5 MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10 kVA。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示：该电源最大输出为220 kW/1500 A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100 s,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。     

超级电容在中性束弧放电电源中的应用研究

介绍了超级电容的结构原理与电路模型,以及超级电容在托卡马克装置实验中的应用。综合分析了大功率离子源弧放电电源的供电特性以及HL-2A 装置1MW 中性束注入系统的弧电源供电电路拓扑。提出了一种基于超级电容储能的5MW 中性束注入离子源弧放电电源供电方案,它能减小所需的电网容量,具有更小的体积和更高的效率、控制简单、响应速度快等特点。提出了采用恒压控制方式的基于超级电容供电的5MW 中性束注入离子源灯丝电源方案,分析了该方案的可行性和技术优势。为均衡用许多超级电容串并联组合储能时单体超级电容的电压,提出了一种可靠、高效的电压均衡电路。     

MW级中性束注入弧电源系统优化

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术;HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性,研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模,利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能,分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证,实验结果与仿真结果一致。实验结果验证：采样频率对弧放电稳定性有很大影响,在频率可调范围内,增大采样频率,可以提高控制系统性能,优化弧放电稳定性;HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。     

HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1000 A。     

基于无源性的光伏DC/DC变换器的全局滑模控制

在光伏发电系统中,当其受环境影响时,系统输出电压及功率不稳定,主要由DC/DC变换器来实现其过程能量转换,因此研究高效的DC/DC变换器控制方法具有重要意义。引入了一种满足无源性的DC/DC变换器,同时引入一种新的指数趋近律,设计全局滑模控制策略。所设计控制方法不仅确保了系统状态的稳定性,而且提高了系统的鲁棒性,减弱了DC/DC变换器的抖动现象;并以双向Buck变换器为例,通过Matlab仿真验证了所设计控制器的有效性     

基于LCC-LC谐振变换器的高压储能电源研究

针对脉冲等离子体推力器（PPT）高压储能电容充电这一应用背景,研究了一种新型LCC-LC谐振变换器。该变换器在保留了LCC谐振网络基本特性的同时,引入了零增益点,使谐振变换器具有负载短路保护和缓启动功能,且相比于LCC谐振变换器的工作频率调整范围更窄,有利于磁集成和功率密度的提升。利用基波分析法和阻抗分析法分析了高阶LCC-LC谐振腔的特性,并基于此进行工作区间划分,确保LCC-LC谐振变换器宽负载范围内实现软开关;针对LCC-LC谐振变换器的高效运行,给出了一整套参数优化设计方法。最后,通过仿真和1 kW的原理样机实验数据,对所研究的变换器各项功能进行了验证。     

双模式放电中DBD放电参数对甲烷滑动弧火焰光谱及活性粒子的影响分析

对未燃烧的可燃混合气体进行DBD放电,放电后会产生大量的活性粒子,这些活性粒子可以辅助气体燃烧,达到提高燃料燃烧利用率等目的。以DBD激励氩气、甲烷、空气产生的自由基（CH基和OH基）等强化燃烧的关键活性粒子为探索对象,研究DBD放电激励甲烷对滑动弧火焰的影响。为此,采用自主设计的DBD-滑动弧双模式等离子体激励器,利用同轴介质阻挡放电结构对氩气、甲烷、空气混合气进行放电激励,将激励后的氩气、甲烷、空气混合气通入滑动弧端进行点火。固定氩气流量不变,调整空气流量为4.76 L·min-1,并加入甲烷0.5 L·min-1,保证进气通道内氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶（CH₄+Air）=1∶30,其中空气、甲烷这两种气体达到了化学燃烧当量比φ=1,氩气、甲烷、甲烷混合气体能实现均匀而稳定的放电并燃烧。DBD段放电电压在15～20 kV范围变化,放电频率在6～10 kHz范围变化,滑动弧段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定,通过改变DBD段放电电压和放电频率,用高速光纤光谱仪检测滑动弧火焰中自由基种类及其光谱强度,分析放电参数激励甲烷对火焰中自由基（CH基和OH基）的影响。结果表明,DBD段放电电压及放电频率的增加可以促进火焰内部的偶联反应发生,可有效提升甲烷滑动弧火焰内部的活性粒子含量,其中OH基团、CH基团在燃烧链式化学反应进程中发挥着较为重要的作用。甲烷经过DBD激励后,随放电电压和频率的增加,火焰中OH基、CH基等主要活性粒子都随之增加。DBD放电后,活性粒子的光谱强度增大,特征谱线比单模式更加明显;甲烷经过DBD激励后,火焰组成发生了变化,滑动弧段出口处甲烷燃烧反应更加充分,火焰温度越高越容易产生OH基。与单模式滑动弧相比,双模式放电可有效促进火焰内部的链式化学反应进程,促进燃料燃烧。     

气液两相滑动弧放电中自由基的光谱研究

气液两相滑动弧放电是近年来出现的一种新型低温等离子体废水处理技术,对高浓度有机废水具有很好的降解效果。为了认识气液两相滑动弧放电降解有机废水的机理,用发射光谱法对气液两相滑动弧在空气中放电所产生的主要自由基进行了实验研究,分析了自由基持续再生的化学过程。通过对光谱线强度变化的分析,得到了OH和NO自由基谱线强度在放电反应空间的分布特点,以及输入电压和液相(水)流量因素对OH和NO自由基产生过程的影响。结果表明：OH是气液两相滑动弧放电的主导自由基;OH和NO自由基谱线强度沿着电极中轴均先增后减;在非平衡区域,自由基谱线强度随着输入电压的增大而增大;OH自由基谱线强度随水流量的增大而增大,NO自由基谱线强度则随着水流量的增大而减小。     

一种改进的谐振参数扰动法及其在DC/DC变换器混沌控制中的应用

种改进的谐振参数扰动法来控制混沌，该混沌控制方法引入了基于非线性映射的调制，其控制目标可以是任意周期的轨道，而不是原混沌吸引子中的嵌入轨道。作为一个应用实例，文中描述了该方法在电流模式控制dc/dc变换器中的应用结果。     

固定变比为1/3的双桥臂开关电容变换器的研究

摘要：开关电容变换器一直是一个重要的研究领域。近年来,随着交流场合应用的需要,AC-AC开关电容变换器在逐渐发展,主要集中在单桥臂的研究,对于双桥臂的研究较少,尤其在高频工作过程方面还有待发展。通过对各种直流、单相交流开关电容变换器的研究,发现所研究的开关电容变换器主要集中在对单桥臂实验波形、效率和等效电阻的分析,由于双桥臂的电路结构、工作过程比单桥臂要复杂,对其暂态工作过程的研究很少,而开关电容变换器的工作过程和等效电阻的研究对设计双桥臂开关电容变换器以及提高电路的稳态特性有着重要作用。为了更好的提升电路的性能和稳态特性,对1-2升压型双桥臂开关电容变换器在低频、高频的工作过程和换向过程进行了深入研究,给出了开关电容变换器的控制驱动方式,并通过高频分析进行暂态建模得到了等效内阻的表达式。最后通过仿真对分析结果进行了验证。     

兆瓦级NBI加热系统弧流电源故障诊断方法探究

针对中国环流器2号A(HL-2A)装置弧流电源的特点,以及弧流电源故障诊断的条件与现状,提出了结合中性束注入(NBI)控制系统的相关功能模块与基于Matlab/Simulink仿真技术构建的故障字典,以实现弧流电源运行状态的在线监测及其故障模式的诊断。NBI控制系统在监测到弧流电源故障状态后,调用存储的弧流电源输出信号进行分析,提取信号的特征值,然后通过查找弧流电源故障字典以诊断出可能的故障模式。结合实验数据论证了该故障诊断法对弧流电源简单故障定位准确,对复杂故障能缩小定位范围,具有原理简单、可操作性强等优点。     

HL-2A װ��MW ������������ϵͳ��˿��Դ�����������

The main circuit topology, control hardware and control sequence of the cathode filament power supply for the HL-2A neutral beam heating system was introduced. Feedback control simulation of main circuit of filament power supply is carried out through MATLAB simulation software. It is found that the ripple factor is about 1%when the current is about 1000A, and the ripple coefficient increases to 3% when the current drops to 200A. Without the AC filter reactor in series L₁ and parallel harmonic filter LC in the low level control cabinet, the output current ripple coefficient becomes larger obviously. It shows that L₁ and LC not only absorb harmonic current, but also filter the chopper waveform after AC voltage regulation to make the output waveform smoother.     

HL-2A装置MW级中性束加热系统灯丝电源设计与仿真分析

介绍了HL-2A 装置中性束加热系统阴极灯丝电源的主电路拓扑结构、控制硬件及控制时序等。运用MATLAB 仿真软件对灯丝电源主回路进行了反馈控制仿真,发现电流在1000A 左右时,纹波约为1%,而电流降低至200A 时,纹波增大,约为3%。分别去掉低位控制柜内进线端的串联交流滤波电抗器L₁ 和并联LC 谐波滤波器进行仿真,结果显示输出电流纹波明显变大,说明L₁ 和LC 除了能够吸收谐波电流减少进入电网谐波的作用外,还能够对交流调压后的斩波波形进行一定的滤波作用,使得输出波形更加平滑。     

Design and testing of a 5 MW battery-based inductive power supply

A 5 MW battery-based inductive power supply (IFS) was designed and tested. The battery consisted of 636 low-resistance, sealed, lead-acid batteries organized in strings that are connected to busbars via small-size contactors. A vacuum breaker serves as a closing switch, while an explosively driven opening switch interrupts the circuit, transferring the coil current to the load. In case of load malfunction, the energy stored in the coil is dumped into a dissipative load. The systems for control and measurement are decoupled from the high-current carrying conductors. In this paper, optimization of the battery-coil matching is discussed. The current sharing between the strings is analyzed. IFS parasitic inductance for different arrangements was calculated and reduced by careful design to 4 μH. PSpice simulations of the IFS accounting for nonlinearity in the components are presented. Main components, such as batteries, contactors, and protective equipment were tested under high current conditions. The IFS was evaluated both with a resistive and an electro-thermal load with stored energy up to 0.5 MJ. Power amplification of 100 was obtained. It was found that the experimental results agree closely with calculations, and the IFS performs according to the design specifications. Methods of developing a more compact IFS using advanced battery technology are analyzed     

诊断中性束加速电源打火检测与保护电路的研究与设计

通过检测打火短路过程中产生较大的di/dt 和du/dt 来实现高压电源的打火短路保护。在研究了中性束加速电源控制和保护特点的基础上, 设计了诊断中性束加速电源在打火短路过程中的di/dt 和du/dt 的检测电路和相应的保护电路, 实现提前对加速器高压电源打火短路的保护。     

EAST NBI�ۺϲ���̨����Դ��Դϵͳ�IJ����о�

EAST NBI束线综合测试台已研制完成并具备一台兆瓦级离子源测试运行的全套电源设备,包括离子源灯丝电源、弧电源、加速器电源、抑制极电源、偏转磁体电源及缓冲器电源等。介绍了EAST兆瓦级离子源进行起弧放电调试运行的方式,叙述了各套离子源电源系统的设计结构、技术特点及运行控制方式,分析了离子源电源系统稳定可靠运行需要解决的各个难点,给出了EAST束线样机进行高功率及长脉冲束引出测试运行的实验结果。     

EAST中性束注入控制系统设计

中性束注入（NBI）是磁约束核聚变装置等离子体加热和电流驱动的重要手段。依据东方超环（EAST）NBI实验运行特点,设计了基于网络通讯的集散式控制系统。NBI控制系统采用计算机网络技术,按照控制层次分为远程监控层、服务器控制层和现场控制层,三层控制结构易于系统功能扩展与设备升级。一条束线的两个离子源可以独立运行控制,这为EAST第二条束线控制扩展奠定基础。实验表明,NBI控制系统具备了远程监控、连锁保护和数据处理功能,满足了NBI实验运行的自动化和可视化的需求。     

120 MW束流功率速调管电子枪设计

速调管电子枪是速调管重要部件之一,它为速调管高频腔提供直流电子注。对国产50 MW速调管电子枪束流光学系统进行了模拟分析,并对电子枪陶瓷筒进行了重新设计和优化。为了在国产30 MW速调管的基础上设计50 MW速调管,采用进口钡钨电子枪阴极来减小蒸发和抑制打火,将电子注电压提高到320 kV,电流和导流系数分别为346 A和1.91 μp,以满足速调管功率提高的需要。设计出低电场强度（22.1 kV/mm）电子枪新结构,即在不影响电子枪内部束流稳定的前提下,将陶瓷筒设计成靠近阴极端半径较大而远离阴极端半径较小的形状,以避免高功率运行致使陶瓷筒的损坏。