全超导托卡马克核聚变发电装置快控电源的干扰抑制离散积分滑模电流控制

全超导托卡马克核聚变发电装置(EAST)快控电源的首要性能指标是快速跟踪参考信号,以输出电流实现负载线圈的励磁,对等离子体的垂直位移进行反馈控制。EAST快控电源负载线圈受装置内部部件和真空内等离子体的影响,线圈感值会出现小范围内慢时变波动以及线圈上存在互感电动势干扰,传统比例-积分(PI)控制方法在电流跟踪控制过程中存在不足。为了实现干扰的抑制和应对负载波动,提出一种带干扰抑制的离散积分滑模控制方法,根据系统状态方程设计离散积分滑模控制器,结合滑模干扰观测器实现集总干扰的观测,对集总干扰进行前馈补偿控制。为了抑制抖振和加快收敛速度,设计一种新型平滑饱和函数和增益自适应观测器,根据观测电流误差和跟踪电流误差自适应调整观测器增益。对比传统PI控制,仿真和实验验证了所提控制方法具有更加优良的电流跟踪特性,在输出电流超调更小的情况下动态响应更快,能够有效地抑制负载侧扰动,具有良好的鲁棒性。

基于改进灰色预测单神经元PI的全超导托卡马克核聚变发电装置快控电源电流控制

全超导托卡马克核聚变发电装置(EAST)快控电源负载电感的电流受多种不确定环境因素的影响而难以预测,灰色预测无需精确对象模型,只需少量已知信息即可实现输出电流短期预测,已在EAST快控电源中有了一定研究应用。为解决灰色预测在EAST快控电源中对突变信号边沿预测精度低和预测延时时间长的问题,提出一种改进灰色预测算法实现输出电流预测。在一个开关周期内对输出电流进行等时长间隔采样4次作为原始序列,将滚动式采样预测改为逐周期采样预测,在实现灰色预测的过程中不必依赖过去几个周期的历史采样信息,只需本周期的4个原始采样值即可实现输出电流的预测。根据预测电流与参考电流误差自适应调整单神经元比例-积分(PI)控制的输出增益,实现输出电流的快速准确控制。仿真和实验结果表明,在EAST快控电源电流预测过程中所提出的改进灰色预测,对比传统灰色预测具有更高的预测精度和更小的预测延时,改进灰色预测变增益单神经元PI控制能够在减小电流超调的同时加快输出电流响应速度。

EAST快控电源逆变器并联分析

针对超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,简称EAST)对等离子体位移快控电源大电流快速响应要求,采用多组逆变单元并联运行。分析了采用均流电抗器形式的逆变电源并联产生环流的情况,根据EAST快控电源系统的设计要求,对逆变单元采用电流闭环调节器控制,可有效提高系统对低频和直流环流的抑制能力。实验结果说明该系统设计方案合理,控制策略有效。

EAST大功率快控电源设计

针对超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)中等离子体位移快控电源高压和大电流快速响应的要求,采用半桥三电平结合移相PWM多重化技术,实现多组变流器并联运行,提高了变流器的等效开关频率控制,从而改善了电流波形品质。分析了半桥三电平逆变电路工作原理,并针对移相PWM多重化技术,采用Matlab进行了仿真。实验结果说明,该系统设计方案合理,具备良好的大电流输出和快速响应能力。

EAST快控电源中空心电抗器的电磁屏蔽计算

针对EAST快控电源系统中空心电抗器运行时产生的磁场对周围电子设备干扰的问题,提出利用金属网屏蔽磁场的理论,通过解析计算得到单层和双层金属网屏蔽时屏蔽系数的表达式。参照现场实物建立多个三维模型,选择不同材料(DT4A,GO,1008steel)的金属网,采用三维有限元和Matlab仿真的方法,获得电抗器周围柜体屏蔽前后磁通密度的分布情况,进而分析了屏蔽系数与网孔数目、激励频率、距离的关系。结果表明,单层金属网屏蔽时,DT4A的屏蔽效果最好;双层金属网屏蔽时,DT4A/GO的屏蔽效果最好。总体而言,双层比单层屏蔽更加有效。对进一步研究空心电抗器的安全运行具有重要意义。

改进灰色GM(1,1)模型的EAST快控电源输出电流预测

针对非模型PID控制难以克服参数变化、时滞的固有缺陷,为优化托卡马克装置中应对等离子体垂直不稳定位移的主动反馈控制,通过改进灰色GM(1,1)预测模型对基于级联H桥拓扑的EAST快控电源的输出电流进行准确预测以优化控制参数。灰色GM(1,1)预测模型适用于小样本、贫信息系统,所需建模样本少、计算简易。预测拟合序列的差异导致在对输出电流的上凸序列进行灰色GM(1,1)建模时存在较大预测误差,选用一种将上凸序列轴对称变换为上凹序列并建立非等间距灰色GM(1,1)预测模型的数据变换方法,同时利用样本点给出了非等间距序列的预测时刻的估计式。基于该改进灰色GM(1,1)预测模型,推导了预测模型的建模过程,通过仿真比较两种灰色GM(1,1)预测模型对电源输出电流的预测误差,改进后突变段预测误差率降低至10%以下,并在实例分析中验证改进灰色GM(1,1)预测模型的有效性。

基于PLC与WINCC的EAST快控电源远控网络设计

EAST快控电源是国家"九五"大科学工程EAST非圆截面大型超导托卡马克装置的子系统。为了便于EAST快控电源以及控制系统中的多台微机及UPS的统一控制,并针对快控电源控制逻辑对于实时性要求不高,但控制系统所需传输数据信息量大以及控制逻辑指令可靠性要求高的特点,采用了以太网通信方式,使用PLC和WINCC完成了对快控电源的远程控制网络的设计。该系统已在EAST首次运行中使用,实现了预期的设计目标。

EAST快控电源监控系统设计

EAST快控电源是国家"九五"大科学工程EAST非圆截面大型超导托卡马克装置的子系统。为实现对EAST快控电源系统完善的监控和管理,采用PLC与系统控制器相结合的方式实现电源现场的运行智能管理;PLC配置CP423-1模块,通过工业以太网与远程监控诊断计算机进行通信,实现遥信和遥控;现场采集工控机对电源系统的模拟量进行采集,并将数据远传,实现遥测。该监控系统已在EAST运行中使用,实现了预期的设计目标。

升级EAST快控电源控制器研制

针对EAST快控电源缩短电流响应时间的要求,升级的快控电源控制器采用TMS320F28335替代原快控电源支路控制器中的TMS320F2812,实现响应和输出脉冲宽度调节(PWM)控制上的载波相移,提高系统等效开关频率,减小输出电压响应延时。经过实验验证,升级的快控电源控制器实现预定目标,有助于提升EAST装置抑制等离子体垂直位移不稳定性的能力。

EAST快控电源中空心电抗器磁热耦合分析（英文）

当脉冲电流通过实验先进超导托卡马克(EAST)快控电源中空心电抗器时会产生磁场,导致输出柜发热。为了解决热问题,在空心电抗器周围安装一层或两层屏蔽体。电流幅值最大为1500A时,求解空心电抗器周围磁场分布以及输出柜的涡流损耗。将涡流损耗作为主要的热源,根据电磁学和热力学理论建立电抗器的三维磁热耦合有限元模型。本文对空心电抗器的温度场进行分析和讨论。结果表明,在屏蔽条件下空心电抗器的磁场和输出柜的温度都会降低。

新EAST快控电源电压模式的探索

针对EAST快控电源大电流快速响应的要求,EAST第二代等离子体垂直位移主动反馈电源在保留第一代主动反馈电源电流控制模式的同时,也可实施电压控制模式,实现电流上升率的最大化。为解决其带来的高电压输出时频繁过流保护而导致能量倒灌引发直流侧过压保护的现象,采用限流保护进行改进。经实验验证,电压模式可大幅提升电源对于等离子体垂直不稳定位移的抑制能力。

H桥式大电流快控电源设计

介绍了HL-2A升级改造装置用于控制等离子体垂直位移的H桥式大电流快控电源的设计方案,内容包括快控电源方案与工作模式的仿真,开关元件的选择和改善IGBT静态均流的措施。利用实验平台,通过改变并联元件的回路参数将IGBT并联电流不均衡率由16.5%降低到6.8%。计算了IGBT模块工作时可能产生的最大损耗,并给出满足模块温度要求的散热方案。

EAST快控电源RT-LAB半实物仿真故障分析

在RT-LAB半实物仿真平台上建立EAST快控电源主电路模型,其与外部硬件电路构成闭环反馈回路,实现EAST快控电源的功能。该硬件在环仿真实验实现了预期结果,说明RT-LAB仿真模型的可行性和准确性。文中模拟快控电源主电路中H桥的各种故障状态,通过分析故障状态下快控电源的输出电压和电流波形,形成故障状态数据波形库,为快速定位故障位置提供依据,对于快控电源的稳定运行具有重要意义。

HT-7U装置位移快控电源及其控制系统设计

针对HT 7U装置等离子体位移快控电源低压大电流控制要求 ,提出了一种采用双PWMAC DC变流器拓扑且易于多组并联的新颖控制方案 ;在分析了PWMAC DC变流器d q模型的基础上 ,设计了三闭环控制系统 ,特别采用了基于前馈的解耦控制和微分反馈控制 ,从而使系统获得了优良的动态性能。仿真结果证实了方案的正确性。

EAST快控电源输出谐波分析

针对EAST超导托卡马克核聚变实验装置中等离子体位移快速控制的要求,快控电源采用三电平电路结合载波移相PWM调制技术,实现多组逆变器并联运行。介绍了系统设计方案,并对其输出谐波进行了研究,利用双重傅里叶变换建立了数学模型,分析了其谐波分布特性。通过仿真和实验表明,快控电源系统具有良好的谐波特性,具备良好的大电流输出和快速响应能力。

适用于EAST快控电源的交流绝缘监测技术

为了保障EAST快控电源系统的稳定运行,提出了一种适用于EAST快控电源的高频高压工作环境的交流绝缘监测技术。此方法利用电阻不平衡桥,通过交替投切电阻造成分压的变化,实时采集电压,计算出绝缘电阻值。搭建了Simulink仿真平台,分别将~220V市电和EAST快控电源输出作为电压输入进行实时绝缘监测仿真分析,波形与预期相符。经过实验验证,新方法能够准确完成220V市电交流输入的绝缘监测,并且在快控电源现场能正常工作,达到绝缘监测的精度要求。

快控电源支路控制器程序的远程升级研究

在EAST等离子体垂直位移快速控制电源(快控电源)的数字信号处理(DSP)执行控制程序远程升级中,通过改变“二次引导”的顺序结构,提出一种新的“二次引导”结构。该结构不需要汇编语言的参与,使用C语言编写“二次引导”程序,同时将该结构与无线网络传输技术相结合,实现了对程序的远程升级固化。实验结果表明,所提出的结合无线网络的“二次引导”结构能够实现对控制电源DSP程序的远程加密升级。

小波在EAST快控电源控制信号处理中的应用研究

用小波多分辨分析方法对EAST快控电源控制信号进行分解,分层设定阈值滤除不符合要求的频率成分再进行信号重构,得到了满足要求的EAST快控电源控制信号,并经过了仿真和实验的验证。结果表明,使用小波变换比使用其他方法更为理想。

瞬时环流反馈均流策略在EAST快控电源中的应用

在EAST快控电源中采用瞬时环流反馈引入虚拟电阻的均流控制策略,可大大增加并联逆变器之间等效输出阻抗的实部,有效提高对环流低频分量的抑制能力。仿真和实验结果验证了该控制策略的可行性和有效性。

EAST快控电源监控系统的改造

针对EAST快控电源原有的远程监控系统的问题,本文提出了一套实际的改造方案,通过工业-以太网进行通讯,采用力控组态软件和VB进行界面编程,增加了每个单元的具体信号,提高了系统的可靠性。