鄭 雪，李維斌，陳俊宏，王雅麗

（核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610225）

0 引言

HL-2M裝置是我國新一代磁約束核聚變裝置，也是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)要求最高的先進托卡馬克裝置，主要用于等離子體物理實驗及其聚變工程技術(shù)研究。穩(wěn)定的等離子體放電是開展高質(zhì)量物理實驗的主要基礎(chǔ)。等離子體的約束、加熱和控制分別通過環(huán)向場（TF）線圈、中心螺線管（CS）線圈和極向場（PF）線圈等產(chǎn)生的磁場作用而表現(xiàn)的，其中D形分布的16組PF線圈主要控制等離子體的截面位形和位移，PF7線圈需要兼顧與等離子體位形和垂直不穩(wěn)定性的控制。在拉長三角形變偏濾器位形（實現(xiàn)核聚變的優(yōu)化位形）下，存在大而快的等離子體沿著垂直方向（向上或向下）快速離散的一種邊緣局域模（edge localized mode，ELM）現(xiàn)象[1]，需要進行有源反饋控制。國內(nèi)國際上的許多裝置主要采用以IGBT全橋逆變或者晶閘管全橋整流為基礎(chǔ)的電源來控制等離子體垂直不穩(wěn)定性的主要手段，但均面臨著高頻率與小紋波性能無法兼顧的問題。本文設(shè)計了一種24脈波變流器，在兼顧電壓紋波小的同時一定程度上提升了輸出頻率。其由雙星形聯(lián)結(jié)繞組發(fā)電機（簡稱“雙Y發(fā)電機”）供電，并通過變壓器一次側(cè)進行移相，不僅滿足了雙Y發(fā)電機的特殊性要求，而且簡化了電路，節(jié)約了成本。值得研究的是，如果PF7線圈電源的電流正負分布嚴(yán)重不對稱，則需要電源進行相應(yīng)的快速響應(yīng)，及時輸出所需要的電流。

1 雙Y發(fā)電機供電的24脈波變流器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的變流器采用兩組24脈波變流器并以正、負兩組帶環(huán)流的方式聯(lián)合運行，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，負載為阻感負載。

圖1 24脈波變流器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the 24-pulse converter

由于發(fā)電機為兩個星形聯(lián)結(jié)繞組結(jié)構(gòu)，具有30°的相位差，所以在變壓器設(shè)計和變壓器與整流橋配對上有一定的設(shè)計難度，需要充分利用發(fā)電機雙星形聯(lián)結(jié)繞組的特殊性。

1.1 雙Y發(fā)電機

本設(shè)計所采用的雙Y發(fā)電機容量為300 MVA，頻率范圍為70～110 Hz，輸出形式為雙Y繞組互錯30o[2]，工作方式為脈沖供電。發(fā)電機組的主要工作原理如下：以相對較小功率在較長的時間內(nèi)從電網(wǎng)吸收能量并將整個機組軸系逐漸地加速到額定轉(zhuǎn)速，把電能轉(zhuǎn)換成機械能儲存在機組軸系中；當(dāng)需向負載供電時，發(fā)電機以數(shù)十倍的功率放電，將儲存在機組軸系中的機械能被轉(zhuǎn)換成電能提供給負載。表1示出該雙Y發(fā)電機的部分參數(shù)。

表1 雙Y發(fā)電機參數(shù)Tab.1 Parameters of the double Y motor-generator

1.2 移相變壓器

電力變壓器高、低壓繞組的線電壓既可以同相位，也可以移相30 °的倍數(shù)角度；而移相變壓器可以進行任意角度的移相，所以在多脈波二極管和多脈波晶閘管整流電路中應(yīng)用較多。在這些電路中，運用移相變壓器不僅可以實現(xiàn)多脈波輸出，同時也可以消除諧波。

對于三相移相變壓器來說，可以采用一次側(cè)為延邊三角形聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，也可以采用二次側(cè)為延邊三角形聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)[3]。本文的移相變壓器一次側(cè)為延邊三角形聯(lián)結(jié)，二次側(cè)分別為三角形和星形聯(lián)結(jié)（圖1）。其中一次側(cè)繞組由匝數(shù)為N1和N2的兩部分線圈組成，N2線圈采用三角形聯(lián)結(jié)方式，每一相分別與N1線圈進行串聯(lián)，構(gòu)成延邊三角形聯(lián)結(jié)。二次側(cè)繞組由匝數(shù)為N3和N4的兩部分線圈組成，N3線圈為三角形聯(lián)結(jié)，N4線圈為星形聯(lián)結(jié)。

圖2 三相移相變壓器繞組聯(lián)結(jié)圖Fig.2 Connection diagram of the windings of three-phase shift transformer

由圖2所示的繞組連接方式可以畫出其相量關(guān)系（圖3），其中δ為一次側(cè)的移相角度，E表示電動勢。

圖 3 三相移相變壓器相量圖Fig.3 Vectogram of the three-phase shift transformer

繞組電動勢與移相角的關(guān)系如式(1)所示：

而電動勢與匝數(shù)成正比：

將式(2)和式(3)代入式(1)，則有

所以，當(dāng)移相角和變比已知時，可以得出匝數(shù)的大小。

圖4示出移相變壓器的相量圖。圖4（a）為一次側(cè)移相+7.5°、二次側(cè)為三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)的移相變壓器相量圖；圖4（b）為一次側(cè)移相-7.5°、二次側(cè)為三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)的移相變壓器相量圖。

圖4 移相變壓器相量圖Fig.4 Vectogram of phase-shifting transformer

2 變流器工作模式

雙Y發(fā)電機分別向4臺三繞組變壓器（T1～T4）供電[4-5]。變壓器均采用一次側(cè)移相，二次側(cè)繞組分別為三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)，T1和T3一次側(cè)移相+7.5°，T2和T4一次側(cè)移相-7.5°；4臺三繞組變壓器輸出接8個全橋整流橋，分為正負兩組變流器。T1和T4接到0°移相的Y發(fā)電機，T2和T3接到30°移相的Y發(fā)電機，由此可得出4臺變壓器二次側(cè)相位情況（表2）。

表 2 變壓器相位表Tab.2 Phases of the transformers

如圖5所示，實心的4個整流橋為正組變流器，串聯(lián)之后可以得到24脈波的輸出；另外4個整流橋為負組變流器，串聯(lián)之后也可以得到24脈波輸出。對同相位的兩個變壓器二次側(cè)繞組所連接的全橋整流橋進行反向并聯(lián)，反向并聯(lián)的2個整流橋分別屬于正組變流器和負組變流器。正組整流橋與變壓器接線如圖5（a）所示，負組整流橋與變壓器接線如圖5（b）所示。可以看出，無論是正組整流橋還是負組整流橋投入工作時，4臺變壓器均被接入電路，變壓器負荷均衡，同一個變壓器的2個二次側(cè)繞組分別連接正組整流橋和負組整流橋；4臺變壓器只有2種連接組別，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，且變壓器成本可以得到控制。

圖 5 24脈波變流器工作模式Fig.5 Working modes of the 24-pulse converter

當(dāng)電流大于零時，僅正組變流器投入工作；當(dāng)電流小于零時，僅負組變流器投入工作；當(dāng)電流趨近于零時，設(shè)定一個電流過零窗口。為了使得電流可以平滑過零，正負組變流器在過零窗口同時投入工作，即帶環(huán)流運行。鑒于雙Y發(fā)電機的特殊性和變流器的控制方式，此種拓撲具有以下幾個優(yōu)點：

（1）變壓器容量小且負荷均衡。

（2）不論哪種工況，發(fā)電機和網(wǎng)側(cè)負荷都均衡。

（3）當(dāng)某個整流橋發(fā)生故障而引起環(huán)流失控時，只影響與故障整流橋反向并聯(lián)的整流橋，最大限度地保護了其他整流橋。

（4）當(dāng)發(fā)生環(huán)流時，雖然環(huán)流會流過發(fā)電機的兩個星形繞組，如圖5（c）所示，但由于雙Y發(fā)電機具有較大的阻抗，因此可以有效地抑制環(huán)流，減小環(huán)流對回路的影響。

（5）變流器可以進行四象限運行，以滿足更多的運行工況需求。

（6）變流器可以實現(xiàn)電流平滑過零，電流、電壓連續(xù)可調(diào)。

3 控制策略

24脈波變流器的作用是在等離子體的垂直位移發(fā)生偏移時，對其快速響應(yīng)并及時修正偏移量。在實際運行過程中，等離子體的垂直位移是以電流的形式送入變流器控制系統(tǒng)并進行計算的，此電流可以按照給定的波形進行變化。因此在變流器中加入負反饋模塊并采用PID算法對輸出電流進行實時監(jiān)測，一旦輸出電流偏離給定值，立刻對電流偏移量進行實時修正。

控制系統(tǒng)需要讀取負載電流數(shù)據(jù)、控制參數(shù)等，具體步驟如下：讀取負載電流數(shù)據(jù)，與給定值進行對比，并將結(jié)果送入PID模塊進行計算，將所得到的晶閘管控制角信號送入晶閘管觸發(fā)電路，最終得到與給定值相同的負載電流（圖6）。

圖 6 24脈波變流器控制流程圖Fig.6 Control flow chart of the 24-pulse converter

對仿真模型中PID參數(shù)進行選擇：首先，為電路設(shè)計負反饋環(huán)節(jié)，將負載電流id作為輸出采樣值與給定值進行比較；其次，去除PID控制器模塊中的積分項（I）和微分項（D），使控制器為純比例（P）調(diào)節(jié)控制方式，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，或從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，即P=10。在確定控制器的比例參數(shù)P后，先設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)I（一般取比例系數(shù)的十分之一），將給定信號設(shè)置為常數(shù)直流輸出（此處設(shè)為10 kA），觀察輸出電流波動Δi情況（表 3）?？梢钥吹?，在P=10的條件下，I=0.1和I=0.08時，可以完全消除靜差。最終參數(shù)選取P=10，I=0.1。

表 3 不同積分時間常數(shù)時的電流波動情況Tab.3 Fluctuation of current under different integral coefficient

當(dāng)電流為正時，控制系統(tǒng)解封正組晶閘管、封鎖負組晶閘管，并將計算得到的晶閘管控制角信號送入正組晶閘管觸發(fā)電路；當(dāng)電流為負時，控制系統(tǒng)解封負組晶閘管、封鎖正組晶閘管，并將計算得到的晶閘管控制角信號送入負組晶閘管觸發(fā)電路。理想情況下，在電流過零時，正、負組變流器可以進行理想切換，使得電流可以平滑過零。實際應(yīng)用時，由于信號延時、開關(guān)器件動作不一致等因素，會造成因正、負組變流器切換不理想而導(dǎo)致的電流斷續(xù)情況的發(fā)生。為此，需要在控制過程中設(shè)置電流過零窗口期，即在-100～100 A電流范圍內(nèi)，當(dāng)電流趨近于零時，同時解封正、負組晶閘管。此時電流將分成兩部分：一部分流過負載，另一部分流過正、負組變流器，形成環(huán)流，此種方式被稱為邏輯帶環(huán)流模式。采用這種控制方式，在保證電流跟隨性的同時，還能夠使得電流平滑過零，從而保證變流器輸出質(zhì)量。

4 仿真驗證

對圖7所示的24脈波變流器拓撲進行Matlab仿真建模。采用電流反饋進行控制，設(shè)定一個給定電流，利用負反饋模塊進行實時控制，以保證輸出電流的跟隨性；當(dāng)輸出電流發(fā)生偏移時，PID算法將會對其進行修正。為了便于仿真與分析，假設(shè)所有開關(guān)器件均為理想器件，忽略變壓器的漏感和電阻，則發(fā)電機為可被等效為理想電壓源。采用電壓源模塊代替發(fā)電機，一共有4個電壓源模塊，模塊頻率為100 Hz，輸出電壓為3 000 V。其中，2個同相位模塊(0°)用于模擬發(fā)電機Y繞組1；另兩個同相位模塊(30°)用于模擬發(fā)電機Y繞組2。

圖7 24脈波變流器Matlab模型Fig.7 Simulation model of the 24-pulse converter

變壓器為一次側(cè)移相變壓器，其與變流器的連接方式與圖1的相同，負載參數(shù)被設(shè)置為R=7.5 mΩ，L=7.3 mH。圖8所示為變流器觸發(fā)電路[6]，其中α為觸發(fā)角信號，可以通過改變α來改變輸出電壓；block為封鎖/解封鎖信號，0表示解封鎖，1表示封鎖。

圖8 觸發(fā)電路模塊Fig.8 Trigger circuit

當(dāng)電流大于零時，正組變流器工作；當(dāng)電流小于零時，負組變流器工作；當(dāng)電流即將過零時，采用邏輯帶環(huán)流模式工作，正、負組變流器被同時開啟。設(shè)置在電流過零時間窗口內(nèi)發(fā)生環(huán)流，采用負反饋調(diào)節(jié)。設(shè)定一個給定電流作為負反饋的參考值，采用PID控制對輸出電流進行采樣，與給定電流進行比較，將輸出電流偏離給定電流的偏移量送入PID模塊，經(jīng)過計算之后，得到變流器觸發(fā)角α，將觸發(fā)角送入觸發(fā)電路模塊。

圖9（a）為輸出電流和給定電流的仿真波形，可以看出，輸出電流波形和給定電流波形基本重合，電流具有很好的跟隨性，紋波率僅為1.1‰。圖9 （b）為電流過零處的放大波形，可以看出，電流過零波形十分平滑。得益于PID控制算法，輸出電流能夠快速響應(yīng)并且具有較好的跟隨性。

圖9 24脈波變流器電流仿真波形Fig.9 Simulated current waveforms of the 24-pulse converter

由于發(fā)電機兩個星形繞組之間的電抗非常大，可以起到平衡電抗器的作用。圖10示出該變流器給定電流、輸出電流、輸出電壓和過零處的環(huán)流仿真波形，可以看出環(huán)流最大值只有2 kA左右。如果在電路中添加平衡電抗器，其環(huán)流值將會更小。

圖 10 24脈波變流器電流、電壓、環(huán)流仿真波形Fig.10 Simulated waveforms of current, voltage and circulating current of the 24-pulse converter

5 結(jié)語

本文提出并設(shè)計了一種由雙Y脈沖發(fā)電機供電的級聯(lián)24脈波四象限變流器。采用這種拓撲具有以下優(yōu)點：變壓器與網(wǎng)側(cè)負荷均衡，變壓器負荷?。?個變壓器只有兩種結(jié)構(gòu)，節(jié)省成本；在發(fā)生環(huán)流失控時可以有效地保護整流橋；所采用的控制方式可實現(xiàn)大電流無環(huán)流運行，小電流邏輯有環(huán)流運行，電流具有很好的跟隨性；采用正負組聯(lián)合運行的方式可以實現(xiàn)四象限運行；發(fā)電機雙Y之間較大的阻抗可以有效抑制環(huán)流，平衡電抗器可以很小。仿真結(jié)果驗證了這種變流器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于雙Y發(fā)電機特殊供電條件的可行性，能夠滿足HL-2M裝置對等離子體垂直不穩(wěn)定性控制的需求，為下一步的工程實施提供了堅實的基礎(chǔ)。