基于超級電容儲能的中性束注入系統弧電源設計

陽璞瓊，宣偉民，曹建勇，李 青，劉曉龍

（1.核工業西南物理研究院，四川成都 610041；2.南華大學電氣工程學院，湖南衡陽 421001）

基于超級電容儲能的中性束注入系統弧電源設計

陽璞瓊1，2，宣偉民1，曹建勇1，李 青1，劉曉龍1

（1.核工業西南物理研究院，四川成都 610041；2.南華大學電氣工程學院，湖南衡陽 421001）

弧電源是中性束注入加熱系統中最關鍵的設備之一，它的性能決定了弧放電的穩定性及束流引出的品質。為提高弧放電穩定性，降低電網容量，減少對電網的沖擊，弧電源拓撲設計采用了基于超級電容儲能和開關電源技術的DC／DC變換器結構。利用多個IGBT功率模塊并聯工作，可提高電源工作頻率，實現更快的動態響應速度。在詳細分析電源工作過程的基礎上，設計了濾波電路和電流快速轉移電路，根據電源的要求和具體參數，由一階RL電路的電流響應特性，精確計算出濾波電感的最小值。最后，利用Matlab對電源性能指標進行了仿真驗證，結果表明電源性能完全符合設計要求。

超級電容；弧放電；中性束注入；強流離子束；直流變換器

中性束注入［1］加熱的原理是快中性原子注入到聚變等離子體后，通過電子電離、離子電離和電荷交換而被磁場捕獲，被捕獲的快離子與等離子體離子和電子發生庫侖碰撞，將能量傳給離子和電子，使等離子體的溫度提高。與其他加熱方案相比，中性束加熱具有加熱機制清楚、加熱效率高、不受等離子體位型影響等優點。此外，中性束注入還可用來實現無感電流驅動，改善等離子體約束，加料和等離子體參數診斷等功能。在JET、TFTR、JT-60等幾個大型托卡馬克裝置上，等離子體的中性束注入實驗取得了令人矚目的成果［2］。

中國環流器二號（HL-2A）裝置已建成的1MW中性束注入輔助加熱系統的弧電源采用傳統的高壓隔離晶閘管相控交流調壓技術，該弧電源已為NBI離子源服務多年，取得了良好的效果。環流器二號的升級改造（HL-2M）將使用全新設計的5MW中性束注入系統。為降低電網容量和減少對電網的沖擊，同時為達到更好的弧流穩定性和更快的動態響應，本文設計基于超級電容儲能的高頻開關型弧電源。

1 超級電容器

雙電層電容器［3－4］（electric double-layer capacitors，EDLC）也稱超級電容器，是近年來批量生產的新型儲能器件，它的能量密度較傳統的靜電電容器大1個量級以上（圖1），代表了能量存儲領域的新方向，是較理想的峰值動力和快速充、放電儲能器件。超級電容器作為一種新型儲能元件，具有功率密度高（達1～10kW／kg）、循環使用壽命長（達10萬次以上）、溫度特性好（工作溫度范圍為－40～70℃）、充放電速度快、等效串聯內阻（ESR）小等優勢。

圖1 不同儲能元件的拉貢圖Fig.1 Ragone plot of various energy storage elements

弧電源功率較大，額定功率為250kW，且為超長脈沖運行，需儲能單元具有較大的功率密度和能量密度。短脈沖功率裝置中最常用的脈沖電容器的能量密度太低，不能滿足要求。儲能動力電池，包括燃料電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，功率密度不夠（圖1）。鋰離子電容器具有鋰離子充電電池負極和雙電層電容器正極相結合的構造，具有較超級電容更高的能量密度，但市場產品還不夠成熟，且等效串聯內阻稍大。所以，選擇美國Maxwell公司的Boostcap系列超級電容器作為弧電源的儲能器件。

與鋰離子電池相同，單體超級電容器電壓很低，通常是由很多超級電容器單體通過串并聯方式構成能量存儲陣列。在大電流快速充電時，利用高效的電壓均衡電路和充電控制電路可防止超級電容單體電壓過充，還能降低隔離變壓器和充電電路功率容量。

2 電路拓撲設計

5MW中性束注入的電源系統較復雜，主要包括放電電源、引出電源及輔助束線電源3大類，其電源系統連接在文獻［5］中有詳細介紹。弧電源的額定電流為1 500A，最高工作電壓為150V，其主電路拓撲采用簡單高效的Buck變換器［6］結構，如圖2所示。初級能源采用單相市電供電，經過120kV絕緣的隔離變壓器升壓（AC 250V），二極管不可控整流和電容濾波后成為約300V的直流電，再由DSP控制Buck變換器對超級電容器組進行恒功率充電。超級電容器的充放電速度均很快，充電可在幾十s內完成。考慮電網容量和充電電路成本，可適當延長充電時間，在HL-2A1個實驗周期（約5～10min）內完成充電。

為提高弧電源的動態響應，達到更好的恒流效果，并減少體積、提高效率，需提高IGBT的開關頻率。由于器件和散熱條件的限制，在大電流工作時，IGBT的開關頻率不能太高。若選擇1 200V、2 400A的IGBT模塊，在工作電流為1 500A，采用風冷散熱時，其最高工作頻率僅4～5kHz。為進一步提高開關頻率，可采用多個容量較小的IGBT并聯工作。若采用6個1 200V、600A的IGBT模塊并聯工作，平均工作電流為250A，在相同工況下，其工作頻率將約達30kHz。

按照弧電源的參數：最大工作電壓為150V，T為5s的脈沖工作平均電流I為1 500A，充電時超級電容最高電壓為200V，放電時最低電壓不低于160V，則超級電容最小容量C為：

設充電時間T為5min，采用恒功率充電，則最小充電功率為：

由于等離子弧放電物理過程復雜，伏安特性［7］為非線性，且存在負阻區，其電極兩端的電壓隨弧放電過程而變化，所以弧電源采用電感濾波，不需濾波電容。設電源工作頻率為30kHz，要求電流紋波系數小于2%，則可計算出濾波電感L最小值。

IGBT導通時，超級電容可視為恒壓源，此時電路響應為一階RL電路全響應；IGBT關斷時，電感電流I通過二極管D續流，此時電路響應為一階RL電路零輸入響應。由于時間常數τ遠大于T，濾波電感電壓與電流波形可近似為圖3所示的波形。

由式（3）和（4）可得：

式中：USC為超級電容電壓；Uo為輸出電壓；D為占空比；R為等效負載電阻；Imax為最大電流；Imin為最小電流。取Imax＝1.01I，Imin＝0.99I，USC＝200V，R＝0.1Ω，T＝3×10－5s，I在100～1 500A范圍內，電感最小值如圖4所示。由于弧電源工作于平頂階段時，平均電流大于500A，故L最小為0.12mH。與現有1MW中性束注入系統弧電源3mH的濾波電感相比，儲能和電壓過沖將顯著減小，電源將有更快的響應速度。

圖2 弧電源電路拓撲Fig.2 Topology of arc power supply

圖3 濾波電感電壓與電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms of filter inductor

為更好地實現離子源的引出和離子束光學性能的匹配，防止加速極主高壓加入時因等離子體密度過高而過流，要求弧電源的電流上升時間和下降時間均小于150μs。由于濾波電感的存在，電源輸出電流的上升時間和下降時間不能滿足要求，所以在輸出端并聯電流打坑電路。由IGBT7至IGBT10和其串聯的電阻組成，利用IGBT快速開關的性質，使部分電流轉移到電阻假負載上。其電流轉移的比例稱為打坑深度，IGBT開通時間稱為打坑寬度，均由中性束控制系統給出。4個電阻值按等效負載電阻的2N倍取值（N＝0、1、2、3），通過對4個IGBT的通斷編碼控制，得到所需的電流轉移比例。R5為壓敏電阻，在電源出現故障時，為電感提供放電回路，保護電源。

圖4 工作電流與最小濾波電感關系Fig.4 Relationship between working current and minimum filter inductance

電感L0、續流二極管D0和IGBT0及其基于DSP的控制電路構成了1個為超級電容充電的Buck變換器，在不同的時刻，采用不同的充電控制方法，達到最佳的充電性能。充電初期，由于超級電容電壓低，可使用大電流快速充電，以節省充電時間；在超級電容電壓達某設定值后，改為恒功率控制［8］充電方式，以節省變壓器和充電電路容量，降低成本；在最后階段，使用恒壓控制方式進行浮充充電，提高電能利用率，減少損耗，防止超級電容過充，影響使用壽命。

3 控制方法與電路仿真

弧電源的負載——桶式離子源是一非線性負載，伏安特性復雜，還存在負阻效應，其產生等離子的弧放電類型屬于低氣壓非自持熱陰極弧光放電。不同的離子源由于燈絲形狀、尺寸、數量、位置和排列方式等不同以及磁場場形、強度不同，其伏安特性差別很大，且運行過程中還會受氣體壓強、燈絲狀態、外磁場、等離子密度等因素的影響［9］。因此，弧電源一般采用閉環控制方式，以滿足系統對響應時間和穩定性的要求。

隨著弧放電的持續，超級電容電壓將會下降，弧電源必須實時調整IGBT的開通時間，以保持輸出穩定。由此，在傳統的對弧電壓和電流采樣反饋閉環控制基礎上，加入了超級電容電壓前饋的雙閉環控制方式。

托卡馬克磁約束受控熱核聚變實驗裝置的電磁干擾十分嚴重，且弧電源工作于120kV隔離的高壓平臺上，在主高壓加入時dU／dt很大，對控制系統抗干擾能力要求很高。為此，弧電源控制系統采用DSP＋FPGA的全數字控制方式，中性束系統控制管理信號與弧電源連線全部采用光纖通信，如圖5所示。電源內部的超級電容電壓、輸出電壓、輸出電流經采樣和A／D轉換后送給DSP芯片進行PWM計算。為實現恒等離子密度控制，電源預留一路模擬光纖輸入接口，用于離子源密度測量的朗繆爾探針信號輸入。

圖5 弧電源與控制管理系統信號線連接Fig.5 Signal lines of arc power supply connect with control and management system

根據電路拓撲和元器件理論計算，利用Matlab建立主電路仿真。圖6為設定工作電流為1 500A、負載等效電阻為0.1Ω時的弧電壓和電流仿真波形，其中打坑深度為50%，打坑寬度為2ms。由于濾波電感的影響，弧電源的電流變化較慢，上升時間約為1.5ms。為配合其他電源實現中性束光學性能的匹配，防止在加速極高壓投入時因為放電室等離子密度過高而出現過流保護，在加速極主高壓投入時必須先啟動弧電流打坑，再按時序依次投入其他電源。

圖6 輸出電壓和電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of output voltage and current

4 結語

對于大功率電弧，實現穩定的閉環控制難度較大。傳統的弧電源采用晶閘管相控調壓及50Hz的工作頻率，動態響應很慢。根據對弧流取不同的反饋量，嘗試了恒流、恒壓、恒功率、恒密度［10］等多種控制方式，效果均不是很理想。為增強弧流穩定性，一些文獻中采用增加電源內阻、串入飽和電抗器、增大濾波電感等措施，以增加閉環控制的穩定性，但這將使電源動態響應進一步變慢。本文采用開關電源技術，采用PWM控制方式，極大提高了電源的動態響應速度，改善了電源的閉環控制性能。

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Design of Arc Power Supply for Neutral Beam Injection System Based on Super Capacitor Energy Storage

YANG Pu-qiong1，2，XUAN Wei-min1，CAO Jian-yong1，LI Qing1，LIU Xiao-long1
（1.Southwestern Institute of Physics，Chengdu610041，China；2.School of Electric Engineering，University of South China，Hengyang421001，China）

The arc power supply is one of the most important equipments for neutral beam injection system.The stability of arc discharge and the quality of ion beam extraction were determined by its performance.For improving stability of the arc discharge，reducing the power network capacity and decreasing impulse on power network，the topology of the arc power supply applied the structure of DC／DC converter based on technology of super capacitor energy storage and switching power supply.Several IGBT power modules are operated in parallel，and it can improve the arc power supply’s operating frequency and dynamic response.A filter circuit and a current fast transferring circuit were designed based on a detailed analysis on working process of the arc power supply.According to the requirements and parameters of the arc power supply，and the current response of RL first order circuit，the minimum filter inductances were accurately calculated.Finally，using the model and Matlab，the performance of the arc power supply was simulated and verified，and it meets the design requirement.

super capacitor；arc discharge；neutral beam injection；high intensity ionbeam；DC／DC converter

TL623

：A

：1000-6931（2015）01-0166-05

10.7538／yzk.2015.49.01.0166

2014-01-15；

2014-03-20

陽璞瓊（1980—），男，湖南雙峰人，講師，博士研究生，從事電力電子技術及大功率脈沖電源技術等研究