一种集中式供电的聚变电源拓扑结构的制作方法

本发明涉及聚变电源拓扑结构领域，具体是一种集中式供电的聚变电源拓扑结构。

背景技术：

核聚变具有不产生高放射性核废料、不污染环境等优点，已成为可以有效解决人类社会能源危机的重要途径之一。托卡马克被世界各国科学家认为是最有可能实现可控核聚变稳态运行的装置。数十年来很多国家都投入巨资，研究托卡马克的相关物理及工程问题。但是受控核聚变产生的条件是非常苛刻的，想要在地球上实现核聚变，首先需要温度达到上亿度，所以只能靠强大的磁场来约束。

聚变电源作为聚变装置的关键系统之一，为等离子体的产生、约束、维持和加热提供必要的工程基础和控制手段。由于聚变电源系统，具有极高的输出功率、与等离子体有强耦合、大电感值的超导电感负载等特点，需要采用高电压大电流的相控变流器作为电源系统。传统的聚变电源多耦合超导线圈负载电路拓扑结构如图1所示，L₁~L_n分别代表n个多耦合超导线圈负载，其中L_m~L_m+h为最大的线圈负载，S₁~S_n分别代表超导线圈负载的供电电源，U_N表示为最大的线圈负载为L_m~L_m+h的额定供电电压。

由于传统的聚变电源采用的是一套大电源仅对一个超导线圈供电的分布式供电方式，所有超导线圈负载的供电电源之间相互独立，所以电源系统总的装机容量极大，设备安装空间及造价都极高，且具有最大的超导线圈的供电电源装机容量占电源系统总装机容量的比重较大的特点。此外，由可控核聚变的运行特点可知，在等离子激发阶段，电源输出高电压大电流；而在等离子体控制运行阶段，所需的电压及电流相对于激发阶段而言都较小。根据聚变电源系统的该运行特点，采用新型拓扑结构来减小聚变电源的总装机容量、安装空间及设备投资，是非常有效及必要的方法。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种集中式供电的聚变电源拓扑结构，以解决现有技术聚变电源存在的装机容量大、安装空间大、造价高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种集中式供电的聚变电源拓扑结构，包括聚变电源中n个超导线圈负载L₁~L_n，n+1个供电电源S₁~S_n及S_*，其特征在于：n个超导线圈负载L₁~L_n一一对应串联有供电电源S₁~S_n构成n个串联支路，其中多个最大超导线圈负载L_m~L_m+h所在的串联支路相互并联后，再与一个共用电源S_*串联，由最大超导线圈负载L_m~L_m+h各自连接的供电电源S_m~S_m+h作为调整电源，最大超导线圈负载L_m~L_m+h由共用电源S_*、调整电源S_m~S_m+h供电。

所述的一种集中式供电的聚变电源拓扑结构，其特征在于：供电电源S₁~S_n均可以输出双极性电压及电流，且输出的电流大小可以根据需求进行调整。

所述的一种集中式供电的聚变电源拓扑结构，其特征在于：作为调整电源的供电电源S_m~S_m+h的调整电压U_CN不超过额定电压U_N，共用电源S_*的电压调整范围为额定电压减去调整电源电压。

本发明有益效果为：采用该聚变电源的新型拓扑结构可以大幅度减小电源系统的总装机容量，进而减小电源系统的安装空间及造价。

附图说明

图1 聚变电源传统电路拓扑结构。

图2集中式供电的聚变电源拓扑结构。

图3托卡马克聚变装置超导耦合线圈负载。

图4托卡马克聚变装置极向场集中式供电电源的拓扑结构。

具体实施方式

如图2所示，一种集中式供电的聚变电源拓扑结构，包括聚变电源中n个超导线圈负载L₁~L_n，n+1个供电电源S₁~S_n及S_*，n个超导线圈负载L₁~L_n一一对应串联有供电电源S₁~S_n构成n个串联支路，其中多个最大超导线圈负载L_m~L_m+h所在的串联支路相互并联后，再与一个共用电源S_*串联，由最大超导线圈负载L_m~L_m+h各自连接的供电电源S_m~S_m+h作为调整电源，最大超导线圈负载L_m~L_m+h由共用电源S_*、调整电源S_m~S_m+h供电。

供电电源S₁~S_n均可以输出双极性电压及电流，且输出的电流大小可以根据需求进行调整。

作为调整电源的供电电源S_m~S_m+h的调整电压U_CN不超过额定电压U_N，共用电源S_*的电压调整范围为额定电压减去调整电源电压。

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式进一步描述：集中式供电的聚变电源拓扑结构见图2。

以托卡马克聚变装置为例，托卡马克聚变装置超导耦合线圈负载如图3所示。聚变堆6个极向场多耦合超导线圈负载为PF1-PF6，其中4个最大超导线圈负载为PF2-PF5。根据等离子体运行需求，最大超导线圈PF2-PF5电源的额定电流均为I_N，额定电压为U_N。极向场电源新型电路拓扑结构，如图4所示。聚变堆4个最大超导线圈PF2-PF5依次与4个独立调整的电源S_2*~S_5*分别串联后并联，并联后的单元再与共用电源S_*串联，为4个最大超导线圈PF2-PF5供电。聚变堆6个极向场多耦合超导线圈PF1-PF6的所有供电电源，均可以输出双极性电流及电压，且输出电流大小可以根据需求进行调节，跟随给定参考电流的变化而变化，其中聚变堆4个最大超导线圈PF2-PF5的4个独立调整的电源S_2*~S_5*的电压调整范围不超过额定电压的1/3，共用电源S_*的电压调整范围不超过额定电压的2/3。

根据图4计算电源系统的总安装容量为：PF2-PF5供电系统的安装容量（包括共用电源S_*的安装容量及4个独立调整的电源S_2*~S_5*安装容量）+PF1供电系统的安装容量（S₁）+PF6供电系统的安装容量（S₆），即电源系统的总安装容量为：

(2/3)U_NI_N+ (1/3)U_NI_N *4+U_N1I_N1+U_N6I_N6=2U_NI_N+U_N1I_N1+U_N6I_N6

其中，I_N1及U_N1为PF1供电系统的额定电流及额定电压，I_N6及U_N6为PF6供电系统的额定电流及额定电压。

而采用聚变电源的传统拓扑结构时，电源系统的总安装容量为：

4U_NI_N++U_N1I_N1+U_N6I_N6。

根据计算结果，采用聚变电源的新型拓扑结构的系统安装总容量比采用传统电源拓扑电源系统安装总容量减少2U_NI_N。