【摘 要】
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为了进一步推动聚变工程和超导技术的发展,我国在《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中,重点布局了聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)项目,该项目旨在建成世界一流的超导磁体和偏滤器两大研究系统。超导磁体测试电源系统是超导磁体研究系统的核心子系统,是对大型超导磁体和中国聚变工程实验堆(CFETR)的关键部件进行实验研究的必要条件。其具有输出电压和输出电流调节范围宽、超导磁体负载惯性大、运
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为了进一步推动聚变工程和超导技术的发展,我国在《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中,重点布局了聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)项目,该项目旨在建成世界一流的超导磁体和偏滤器两大研究系统。超导磁体测试电源系统是超导磁体研究系统的核心子系统,是对大型超导磁体和中国聚变工程实验堆(CFETR)的关键部件进行实验研究的必要条件。其具有输出电压和输出电流调节范围宽、超导磁体负载惯性大、运行模式复杂等特点。本文根据超导磁体测试电源稳态运行、故障态运行、短路过载运行和超导磁体测试的特性要求,从电源系统设计和运行优化两个方面进行研究。本文主要研究内容和创新点:(1)针对超导线圈负载对电源系统暂态运行和故障态运行的特性需求,完成了超导磁体测试电源系统的设计,提取了系统的分布参数,建立了交直流系统的数学仿真模型。确定了交直流系统关键节点的极限运行特性,提出了关键设备参数优化准则,确保了电源系统的安全性和可靠性,为超导磁体的安全运行提供了保障。(2)针对超导磁体研究系统测试负荷宽范围变化特性,研究了超导磁体测试电源不同组合模式的外特性,设计了超导磁体电源单台、并联和串联模式的最优运行方法和自适应的控制算法,为不同特性负荷的测试提供了保证。(3)针对聚变装置超导磁体测试对电源可靠性的较高要求,设计了模块化电源的调度策略和高稳定性运行的冗余方案,提高了超导磁体电源系统整体的可靠性,为大惯性超导磁体的稳定性测试提供保证,同时也为高功率聚变电源的长期可靠运行提供了新的运行方法。(4)针对超导磁体电源并联运行均流问题,研究了变流器之间环电流特性,建立了环电流数学模型,提出了一种基于环电流数学模型的虚拟阻抗抑制环电流的均流控制算法,实现了环电流与谐波电压的同步,提高了均流控制的响应速度,规避了平衡电抗器抑制环电流损耗电源输出电压和功率的缺陷。对均流控制算法进行了仿真和实验,进一步验证了控制算法的有效性。(5)针对超导磁体电源短路脉冲过载运行的问题,提出了一种通过小弦代替圆弧研究电流跃升过程的电源外特性方程的方法,建立了短路运行的线性数学模型,并基于此数学模型设计了脉冲峰值和脉冲宽度可控的短路运行控制策略。对该控制策略进行了仿真和实验,实验结果验证了控制策略的合理性。所有的设计方法也为同类型高功率脉冲电源的设计和运行提供了技术支撑。
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