一种托卡马克等离子体破裂能量处理装置及处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能量处理领域，更具体地，涉及一种托卡马克等离子体破裂能量处理装置及处理方法。
【背景技术】
[0002]在磁约束热核聚变中利用磁场将高温等离子体约束在环形真空室内做圆周运动形成稳定的等离子体电流。高能量的托卡马克等离子体在发生破裂失去约束时，电流快速下降，内能和电磁能量快速耗散，会对托卡马克装置造成严重的损害。未来运行的托卡马克等离子体破裂内能和电磁能量总和在千兆焦量级，对托卡马克装置而言是极大的安全隐患。利用能量处理装置，结合与等离子体耦合的线圈，将破裂能量转移出真空室，由能量处理装置对转移出的能量进行吸收和处理，可实现等离子体破裂故障防护。
[0003]而对于吸收和处理由与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂能量而实现等离子体破裂防护的技术，国内外未见公开报道。
[0004]托卡马克等离子体破裂能量转移出来后的能量形式为大脉冲能量，因此托卡马克等离子破裂能量处理装置必须具备承受大脉冲能量的能力；而且未来的托卡马克装置等离子体破裂时能量巨大，若加以有效利用，则能变废为宝，在能量回收再利用方面产生巨大的效益，因此托卡马克等离子破裂能量处理装置若还具有能量回收的功能，则将对托卡马克等离子体破裂能量回收再利用产生具体贡献，并将减少等离子体破裂时耗散在托卡马克装置内部的能量，从而达到破裂故障防护目的。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上需求，本发明提供了一种托卡马克等离子体破裂能量处理装置及处理方法，其目的在于吸收和处理转移出来的等离子体破裂能量，实现对托卡马克装置的等离子体破裂防护。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种托卡马克等离子体破裂能量处理装置，包括压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元、逆变单元和控制单元；
[0007]压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元依次并联在直流母线的正极和负极之间；脉冲电容单元的正极连接直流母线正端，负极连接直流母线负端；
[0008]逆变单元直流侧输入端的正极连接直流母线的正极，直流侧输入端的负极连接直流母线的负极；
[0009]控制单元第一输入端连接脉冲电容单元的电压信号输出端，用于接收脉冲电容单元两端电压；控制单元第二输入端连接逆变单元的电流信号输出端，用于在并网情况下接收并网电流信号，在脱网情况下接收负载单元的电流信号；控制单元的第三输入端连接逆变单元的电压信号输出端，用于在并网情况下接收电网的电压信号，在脱网情况下接收负载单元的电压信号；
[0010]控制单元第一输出端连接逆变单元第一控制信号输入端，第二输出端连接逆变单元第二控制信号输入端，第三输出端连接电阻单元的控制信号输入端；当脉冲电容单元两端电压达到预设值，控制单元输出第一控制信号使逆变单元的逆变桥触发导通；同时，控制单元输出第二控制信号，触发逆变单元的并网开关导通，逆变单元开始工作实现单位功率因素逆变并网；当脉冲电容单元两端电压低于最小工作电压，控制单元停止输出第一和第二控制信号，逆变单元停止工作；当逆变单元停止工作或者直到破裂结束，脉冲电容单元两端电压都没有超过预设值，控制单元输出第三控制信号将电阻单元导通，开始泄放脉冲电容单元剩下的能量；
[0011]压敏电阻用于吸收能量，并将托卡马克等离子体破裂能量处理装置的直流母线电压限制在大于压敏电压阈值且小于2.2倍压敏电压阈值范围内，以实现对能量处理装置其他各单元的过电压保护。
[0012]脉冲电容单元用于储存经与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂产生的能量；
[0013]电阻单元用于当脉冲电容单元储能过少而达不到逆变单元的逆变条件时，消耗脉冲电容单元储存的能量；并在脉冲电容单元因故障而不能工作时，直接吸收转移出来的等离子体破裂能量；
[0014]逆变单元用于当脉冲电容单元的储能达到逆变条件时对脉冲电容单元实施逆变以对等离子体破裂能量进行利用，包括脱网逆变或并网逆变；
[0015]控制单元根据脉冲电容单元两端电压与预设的逆变电压值的比较结果控制逆变单元以及电阻单元的导通或关断。
[0016]优选的，电阻单元包括电阻和第一开关，第一开关的一端与直流母线正极连接，另一端通过电阻与直流母线负极连接，第一开关的控制端作为电阻单元的控制信号输入端。
[0017]优选的，脉冲电容单元由同型号的脉冲电容器并联而成，并联后的电容值在0.3法拉以上；由于经线圈转移出来的等离子体破裂能量电流峰值达几十千安，而单台脉冲电容器的通电流能力有限，因此采用脉冲电容器并联形成脉冲电容单元，并联形成的脉冲电容单元电流通流能力远大于单台脉冲电容器；而采用同型号的脉冲电容器是出于均流的考虑，避免因型号不同导致电流流向某一个电容器烧坏该电容器；
[0018]优选的，压敏电阻的电流通流能力达到50kA，由同型号的压敏电阻并联而成；其额定最大能量值根据托卡马克装置等离子体破裂能量确定，在五万焦耳以上；采用多台压敏电阻并联是为了克服现有单只压敏电阻额定最大能量以及散热能力的局限；采用同型号的压敏电阻并联主要考虑均流，避免因压敏电阻型号不同导致电流流向某一个压敏电阻而烧坏该压敏电阻；
[0019]优选的，所述电阻单元电阻由电阻率不小于0.7Ω.mm2/m的金属导体并联而成，电阻值在0.5毫欧以上；由于能量处理装置对电感参数敏感，因此不宜使用绕组线圈，也不宜使用过长的导体而导致较大的线路自感，同时要求导体具有足够大的表面积以进行充分散热，因此电阻单元的电阻采用大量金属导体并联而成。
[0020]优选的，所述逆变单元包括依次串联的三相逆变桥、三相滤波器、三相隔离变压器和并网开关模块；三相滤波器的输出端用作逆变单元的电流信号输出端；三相隔离变压器模块的输出端用作逆变单元的电压信号输出端；三相逆变桥的控制信号输入端用作控制单元第一控制信号输入端，并网开关模块的控制信号输入端用作控制单元第二控制信号输入端。
[0021]优选的，所述控制单元包括电流电压采集模块、DSP处理器模块、第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块；电流电压采集模块的第一输入端用作控制单元第一输入端，接收脉冲电容单元的电压信号；电流电压采集模块的第二输入端用作控制单元第二输入端，接收并网电流信号；电流电压采集模块的第三输入端用作控制单元的第三输入端，接收电网电压信号；DSP模块的输入端连接电流电压采集模块的输出端；DSP模块第一输出端连接第一驱动模块的输入端，第一驱动模块的输出端用作控制单元第一输出端；DSP模块第二输出端连接第二驱动模块的输入端，第二驱动模块的输出端用作控制单元第二输出端；DSP模块第三输出端连接第三驱动模块的输入端，第三驱动模块的输出端用作控制单元的第三输出端；
[0022]电流电压采集模块用于采集脉冲电容单元的电压，并网电流和电网电压；DSP处理器模块将接收到的各电压电流信号与预设阈值进行比较，根据比较结果处理输出控制信号；驱动模块用于放大由DSP输出的控制信号以有效的触发各开关。
[0023]按照本发明的另一方面，提供了一种托卡马克等离子体破裂能量处理方法，所述方法采用本发明提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装置，具体如下:
[0024](I)当托卡马克装置发生等离子体破裂时，接收并储存经与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂产生的能量；
[0025](2)在储能过程中，当直流母线电压达到压敏电阻的压敏电压值时，压敏电阻自动导通，对直流母线电压进行限制以保护后级电路，并吸收能量；若直流母线电压小于压敏电阻的压敏电压，压敏电阻不动作；
[0026](3)在储能过程中，当脉冲电容单元两端电压超过预设的逆变电压值，通过逆变单元控制信号触发逆变单元开始工作，进行逆变以对等离子体破裂能量加以利用，包括脱网逆变或并网逆变；在储能过程中，若脉冲电容单元两端电压一直未超过预设的逆变电压，则逆变单元不工作，通过电阻单元控制信号触发电阻单元导通，脉冲电容单元对电阻放电，将脉冲电容单元储存的能量消耗掉，直至脉冲电容单元两端电压下降到零，进入步骤(6);
[0027](4)逆变开始后，脉冲电容单元两端电压逐渐下降，直到脉冲电容单元两端电压经逆变下降到最小逆变工作电压值，通过逆变单元控制信号关断逆变单元，使之停止逆变；
[0028](5)当逆变单元停止逆变之后，通过电阻单元控制信号触发电阻单元导通投入工作，脉冲电容单元对电阻放电，将脉冲电容单元储存的剩余能量消耗掉，直至脉冲电容单元两端电压下降到零；
[0029](6)当脉冲电容单元两端电压下降到零，通过电阻单元控制信