一种现代大功率聚变电源系统的集成控制方法与流程

本发明涉及聚变电源系统控制方法领域，具体是一种现代大功率聚变电源系统的集成控制方法。

背景技术：

聚变能具有资源无限，不污染环境等优点，是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题的重要途径之一，已成为世界各国科学家的研究重点。四象限运行变流电源系统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。

聚变电源系统负载为数十个超导线圈系统，各线圈之间相互强耦合；聚变电源装机容量数千兆瓦，运行时带来千兆乏快速变化（毫秒级）的无功，对电网形成巨大的冲击；聚变电源系统要满足四象限运行且电流平滑过零的设计需求。因此设计聚变电源的控制系统时面临以下关键问题：

1） 在通过控制超导线圈磁场对等离子体进行控制时，由于线圈之间的强耦合特性导致传统控制方法无法对各个超导线圈上的电流进行独立有效控制。

2） 根据对等离子体控制的要求可知，聚变电源系统需要输出双极性电压及电流来满足对等离子体的控制；由于聚变电源系统的负载为超导线圈，需要使线圈电流平滑过零，避免线圈过压造成磁体线圈损坏。

3） 聚变电源系统的输出电流大小由等离子体的运行状况来决定，电流大小及方向总是在时刻变化的，所以在运行时，往往会产生千瓦乏快速变化的无功功率，不仅影响电能的质量，甚至会对电网稳定性构成严重威胁，需要尽可能的减小系统的无功功率，解决电网的接入问题。

目前针对聚变电源上述关键问题，虽然都分别有一定的研究，但是还没有一套完整的聚变电源集成控制方法来解决所有关键问题。如何将解决不同关键问题的控制方法进行整合，形成一种现代大功率聚变电源系统的集成控制方法，用于聚变电源系统的设计是极其重要的。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种现代大功率聚变电源系统的集成控制方法，用于解决强耦合负载之间的解耦，单个变流器单元的四象限大功率运行控制，千瓦乏快速变化的无功功率以及电网接入等聚变电源控制系统设计时面临的所有关键问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种现代大功率聚变电源系统的集成控制方法，该聚变电源系统具有作为负载的多个大电感强耦合超导线圈，以及由四象限运行控制器控制的多个变流器单元构成的动态四象限运行变流系统，该聚变电源系统输出功率巨大，输出双极性电压及电流且输出电压时刻快速变化，系统运行产生千瓦乏快速变化的无功功率，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、根据等离子体控制需求，通过耦合磁体多变量反馈解耦控制计算每个超导线圈所需控制量，进行单磁体负载回路控制；

（2）、根据步骤（1）的结果，采用最小无功功率控制，计算为单磁体负载供电的变流器电源系统所消耗的无功功率最小时，各个变流器单元的控制量；

（3）、根据步骤（2）的结果，利用四象限运行控制器，对聚变电源系统的每个变流器单元进行四象限有环流控制；

（4）、采用串联顺序控制对多个串联的变流器单元进行安全启动及退出控制；

（5）、根据步骤（2）和步骤（3）的结果，即各变流器单元的控制量和各变流器单元的运行模式，采用无功预测控制，对该电源的无功功率进行预测计算；

（6）、根据步骤（5）的结果，对无功补偿系统进行控制

本发明有益效果为：

采用该聚变电源系统的集成控制方法，解决大电感、强耦合负载聚变电源系统控制问题，大幅度降低系统无功功率消耗，提高聚变电源系统稳定性及无功补偿系统的响应速度，解决电源与电网兼容性问题，进行聚变电源系统的有效可靠控制。

附图说明

图1 现代大功率聚变电源系统的集成控制方法。

图2 EAST装置耦合磁体多变量反馈解耦控制后12个线圈电流波形。

图3 采用最小无功功率控制前后系统无功功率的实际测量波形对比。

图4 EAST超导线圈PF7电源变流器单元四象限有环流运行波形。

图5 EAST极向场电源3个变流器单元串联启动波形。

图6 EAST极向场电源3个变流器单元串联退出波形。

图7 采用无功预测控制计算所得系统无功功率。

图8未投入无功补偿装置网侧无功波形。

图9投入无功补偿装置网侧无功波形。

具体实施方式

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：现代大功率聚变电源系统的集成控制方法见图1。

以EAST聚变装置极向场电源系统为例，EAST极向场电源系统共有12套电源分别为12组极向场超导线圈PF1-PF12供电。

1）根据等离子体控制，对超导耦合线圈负载PF1-PF12进行解耦控制，解耦后得到每个超导线圈所需的电流控制量。耦合磁体多变量反馈解耦控制后，12个线圈的电流波形ps1idc1~ps12idc1如图2所示。由图可知经过多变量解耦控制，所得的单磁体负载所需的控制量可以实现单磁体负载回路控制。

2）根据单磁体负载所需的控制量，采用最小无功功率控制，计算为单磁体供电的变流器电源系统所消耗的无功功率最小时，各个变流器单元的控制量。采用最小无功功率控制，可以减小EAST极向场电源系统3个变流器单元串联的运行系统的无功功率。最小无功功率控制就是将其中3个变流器单元中的2个变流器单元的电压根据需要设置为该变流器单元输出电压的极值，同时保证3个变流器单元串联的总电压可以跟随给定的参考电压。图3为采用最小无功功率控制前后系统无功功率的实际测量波形对比，采用最小无功功率控制后，3个变流器单元串联电源系统的无功功率消耗大幅度减小。

3）根据单磁体负载所需的控制量，最小无功功率控制，计算所得的各个变流器单元的控制量。利用四象限运行控制器，对聚变电源系统的每个变流器单元进行四象限有环流控制。电源系统输出双极性的电流及电压且线圈电流平滑过零，每个变流器单元均采用了相控变流器的四象限有环流控制。图4为超导线圈PF7的供电变流器单元的四象限有环流运行波形图，其中ps7idc1为PF7超导线圈供电的总电流，ps7idccu1c1，ps7idccu1c2，ps7idccu2c1，ps7idccu2c2为变流器单元的四个桥电流。由图4可知，变流器单元可以根据需求输出双极性电压及电流，实现四象限有环流控制，线圈负载电流平滑过零。

4）EAST极向场电源系统中，采用了将3个变流器单元串联的方式，对极向场超导线圈进行供电。采用了串联顺序控制对3变流器单元可以进行安全启动及退出。图5为3个串联变流器单元（CU1， CU2， CU3）的启动电流波形，其中CU1电流波形，CU2电流波形以及CU3电流波形，均包含了该变流器单元的四个桥电流。图5中区间①为首先启动两个变流器单元（CU1， CU2）的过程，运行至稳定后启动第三个变流器单元（CU3）。图5的区间②是三个变流器单元启动成功后进入稳定运行的过程。图6为三个变流器单元串联运行退出过程的实验波形。包括三台变流器的负载电压CU1VDC、CU2VDC、CU3VDC和总的负载电流Id波形，其中区间③为三个变流器单元同时运行的过程，区间④为变流器单元逆变准备退出的过程，区间⑤为逆变后退出的过程。采用串联顺序控制，3个串联的变流器单元可以安全的启动及退出。

5）根据多变量解耦控制，最小无功功率控制，四象限有环流控制的计算结果，得到变流器单元的控制量以及各变流器单元的运行模式后，根据最小无功功率计算所得的3个变流器单元的每个电源的输出电压对该电源的无功功率进行预测计算，采用无功预测控制，预先对系统所需无功功率进行补偿，解决电网接入问题。图7为采用无功预测控制计算所得的需要补偿的无功功率。

6）根据无功预测控制的计算结果，对无功补偿进行控制。图8为未投入无功补偿装置的波形，图9为无功补偿装置根据无功预测控制进行补偿的波形。根据无功预测控制投入无功补偿装置后，可以补偿系统系统所需的大部分无功功率，补偿效果明显，无功补偿装置未投入时10kV母线电压总畸变率达到13.54%，投入时母线总畸变率不大于3.18%。