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EAST等离子体垂直位移快速控制系统是国家“九五”大科学工程EAST非圆截面大型超导托卡马克装置的一个重要子系统,对在等离子体大拉长位形下维持等离子体在垂直方向上长时间稳定运行具有重要的意义。为了快速控制等离子体垂直位移,等离子体位移快控电源设计为工作在高频高功率条件下24个相移多重化逆变单元并联的电源系统。由于快控电源系统的快速性与复杂性,进行快控电源的远程监测、控制和保护的研究对EAST的正常运行具有非常重要的意义。
本论文主要由三部分组成:1.在工程上实现了快控电源的远程实时监控系统的研制。2.对原有诊断与保护方案进行理论分析,提出了改进方案,并用仿真和实验验证。3.针对快控电源的要求以及二极管钳位多电平变换器的缺点,提出新的多电平拓扑。
快控电源远程实时监控系统使用了光电结合的局域网诊断控制方案,根据电磁环境和距离的不同使用RJ45或100baseFX连接。在同一局域网中由在控制室的远程监控诊断计算机对现场的采集计算机、控制计算机、PLC、两台UPS以及快控电源主电路部分进行全面管理,实现了通过局域网对现场的电源和设备进行远程数据采集、数据传输、监控等功能。
在电源故障诊断与保护研究方面,结合快控电源调试过程中出现的问题,着眼于进一步完善电源的诊断保护系统。主要从电源诊断保护措施的完备性考虑,对电源各种可能出现的故障情况及相应后果进行分析,仿真,进而提出解决措施。
在故障诊断研究过程中,本论文提出了一种功率管开路故障诊断方法。将以全控器件IGBT作为功率器件的三电平逆变器为研究对象,根据逆变器交流侧PWM电压波形的变化特征,该诊断方法可将开路故障诊断速度提高到数个开关周期,且不降低诊断的可靠性。同时还可实现故障功率管的定位。
因为垂直位移信号和快控电源输入,输出的不规则,非对称性,以及二极管钳位三电平变换器的自身固有特点,直流测电容电压有可能出现不平衡情况。论文中,基于传统二极管钳位多电平变换器的拓扑,提出了一种新的多电平变换器拓扑。相对于传统的变换器拓扑,其所需元件大大减少,且可实现电容电压平衡控制。
目前作者对快控电源远程监控系统的设计与研制已基本完成,并于EAST实验中成功运行。对故障诊断于保护系统的研究也采用了仿真和实验验证。