HL-2M 装置供电系统研制
发布时间：2021-11-23
摘 要：为满足 HL-2M 装置的供电需求，须配套建设相应的供电系统。通过仿真计算 HL-2M 装置的总体供电需求，考虑到 HL-2A 装置现有的供电系统设备，提出了兼顾 HL-2A 和 HL-2M 装置供电需求的总体配置方案。介绍了国内首台 300MVA 立式交流脉冲发电机组、磁体电源、高压电源和电源控制系统的研制情况。
关键词：HL-2M 装置;脉冲发电机组;磁体电源;供电系统
1 引言
中国环流器二号 M(HL-2M)装置已于 2020 年底完成工程建设并实现初始等离子体放电，该装置的使命是提供灵活的实验平台开展与 ITER 物理和未来聚变堆相关的科学研究和工程技术研发[1]。供电系统是托卡马克装置中的重要子系统之一，其研发须基于装置的基本需求。ITER、JT-60SA、EAST 等装置的脉冲电源和配电系统由电网取电，为装置的超导磁体、二级加热系统、以及其他辅助设备供电。磁体电源系统包括大功率 AC/DC 变流器单元、开关网络单元、快速放电单元等，为装置的磁场线圈提高电流，用于等离子体击穿、电流和位形控制、误差场校正以及失超保护等功能[2, 3]。JT-60SA 的超导磁体电源采用了特殊的升压电源，在通常情况下处于旁路状态，但在击穿段和等离子体电流的上升段投入电源回路中，起到提升线圈电流变化率的作用[4]。KSTAR 的环向场磁体电源采用了 16 个并联的基于 IGBT 全桥逆变的模块，通过该方式改善了交流侧的输入波形质量，减少了输出电压和电流纹波，但这种方式造价昂贵[5]。
HL-2M 装置的磁体线圈电流最高达到 220kA，属于典型的脉冲大电流应用，考虑到经济性和可靠性，选用了基于二极管、晶闸管的大功率电力电子器件。本文主要介绍了该套新研制的 300MVA/1350MJ 脉冲发电机系统。
另外，HL-2M 装置建设在现有 HL-2A 装置的旁边，且两个装置将在未来一段时间内共存，供电系统的建设应兼顾两个装置的供电需求(非同时运行)，因此现有的HL-2A装置的供电系统设备也应尽量利用。
2 供电系统的容量和能量需求
HL-2M 装置的供电负荷分为常规负荷和脉冲负荷两类。常规负荷包括电动机、风机、水泵、真空泵、照明、辅助电源等负荷，这些稳态用电需求直接由电网提供，为此增设了 14MVA 的供电线路用于常规负荷供电。脉冲负荷包括由脉冲发电机组供电的磁体电源和二级加热系统高压电源，具有持续时间短、功率和能量密度高。
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HL-2M 装置的环向场线圈由 140 匝线圈构成，其参数为 5mΩ/32mH(包含线路电阻)。环向场(TF) 线圈电源应提供平顶达到 7s 的 140kA 电流。考虑到一定的工程裕量，TF 线圈电源需要 200MVA 的容量和 1300MJ 能量，如图 1a。中心螺线管(CS)和极向场(PF)线圈位于 TF 线圈和真空室之间，每个 CS 和 PF 线圈均采用独立的电源供电。在设计供电方案时，分别计算了孔栏、单零偏滤器和双零位形等多个放电方案，其中最大供电需求达到了 175MVA 和 850MJ，如图 1b 所示。除此之外，HL-2M 装置还需至少 27MW 的二级加热功率注入，对应的二级加热高压电源的容量和能量需求分别达到 90MVA 和 150MJ。考虑一定的工程裕量，CS、PF 和二级加热高压电源需要 300MVA 的容量和 1350MJ 的能量，需新建一台交流脉冲发电机组专门供电。图 2 给出了 HL-2M 脉冲电源系统供电原理图，其中两台 90MVA 机组专门为 TF 电源供电，在高参数运行时可将 125MVA 机组的输出通过电源叠加至 TF 电源回路，提供更快的电流变化率并维持平顶。新增的 300MVA 机组专门为 CS、PF 和二级加热负荷供电，考虑一定的灵活性，在装置低参数运行时，也可用 125MVA 机组为上述负荷供电。
3 300MVA 交流脉冲发电机组
在前期设计阶段，分别对卧式和立式两种结构的 300MVA/1350MJ 交流脉冲发电机组的电磁、机械结构、整体性能、可靠性和稳定性等方面进行了全面设计与评估，认为立式结构的发电机组在轴系稳定性、机械强度、整体结构、驱动电机、运行维护、占地面积、灵活性等方面具有优势，总体可实现性更优。因此，300MVA 发电机组最终采用了立式方案。
3.1 发电机的总体设计
300MVA 交流脉冲发电机组主要参数列于表 1 中，结构如图 3 所示。机组主体由同步发电机和异步电动机二段组成，发电机为立轴半伞式密闭自循环空气冷却六相凸极同步发电机，发电机采用三导结构，发电机主轴与电动机主轴通过法兰连接。
3.2 发电机供电的建模仿真
发电机的电磁参数设计直接关系到发电机的电气性能，影响电源输出品质。不同于常规发电机的稳定负荷，300MVA 交流脉冲发电机组的负荷是托卡马克装置磁体线圈电源和二级加热高压电源等高功率冲击性负荷，因此发电机的电磁参数需开展针对性设计。例如，较低的发电机输出电抗有助于提高晶闸管变流器的逆变深度，有利于等离子体击穿阶段的控制并降低变流器总体容量，然而在输出短路发生时，过低的输出电抗却是不利因素。为使发电机电磁参数更为优化且与整流负载的相匹配，除了常规电磁设计外，还重点开展了供电电源系统的各种模拟仿真研究。六相发电机的模型采用了一台三相发电机带一台理想三绕组变压器进行等效，首先利用现有的 90MVA 交流脉冲发电机组的实测数据验证了等效六相发电机模型的正确性，随后基于该模型开展了 300MVA 交流脉冲发电机组的空载、负载和短路特性研究，为 300MVA 发电机电磁参数的设计提供必要的参考数据[6]。
3.3 机组配套辅助系统
机组配套系统是保障交流脉冲发电机组安全运行的重要组成部分，主要包括调速系统、制动系统、励磁系统、综合控保系统、巡检系统、冷却系统、进出口开关、后备电源等。300MVA 交流脉冲发电机组采用了 8500kW 的绕线式异步电机作为拖动电机，而该电机配备了 6kV 定子侧交直交高压变频装置和转子侧滑差调节器两套调速系统，互为备用。励磁系统采用静态励磁方式，12 脉波双冗余变流器和氧化锌快速灭磁系统。在高转速段和低转速段分别配备了电气制动和机械制动系统。机组保护装置采用宽范围频率快速变化的自适应和模块归一化设计，发电机电压控制与装置放电控制进行实时网络数据通讯，逻辑控制系统与装置中央控制系统组成环网，集中控制与专业控制兼容，且与现场自动化及巡检系统组成多级控制。
3.4 机组的现场安装
由于机组直径达 10.6m，总重达到 800t，受限于运输条件，发电机定子机座、定子冲片、定子线棒、磁轭、磁极、上机架、下机架、转子支架、推力头、主轴、集电环、推力轴承等部分采用部件加工后在现场组装的方式，电动机在制造厂完成加工、组装和调试。在现场首先完成发电机定子(包括定子支架、定子铁心、定子线圈)和转子(包括转子支架、磁轭、磁极的组装)的组装，再进行机组总装。先后进行下机架与组合轴承安装，推力头与转子吊装，发电机上机架与导轴安装、主轴与集电环安装等，再进行电动机机座及电动机整体吊装。安装过程中的组装和焊接需要严格控制精度和质量，所有的焊接要进行 100%无损检测，部件及转子的安装水平度，垂直度及同心度要严格保证。在安装过程中还进行了磁化测试和绝缘测试以保证质量。在整体完成所有附属设备及配套系统安装后，机组就可以分系统测试和联合调试。
3.5 机组的调试
由于 300MVA 交流脉冲发电机组是中国首台大型立式脉冲发电机组，为了满足 HL-2M 装置的综合指标和特定供电要求，在电磁和机械上都采用了与常规水轮发电机组和冲击发电机不同的设计，其动平衡调试和性能测试是该机组调试的重点和难点。综合各种因素，该机组设计转速也接近大型立式发电机的极限转速。由于转子长，又采用三导钢轴结构，很小的质量偏差都会影响振摆值和三导间的平衡。机组在启动前的温度，也是影响启动后振动的重要因素，因为温度的不均衡和变化都会影响转子的质量分布，从而影响动平衡。通过反复调整，优化启动模式和通风条件后，不论采用变频器或滑差调节器都可以一次性将机组加速至额定转速，额定转速下的振摆指标达到 A 级标准，也通过了最高转速 540 r·min‒1的考核。预先针对双 Y 移相 30°的大功率脉冲发电机组制订了性能试验的调试方案和专项条件准备，在现场完成了所有性能试验，包括空载试验、稳态短路试验、电气参数测定、损耗的测定、飞轮力矩 GD2 测量、温升试验、通风试验、噪声测定、电磁参数测定和推力轴承试验等。为了重点考核六相发电机大电流输出能力，最后进行短路大电流冲击试验，在机组转速 498 r·min‒1进行励磁，脉冲方式短路测试 5.5s，定子电流达到额定值 29kA。机组已在 HL-2A 和 HL-2M 装置实验中投入运行，初步验证了其性能指标。
4 磁体电源
HL-2M 装置的磁体电源包括 TF 电源、CS 电源和 16 套 PF 电源。
4.1 TF 电源
TF 线圈电源是为 HL-2M 装置专门研制的，参数达到 1660V/140kA，结构如图 4 所示。八台二极管整流器由两套 90MVA 交流脉冲发电机组通过变压器供电。TF 电源的输出通过调节发电机的励磁实现，两台机组的励磁回路串联连接，确保两台机组的输出电压均衡。该方案的优势在于不需要对整流环节进行控制，仅控制发电机的励磁，整流器工作在自然换相点电压的波动小，有利于 TF 磁体线圈的匝间绝缘，但缺点是包含励磁回路和 TF 线圈两个大时间常数的惯性环节，控制调节的难度大。八台延边三角形移相±15°变压器可提供比星三角组合更好的阻抗对称性，变压器和整流器采用同相逆并联的结构，降低交流侧等效阻抗。另外，TF 电源还设计了专门的转接柜，可将八台并联二极管整流器分为两组，两组串联后可为 HL-2A 的 TF 线圈供电。转接柜还可实现正负极性的转换，方便开展的环向场反向实验。
4.2 CS 电源
CS 电源是 HL-2M 装置中电流参数最高(±750V/ ±220kA)的四象限有环流电源，其在变压器和变流器都采用了特殊的设计。图 5 给出了 HL-2M 装置 CS 电源原理图，变压器原边采用了延边三角形移相 ±15°的方式，尽量提高阻抗的均衡性。变流器总共由 8 个柜并联构成，每个柜内包含正、负桥各一个，因此正负桥的交流侧电缆可共用。每个桥臂由 8 只并联晶闸管组成，桥臂的均流系数经调整后可达 0.85 以上。由于 CS 电源并联柜数量较多，在电源故障时容易发生不均流，为此专门设置了正负两个旁通单元，在保护期间分别为两个方向的电流提供续流通路。每个旁通单元内包含 6 个桥臂，每个桥臂由 10 只晶闸管并联构成，旁通单元的晶闸管均流和桥臂均流在经过仔细调整后达到 0.8 以上。
4.3 PF 电源
总共由16套PF电源为16个PF线圈单独供电， PF 电源除了提供位形控制所需电流外，也提供部分环电压。在满足要求下兼顾可靠性和经济性，采用了 12 脉波晶闸管四象限变流器作为 PF 电源的主要拓扑，根据不同的位形的控制要求，PF7 和 PF8 采用不对称设计。PF 电源的参数列于表 2 中。
4.4 控制系统
晶闸管电源的移相控制系统基于 NI 7813R 的板卡进行开发，电源的开通、关断信号、控制角数值，通过反射内存网络从中央控制系统获取，移相控制系统再将脉冲触发信号发送至所有的晶闸管变流器。由于晶闸管变流器由脉冲发电机组供电，其输出频率随转速变化而变化，为了准确获取交流电压的同步信号，还开发了一套基于数字滤波的同步信号处理系统。在逻辑控保方面采用了基于 PROFINET 的环网结构，一旦正向路径受阻也可通过反向路径保证通讯，此外，重要的保护信号还通过点对点方式直接传输。
5 高压电源
HL-2M 装置将采用中性束、电子回旋、低杂波等多种二级加热手段，总加热功率将不低于 27MW。辅助加热系统的加速器或阴极电源采用脉冲步进调制高压电源供电，该电源具有占地面积小、保护响应快、控制精度高等优点。
6 结论
新研制的一套 300MVA/1350MJ 脉冲发电机系统与原三套发电机系统组成了 600MVA/2700MJ 的脉冲供电系统，总供电能力增加了一倍。新研制了 TF 电源、CS 电源和 16 套 PF 电源，单套电源最高参数可以达到±750V/±220kA，除 TF 电源外全部采用四象限有环流运行。供电系统的设计充分兼顾了 HL-2A 和 HL-2M 两个装置的供电需求，全部四套交流脉冲发电机组的多种组合供电方式可以满足 HL-2M 和 HL-2A 装置不同实验下的供电需求，具有很好的灵活性。TF 电源可通过转接柜实现极性转换和变流器串并切换，实现为兼容两个装置的 TF 磁体供电，部分 PF 电源也可以切换兼顾 HL-2A 或 HL-2M 装置磁体供电。目前部分设备已完成现场安装调试，并配合装置联调完成了 HL-2M 装置的初始放电，接下来将完善供电系统建设，逐步提升 HL-2M 装置运行参数。——论文作者：宣伟民，王英翘* ，李华俊，彭建飞，李维斌，李 青，HL-2M研制团队
