华中科技大学电气本科生毕业设计开题报告1

课题的来源与目的能源问题能源是人类文明得以继续维持和发展的基础。现代人类的一切衣食住行，无不与某种形式的能源密切相关。在过去的一个世纪里，现代社会对能源的需求不断地增加，能源的结构也在不断地发生变化。图1-1过去100多年世界能源结构变化[1]图1-2过去100多年世界能源消费变化[1]然而地球上可以提供的能源资源是有限的，除了可再生的水力、风能等资源外，一切化石燃料资源如石油、煤炭、天然气和其它可燃气体，都只能越用越少，有的已接近枯竭。地球上的人口越来越多，而人的寿命越来越长，人均能源消费越来越大。这样发展下去，能源问题早晚都会成为制约人类进步的最大阻碍。科学家们早就意识到，要解决人类的能源问题，必须大规模发聚变能。聚变能则具有消耗燃料少，资源极其丰富，无污染，电站规模大（每个电站数百万千瓦）的优势，一旦成功，一个电站可以供百万人口以上城市的生产和生活需要。对中国和印度这些发展中大国来说，聚变能源是解决其发展问题的最合适的能源。所谓聚变是指两个轻核聚合反应成较重的原子核的过程。这一过程中发生了质量亏损，会释放大量能量。聚变反应仅在两个轻核非常接近时才能产生，此时其相互吸引的核力将大于库仑排斥力。要达到这样的距离，要求两个原子核相互以很大的速度对撞。一个由大量粒子组成的系统，如果每个粒子都具有很大的动能，那么这个系统就具有极高的温度。所以，聚变反应必须在热核条件下才能实现。显然，氢及其同位素带电荷最少，库仑排斥力也最小；另一方面，在较易达到的能量区内，氘和氚的反应截面较其它轻核间的聚变反应截面都大[2]，其反应方程式为： （1-1）可见，氘氚聚变反应最容易发生，是我们能够最先实现的可控热核聚变反应。然而根据劳逊判据，对于这个反应，要实现能量的收支平衡，等离子体温度要达到10keV，相当于1亿K[3]，任何实物容器都无法承受如此高的温度。因而，要实现聚变能的和平利用，首先要解决的就是等离子体的约束问题。托卡马克与偏滤器磁约束聚变的根本思想是利用人工产生一定磁场来约束等离子体的运动，以实现氘氚燃料的准稳态燃烧。托卡马克装置是目前技术最为成熟的磁约束装置，基本原理是在环形等离子体中通过大电流感应产生的极向磁场跟很强的环向磁场结合起来以实现等离子体的位形平衡。托卡马克装置的结构相当简单，它主要由激发等离子体电流的变压器、产生纵磁场的线圈、控制等离子体柱平衡位置的平衡场线圈和环形真空室组成,如图1-3所示。但是它的约束效果是目前所有磁约束方案中最好的，可以获得更高的等离子体参数，因而对它的研究也最为广泛。图1-3托卡马克的结构示意图偏滤器是现代托卡马克的重要组成部分。在聚变燃料中难免会混入杂质离子，对等离子体的约束造成影响。偏滤器可以产生一个特殊的磁场位形，在主约束区与真空室壁之间形成一个称为刮离层的中间区域，将杂质离子引入特殊靶室复合为中性原子或分子后排出。随着技术的发展，现代偏滤器的作用已不限于杂质控制，可以说其主要功能是控制等离子体流出的热量和粒子流，有目的地让其沉淀在偏滤器的靶板区内。这样一来，主真空室所受到的热负荷将大幅减少，带电粒子对主真空室的溅射也大大降低，托卡马克中等离子体的参数和反应堆的经济性能都将有所提高。因此，先进的偏滤器设计和实验验证已是目前托卡马克研究的一个重要内容。J-TEXT装置J-TEXT是华中科技大学建造的中型常规托卡马克装置，前身为美国德州大学的TEXT装置。2003年美国德州大学将其赠予华中科技大学，2004年开始拆运回国，并于2006年完成了装置的重建和调试工作，2007年获得第一等离子体，进入了正常的放电运行。J-TEXT托卡马克装置主要设计参数为：大环半径1.05m，等离子体截面半径0.27m，纵场磁感应强度3.0T，等离子体电流350kA，等离子体密度为3×1019m-3，中心电子温度1keV[4]。装置具备有偏滤器线圈，除进行常规托卡马克等离子体物理研究以外，还可以进行偏滤器位形的研究。但是由于偏滤器相关的部分尚未安装调试完成，故这方面的实验暂时不能全部开展。本装置具有结构紧凑、运行经济、实验灵活和可以稳定频繁放电的特点，特别适合于作为教学装置培养聚变人才以及托卡马克物理的基础实验研究。课题的来源J-TEXT装置的偏滤器部分由于缺乏配套的电源系统而不能运行，直接影响了偏滤器位形等离子体的获取，使得这一方面的实验无法展开。本次设计主要通过理论推导与计算，对该偏滤器的电源系统进行初步的设计，并利用计算机对其运行状况进行仿真。本设计的设计过程与结论可以对J-TEXT装置偏滤器电源系统的设计起一定的指导作用，同时也可以为其它类似的电源系统的设计提供一定的参考。

国内外研究状况国外研究状况1955年前苏联库尔恰托夫研究所阿奇莫维奇等人建成世界上第一个托卡马克，同时在各个国家独立开展的受控聚变研究的困难逐步被认识，研究方法和结果不断被公开，使受控聚变从秘密的各个国家单独开展的研究成为世界性的研究课题。1968年前苏联报道了其T-3托卡马克装置的离子温度超过1keV，在聚变界引起轰动。该实验结果归功于T-3的真空技术和真空室材料的改进，改善了等离子体的约束。T-3的实验结果极大地鼓舞了各个国家的装置建造，使托卡马克成为磁约束受控聚变研究的主要代表。与装置建造同步，辅助加热和偏滤器的概念得到大量演示并逐步得到运用，托卡马克的工程技术进一步提高。1980年，前西德ASDEX装置投入运行，并在1982年首次发现了H-模。ASDEX是世界上第一个具有偏滤器的中大型托卡马克，ASDEX的实验成果归功于偏滤器对杂质的抑制以及辅助加热(尤其是中性束注入)工程技术水平的提高。ASDEX装置上获得的H-模后来得到其它装置的证实，并成为ITER设计的主要运行模式之一。2006年11月21日，ITER的7个成员政府签署了合作建造ITER的协议，表明使用托卡马克建造聚变堆被认为是最有希望的途径。ITER计划采用了最先进的设计，综合了以往的经验和成果，虽然其运行还面临重重挑战，但是探索新的加热方式与机制为实现聚变点火、改善等离子体的约束性能、反常输运与涨落现象研究等前沿课题，偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关的研究将直接可以用于指导下一代示范聚变电站反应堆的运行和设计。国内研究状况我国的受控聚变研究始于上世纪60年代，1965年我国成立了第一个专业从事聚变等离子体研究的机构——核工业部585所(现核工业西南物理研究院，简称‘核西物院’)。核西物院在80年代以前开展了大量的聚变装置及其实验研究，建成的装置共计22个，其中包括异形截面托卡马克、仿星器、直线箍缩、反场箍缩、磁镜等，通过这些装置的研制及其实验，积累了磁约束聚变等离子体装置工程和物理实验的经验。在托卡马克装置研究方面，核西物院在1984年、1995年和2002年分别建成了HL-1、HL-1M和HL-2A等常规磁体的托卡马克装置。其中HL-2A是我国第一个具有偏滤器且等离子体截面具有一定形变能力的托卡马克装置。HL-1、HL-1M和HL-2A在各自的研制和运行时期为我国的聚变等离子体研究做出了积极贡献。中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7。HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向磁体超导的托卡马克实验装置，经等不断改进，它已成为一个庞大的实验系统。特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。在HT-7的基础上，等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U（后来名字更改为EAST），受国际同行的瞩目。后者普遍认为，EAST可能成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式，其工程建设和物理研究将为"国际热核聚变实验堆"（ITER）的建设提供直接经验和基础。国内聚变研究机构除上面两家单位外，我国目前从事聚变等离子体研究的单位还有华中科大、清华大学、中国科大等。

设计内容偏滤器的电源需求偏滤器在运行过程中可以等效为一个线圈，仅考虑电感和电阻。现将其相关参数和对电源的需求列于下表。表3-1偏滤器参数与电源需求电阻13mΩ电流25kA电感0.24mH电压400V电流形式直流工作周期0.5s/2min从以上参数中可以看出，偏滤器电源的运行时间短，工作电流大，是一种典型的脉冲功率电源。在这样大的电流下，很容易因为过大的di/dt而产生很高的过电压，危害人员和设备安全。因此其电源系统必须具有良好的保护。设计方案电源系统结构设计由于偏滤器线圈的最大电流为25kA，首先考虑由脉冲功率电机供电，其次也可以在电网允许承受的范围内经由电网供电。由于偏滤器对电压的稳定性有着较高的要求，故这里计划采用十二脉波整流的方案。脉波数越多，则整流电压谐波成分越少。十二脉波整流最大的谐波分量为12次谐波，其幅值仅有直流电压平均值的1.4%，故电压脉动很小。虽然继续增加脉波数可以使得谐波成分更小，但必然造成系统成本和复杂性。根据原TEXT装置中偏滤器电源的实际使用情况来看，采用十二脉波整流的方案已经能够满足电压稳定性的要求。该电源系统的初步设计结构如图3-1所示。其中，三绕组变压器通过适当的绕线方式（如YY0和Yd11）可以使两处低压端的输出电压相位互差30°，经过两个独立的六脉波全控整流桥后并联构成一个十二脉波整流器。通调节晶闸管的触发角α，可以让电源在一、四象限内的工作。图3-1偏滤器电源结构图3-1偏滤器电源结构断路器六脉波整流桥控制系统的设计电源的控制系统设计框图如图3-2所示，系统采用单电流闭环的控制方式。PIDPID限幅-IfcosαIcIr图3-2控制系统的原理框图由于偏滤器主要是用来控制磁场的，故最需要控制的是电流，因而需要对电流进行给定与反馈。PID控制器的性能很好，使用它来通过误差计算输出控制角的余弦值，可以调节输出电压的平均值，进而调节输出的电流大小。保护系统的设计电源系统在运行过程中可能遇到的故障状况见下表：表3-1可能的故障情况电源失压/断流输出过压/过流晶闸管/熔丝损坏温度过高对应不同的故障情况，设计不同的保护策略是本次设计的又一重点。此外，为了保护负载，可能还需要增加相应的设备。比如对应某些突发情况，需要紧急停车，但整流器不能够推逆变，这时可以通过一组开关旁路来为偏滤器续流，以保障设备安全。仿真软件目前常用的电力电子仿真工具有很多，如PSPICE，Saber，Matlab等。ORCADPSPICE是ORCAD公司推出的基于SPICE的电路仿真软件，它有许多优点，比如能够对电路进行直流、交流和瞬态分析，能够对数模混合电路进行仿真，仿真结果观察方便。但是，它也有一些明显的缺点：PSPICE器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件不尽适用；PSPICE采用变步长算法，可能导致计算时间的延长，有时甚至不收敛。Saber是Synopsys公司开发的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，因而其仿真速度快、应用广泛。Saber较好地解决了仿真过程中的收敛问题，但其最大的缺点就是系统过于复杂，正确的仿真结果依赖于完善的仿真模型，主要用于系统级仿真。Matlab在进行电源仿真的过程中，是以描述功率变换的状态方程为基础的。有了状态方程，电路很容易用Matlab中的Simulink里的函数模块来表述，而且各种控制算法容易实现，而不必应用实际的元器件模型，减小了仿真运算的难度。如果Simulink结合PLECS工具箱使用专门的仿真元件，还可以大大缩短仿真时间，提高仿真精度。综上所述，本次设计中计划使用Matlab软件来进行仿真。预期结果（1）通过计算，整定出晶闸管、缓冲器、电抗器等元件的参数；（2）利用Matlab进行建模，得到系统模型；（3）利用系统模型进行仿真，得到输出电压和电流在正常运行以及保护动作下的波形。

研究计划周次 内容1~2 查阅资料与相关文献3~4 撰写开题报告，进行开题答辩4~6 了解偏滤器及其电源的工作原理6~9 学习大功率整流器的控制保护和仿真的方法8~13 学习罗柯线圈测量脉冲电流的原理的方法10~15 设计J-TEXT装置电源系统并进行仿真15~16 撰写论文16~17 论文答辩主要参考文献[1]何冠明，何国正.我国石油资源和可持续发展战略问题研究.能源研究与利用，2006,06:6-