基于超级电容储能的中性束注入系统弧电源设计

阳璞琼，宣伟民，曹建勇，李 青，刘晓龙

（1.核工业西南物理研究院，四川成都 610041；2.南华大学电气工程学院，湖南衡阳 421001）

基于超级电容储能的中性束注入系统弧电源设计

阳璞琼1，2，宣伟民1，曹建勇1，李 青1，刘晓龙1

（1.核工业西南物理研究院，四川成都 610041；2.南华大学电气工程学院，湖南衡阳 421001）

弧电源是中性束注入加热系统中最关键的设备之一，它的性能决定了弧放电的稳定性及束流引出的品质。为提高弧放电稳定性，降低电网容量，减少对电网的冲击，弧电源拓扑设计采用了基于超级电容储能和开关电源技术的DC／DC变换器结构。利用多个IGBT功率模块并联工作，可提高电源工作频率，实现更快的动态响应速度。在详细分析电源工作过程的基础上，设计了滤波电路和电流快速转移电路，根据电源的要求和具体参数，由一阶RL电路的电流响应特性，精确计算出滤波电感的最小值。最后，利用Matlab对电源性能指标进行了仿真验证，结果表明电源性能完全符合设计要求。

超级电容；弧放电；中性束注入；强流离子束；直流变换器

中性束注入［1］加热的原理是快中性原子注入到聚变等离子体后，通过电子电离、离子电离和电荷交换而被磁场捕获，被捕获的快离子与等离子体离子和电子发生库仑碰撞，将能量传给离子和电子，使等离子体的温度提高。与其他加热方案相比，中性束加热具有加热机制清楚、加热效率高、不受等离子体位型影响等优点。此外，中性束注入还可用来实现无感电流驱动，改善等离子体约束，加料和等离子体参数诊断等功能。在JET、TFTR、JT-60等几个大型托卡马克装置上，等离子体的中性束注入实验取得了令人瞩目的成果［2］。

中国环流器二号（HL-2A）装置已建成的1MW中性束注入辅助加热系统的弧电源采用传统的高压隔离晶闸管相控交流调压技术，该弧电源已为NBI离子源服务多年，取得了良好的效果。环流器二号的升级改造（HL-2M）将使用全新设计的5MW中性束注入系统。为降低电网容量和减少对电网的冲击，同时为达到更好的弧流稳定性和更快的动态响应，本文设计基于超级电容储能的高频开关型弧电源。

1 超级电容器

双电层电容器［3－4］（electric double-layer capacitors，EDLC）也称超级电容器，是近年来批量生产的新型储能器件，它的能量密度较传统的静电电容器大1个量级以上（图1），代表了能量存储领域的新方向，是较理想的峰值动力和快速充、放电储能器件。超级电容器作为一种新型储能元件，具有功率密度高（达1～10kW／kg）、循环使用寿命长（达10万次以上）、温度特性好（工作温度范围为－40～70℃）、充放电速度快、等效串联内阻（ESR）小等优势。

图1 不同储能元件的拉贡图Fig.1 Ragone plot of various energy storage elements

弧电源功率较大，额定功率为250kW，且为超长脉冲运行，需储能单元具有较大的功率密度和能量密度。短脉冲功率装置中最常用的脉冲电容器的能量密度太低，不能满足要求。储能动力电池，包括燃料电池、铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，功率密度不够（图1）。锂离子电容器具有锂离子充电电池负极和双电层电容器正极相结合的构造，具有较超级电容更高的能量密度，但市场产品还不够成熟，且等效串联内阻稍大。所以，选择美国Maxwell公司的Boostcap系列超级电容器作为弧电源的储能器件。

与锂离子电池相同，单体超级电容器电压很低，通常是由很多超级电容器单体通过串并联方式构成能量存储阵列。在大电流快速充电时，利用高效的电压均衡电路和充电控制电路可防止超级电容单体电压过充，还能降低隔离变压器和充电电路功率容量。

2 电路拓扑设计

5MW中性束注入的电源系统较复杂，主要包括放电电源、引出电源及辅助束线电源3大类，其电源系统连接在文献［5］中有详细介绍。弧电源的额定电流为1 500A，最高工作电压为150V，其主电路拓扑采用简单高效的Buck变换器［6］结构，如图2所示。初级能源采用单相市电供电，经过120kV绝缘的隔离变压器升压（AC 250V），二极管不可控整流和电容滤波后成为约300V的直流电，再由DSP控制Buck变换器对超级电容器组进行恒功率充电。超级电容器的充放电速度均很快，充电可在几十s内完成。考虑电网容量和充电电路成本，可适当延长充电时间，在HL-2A1个实验周期（约5～10min）内完成充电。

为提高弧电源的动态响应，达到更好的恒流效果，并减少体积、提高效率，需提高IGBT的开关频率。由于器件和散热条件的限制，在大电流工作时，IGBT的开关频率不能太高。若选择1 200V、2 400A的IGBT模块，在工作电流为1 500A，采用风冷散热时，其最高工作频率仅4～5kHz。为进一步提高开关频率，可采用多个容量较小的IGBT并联工作。若采用6个1 200V、600A的IGBT模块并联工作，平均工作电流为250A，在相同工况下，其工作频率将约达30kHz。

按照弧电源的参数：最大工作电压为150V，T为5s的脉冲工作平均电流I为1 500A，充电时超级电容最高电压为200V，放电时最低电压不低于160V，则超级电容最小容量C为：

设充电时间T为5min，采用恒功率充电，则最小充电功率为：

由于等离子弧放电物理过程复杂，伏安特性［7］为非线性，且存在负阻区，其电极两端的电压随弧放电过程而变化，所以弧电源采用电感滤波，不需滤波电容。设电源工作频率为30kHz，要求电流纹波系数小于2%，则可计算出滤波电感L最小值。

IGBT导通时，超级电容可视为恒压源，此时电路响应为一阶RL电路全响应；IGBT关断时，电感电流I通过二极管D续流，此时电路响应为一阶RL电路零输入响应。由于时间常数τ远大于T，滤波电感电压与电流波形可近似为图3所示的波形。

由式（3）和（4）可得：

式中：USC为超级电容电压；Uo为输出电压；D为占空比；R为等效负载电阻；Imax为最大电流；Imin为最小电流。取Imax＝1.01I，Imin＝0.99I，USC＝200V，R＝0.1Ω，T＝3×10－5s，I在100～1 500A范围内，电感最小值如图4所示。由于弧电源工作于平顶阶段时，平均电流大于500A，故L最小为0.12mH。与现有1MW中性束注入系统弧电源3mH的滤波电感相比，储能和电压过冲将显著减小，电源将有更快的响应速度。

图2 弧电源电路拓扑Fig.2 Topology of arc power supply

图3 滤波电感电压与电流波形Fig.3 Voltage and current waveforms of filter inductor

为更好地实现离子源的引出和离子束光学性能的匹配，防止加速极主高压加入时因等离子体密度过高而过流，要求弧电源的电流上升时间和下降时间均小于150μs。由于滤波电感的存在，电源输出电流的上升时间和下降时间不能满足要求，所以在输出端并联电流打坑电路。由IGBT7至IGBT10和其串联的电阻组成，利用IGBT快速开关的性质，使部分电流转移到电阻假负载上。其电流转移的比例称为打坑深度，IGBT开通时间称为打坑宽度，均由中性束控制系统给出。4个电阻值按等效负载电阻的2N倍取值（N＝0、1、2、3），通过对4个IGBT的通断编码控制，得到所需的电流转移比例。R5为压敏电阻，在电源出现故障时，为电感提供放电回路，保护电源。

图4 工作电流与最小滤波电感关系Fig.4 Relationship between working current and minimum filter inductance

电感L0、续流二极管D0和IGBT0及其基于DSP的控制电路构成了1个为超级电容充电的Buck变换器，在不同的时刻，采用不同的充电控制方法，达到最佳的充电性能。充电初期，由于超级电容电压低，可使用大电流快速充电，以节省充电时间；在超级电容电压达某设定值后，改为恒功率控制［8］充电方式，以节省变压器和充电电路容量，降低成本；在最后阶段，使用恒压控制方式进行浮充充电，提高电能利用率，减少损耗，防止超级电容过充，影响使用寿命。

3 控制方法与电路仿真

弧电源的负载——桶式离子源是一非线性负载，伏安特性复杂，还存在负阻效应，其产生等离子的弧放电类型属于低气压非自持热阴极弧光放电。不同的离子源由于灯丝形状、尺寸、数量、位置和排列方式等不同以及磁场场形、强度不同，其伏安特性差别很大，且运行过程中还会受气体压强、灯丝状态、外磁场、等离子密度等因素的影响［9］。因此，弧电源一般采用闭环控制方式，以满足系统对响应时间和稳定性的要求。

随着弧放电的持续，超级电容电压将会下降，弧电源必须实时调整IGBT的开通时间，以保持输出稳定。由此，在传统的对弧电压和电流采样反馈闭环控制基础上，加入了超级电容电压前馈的双闭环控制方式。

托卡马克磁约束受控热核聚变实验装置的电磁干扰十分严重，且弧电源工作于120kV隔离的高压平台上，在主高压加入时dU／dt很大，对控制系统抗干扰能力要求很高。为此，弧电源控制系统采用DSP＋FPGA的全数字控制方式，中性束系统控制管理信号与弧电源连线全部采用光纤通信，如图5所示。电源内部的超级电容电压、输出电压、输出电流经采样和A／D转换后送给DSP芯片进行PWM计算。为实现恒等离子密度控制，电源预留一路模拟光纤输入接口，用于离子源密度测量的朗缪尔探针信号输入。

图5 弧电源与控制管理系统信号线连接Fig.5 Signal lines of arc power supply connect with control and management system

根据电路拓扑和元器件理论计算，利用Matlab建立主电路仿真。图6为设定工作电流为1 500A、负载等效电阻为0.1Ω时的弧电压和电流仿真波形，其中打坑深度为50%，打坑宽度为2ms。由于滤波电感的影响，弧电源的电流变化较慢，上升时间约为1.5ms。为配合其他电源实现中性束光学性能的匹配，防止在加速极高压投入时因为放电室等离子密度过高而出现过流保护，在加速极主高压投入时必须先启动弧电流打坑，再按时序依次投入其他电源。

图6 输出电压和电流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of output voltage and current

4 结语

对于大功率电弧，实现稳定的闭环控制难度较大。传统的弧电源采用晶闸管相控调压及50Hz的工作频率，动态响应很慢。根据对弧流取不同的反馈量，尝试了恒流、恒压、恒功率、恒密度［10］等多种控制方式，效果均不是很理想。为增强弧流稳定性，一些文献中采用增加电源内阻、串入饱和电抗器、增大滤波电感等措施，以增加闭环控制的稳定性，但这将使电源动态响应进一步变慢。本文采用开关电源技术，采用PWM控制方式，极大提高了电源的动态响应速度，改善了电源的闭环控制性能。

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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

阳璞琼（1980—），男，湖南双峰人，讲师，博士研究生，从事电力电子技术及大功率脉冲电源技术等研究