 裝置100MVA 脈沖發電機組外形圖

該機組原根據美國電網(12kV/60Hz)設計,額定轉速為713轉/分,目前在中國電網(10kV/50Hz)下運行轉速只有598轉/分,儲能約為原來的70%。為解決脈沖發電機組儲能不足的問題,對脈沖發電機組進行升速改造,結合脈沖發電機組原動機為繞線式轉子異步電動機的結構特點,研制了100MVA脈沖發電機組雙饋調速系統,將機組轉速提高到原設計轉速,使其儲能達到額定水平,保障裝置可以開展高參數等離子體物理實驗和偏濾器位形等離子體物理實驗。

主要研究內容包括:

1)電機的矢量控制技術

2)高頻整流技術

3)變頻器結構設計和變頻器電磁分析

圖1.2 雙饋調速系統主電路電路圖

圖1.3 調速系統裝置實物圖


2. 聚變裝置磁體電源技術

J-TEXT 托卡馬克裝置有五套磁體線圈,包括縱場磁體,加熱場磁體,垂直場磁體,水平場磁體,偏濾器磁體。為了滿足 J-TEXT 裝置放電的需要,必須為裝置磁體線圈設計相應的電源系統及電源控制系統,五套磁體線圈電源系統的運行參數設計如表1所示。

表2.1 J-TEXT 裝置主要電源供電參數


2.1縱場電源系統

縱場電源系統的主要功能是給縱場線圈供電以產生環向磁場??v場電源采用 100MW 脈沖發電機組供電,整流部分由兩組十二脈波整流器并聯構成,將發電機組輸出的交流電整流成直流,經母排給縱場磁體線圈供電,其電路結構如圖1所示。

圖2.1縱場電源系統電路

2.2加熱場電源系統

加熱場電源系統的主要功能是產生、 驅動、 加熱和維持等離子體。 加熱場電源系統由五種相關的電源并聯而成,包括加熱場整流器, 預磁電源整流器及其電容器,四組電容器柜,一組離子化電容器,還有一組旁通回路,其系統結構如圖2 所示。

加熱場整流器電路結構如圖3所示,作用是在等離子體電流產生以后,加熱場整流驅動和維持等離子體運行。預磁電源的主要作用是給加熱場線圈提供反向的電流,使托卡馬克裝置的鐵芯磁通反轉。電容器柜的作用是在真空室內工作氣體電離以后,迅速給加熱場線圈供電,以建立等離子體電流。離子化電容器的作用是將真空室內工作氣體電離。旁通回路的作用是在故障時將加熱場線圈儲能釋放,以免產生過電壓損壞電源設備和破壞線圈絕緣。


圖2.2加熱場系統結構圖

圖2.3加熱場整流器電路結構

2.3 垂直/水平場電源系統

垂直場系統的主要功能是控制等離子體的水平位移,水平場系統的主要功能是控制等離子體的垂直位移,它們的系統結構如圖4所示。其中垂直場電源和水平場電源結構如圖5所示,垂直場電源由兩組六脈波整流器通過平波電抗器并聯構成一組十二脈波整流器;水平場電源由兩組十二脈波整流器反向并聯而成,分別輸出正向電流和負向電流。

圖2.4垂直場 / 水平場系統結構圖

圖2.5 垂直場 / 水平場電源結構圖

主要研究方向:

1)磁體電源拓撲結構研究和設計

2)電源控制與保護系統設計

3)大功率晶閘管并聯均流技術

4)復合開關設計

5)大電流測量技術


3. 聚變裝置高壓電源技術

要實現核聚變必須將等離子體加熱到10 keV以上,歐姆加熱等常規的加熱方式遠遠無法將等離子體加熱到點火溫度,因此必須采用輔助加熱手段。大功率直流高壓電源是聚變裝置輔助加熱系統的關鍵組成部件,直接影響輔助加熱的功率和效率。常規高壓電源無法滿足輔助加熱系統供電電壓高、連續可調、功率大、精度高、超調小、保護迅速可靠等要求,因此非常有必要根據聚變輔助加熱系統的需求研究相關的高壓電源技術。

3.1 100kV高壓電源相關技術研究和系統實現

針對J-TEXT裝置ECRH系統對高壓電源的要求,開展了100 kV脈沖階梯調制(Pulse Step Modulation,PSM)高壓電源相關技術的研究,并研制了一套100 kV/60 A PSM高壓電源系統。主要研究內容包括:

1PSM高壓電源拓撲結構研究

2PSM高壓電源模塊設計方法研究

3PSM高壓電源控制系統硬件方案的研究

4PSM高壓電源的控制策略研究

5100 kV/60 A PSM高壓電源系統的設計、實現和測試

經測試,PSM高壓電源系統的輸出參數達到設計要求,電源系統運行良好,而且響應速度快、保護時間短,可滿足J-TEXT裝置ECRH系統的技術要求。

表3.1 PSM高壓電源系統參數

項目

參數

輸出容量

6 MW(可持續運行)

輸入(脈沖發電機)

電壓

6.3 kV

頻率

80 Hz

輸出電壓

范圍

0 ~ -100 kV

精度

< 0.5%

紋波

< 1%

超調

< 2%

有效頻率

40 kHz(可調)

輸出電流

60 A

故障響應時間

<5 μs

圖3.1 PSM高壓電源變壓器系統

圖3.2 PSM高壓電源模塊

3.2 MV級高壓電源研究

針對ITER及未來聚變堆NBI系統對高壓電源的要求,擬開展MV級高壓電源相關技術的研究,并研制一套200 kV單級高壓電源系統樣機。主要研究內容包括:

1MV級直流高壓電源功率變換級拓撲研究

2MV級直流高壓電源控制策略研究

3MV級直流高壓電源高壓發生級結構及絕緣設計研究

4200kV單級高壓電源研制及工程調試


4. 聚變電源開關技術

托卡馬克聚變電源系統由多套子電源系統的組成,在其運行時需要開關裝置完成電源的負載切換、保護開斷等功能,其需要滿足長壽命、高可靠性及高功率等級等要求,由于當前的電力電子開關電壓、電流等級較低,因此必須研究大功率電力電子器件級聯技術以滿足開關的高電壓、大電流等性能需求。針對提高大功率半導體器件級聯的電壓、電流等級這一關鍵問題,本實驗室開展大功率電力電子器件級聯技術研究,并在此基礎上設計制造符合現代高性能托卡馬克的多套輔助加熱系統的負載切換開關、短路保護開關等。這一研究對于保證托卡馬克裝置輔助加熱系統的正常運行具有重要意義,同時該項技術也可用于直流輸電、大功率電力電子裝置等。

針對目前狀況,本研究開展了“大功率電力電子器件級聯技術”研究。具體包括以下內容:

1)大功率半導體器件的串聯均壓技術

2)大功率半導體器件的并聯均流技術

3)壓接型器件的級聯、驅動集成技術

4)大功率電力電子級聯裝置的仿真分析


4.1 基于全被動均壓的10KV串聯IGBT開關




二、電磁裝置及部件的分析與設計

1. 聚變研究裝置或部件

磁約束聚變裝置(如托卡馬克)是一個復雜的電磁裝置。磁場是磁約束聚變的核心,直接關系著等離子體的穩定性和約束性能。聚變磁場位形由多個磁體及等離子體電流的磁場疊加而得,位形復雜,以托卡馬克為例,磁體主要包含縱場磁體、中心螺管、極向場磁體、偏濾器等,所產生的磁場與等離子體電流磁場疊加形成環向和極向分別螺旋的約束位形。磁場位形對精度要求高,磁體的加工安裝誤差及磁體引線所產生的誤差磁場要求至少小于平衡磁場的萬分之一。

J-TEXT托卡馬克的磁體(縱場、歐姆場、垂直場、水平場、偏濾器)、真空室及支撐框架

主要的研究方向:

1)聚變裝置中電磁系統的設計、仿真和優化;

2)托卡馬克裝置誤差磁場的分析及對等離子體性能的影響;

3)托卡馬克內部部件在等離子體破裂時產生的電磁載荷。

2. 外加擾動場線圈

為了研究等離子體在外加擾動磁場下的行為,并利用擾動場控制等離子體不穩定性,我們需要在等離子體周圍設計安裝擾動磁場線圈。此線圈往往需要安裝在真空室內部,運行頻率需要達到幾kHz,工作電流達到幾kA,線圈需要解決高真空環境、強電動力、強渦流衰減、強干擾等一系列問題。



J-TEXT上的外加擾動場線圈

主要的研究方向:

1)線圈布置的優化以獲得靈活多樣的磁場位形,用于物理實驗研究;

2)線圈結構設計優化,提高線圈在抗電磁應力、振動、真空密封、散熱等方面的性能,延長使用壽命。

3. 托卡馬克系統電磁兼容性

托卡馬克裝置中包含一系列具有大電流、強磁場、高電壓特點的設備,也包含低頻電磁場、微波、射頻、激光、X射線等設備,工作頻率覆蓋范圍寬,同時系統尺寸大,設備間容易相互干擾,電磁兼容性問題顯得尤為突出。

研究方向:復雜大型裝置中各系統間的電磁干擾及抑制。




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