大功率测试平台的运行分析与升级方案设计

摘要

中国科学院等离子体物理研究所大功率测试中心是由科技部投资建设，满足国际合作项目ITER电源设备的各种相关测试，是我国最大的直流测试平台。为了进一步完善和拓展其测试能力和范围，本文针对其大功率直流测试、ITER极向场交流器集成测试、无功补偿及滤波系统测试等三大平台的运行特性、谐波分布、过流过压故障等问题进行了深入研究。主要工作内容及创新点如下:
　　1)、基于大功率变流系统理论，建立了脉冲直流电流输出的变流器等效模型。以此为基础，分析了多变流器并联输出特性，以及多变流器并联运行时的换向耦合影响;进行了变流系统和无功补偿系统联合进行短路试验的可行性研究，提出了开环结合闭环的预测无功控制策略而提高响应速度，改善了冲击性无功负荷和电网电压跌落;对于串联模式下的短路冲击测试，考虑等效三相短路的非正常换相状态，给出了大电流下非正常换相时系统的负载特性曲线。等效暂态模型的准确建立，保证了短路冲击测试安全可靠运行，设计完善的测试流程。联合运行分析以及控制系统的改进，最大化的利用了现有资源优化系统测试。
　　2)、提出一种时域分段法，将复杂的PF变流器谐波问题转换成简单函数的代数和求解，分别计算了三种运行模式下的谐波分布，并且进行了仿真和实验分析和对比。对比分析了串联顺序控制和对称控制策略下，ITER PF电源串联系统电网电流的谐波特性。前者在改善系统无功功率消耗的同时，也大大降低了系统的THD含量。极向场电源系统的谐波计算不仅可以评估其对电网及其他设备的影响，也为滤波系统的选型与设计提供了参考;也为未来串联系统的谐波抑制相关的控制优化指明了方向。
　　3)、针对直流测试平台常见的过流故障和过压故障，进行了理论分析和仿真对比，尤其是最严重的几种过流故障的电流冲击值的计算。根据以上各种故障分析，针对性的提出了相应的保护措施，设计了各种保护动作流程。最后给出了系统的连锁保护机制。为系统测试安全可靠运行提供了一系列的安全保障。
　　4)、针对直流测试平台升级要求，初步确定变压器的基本参数;进行了晶闸管的选型研究，通过结温计算和热效应校验，确认选型结果。校验了升级方案在串联和并联模式下的稳态和短路输出电流能力。完成了升级直流测试平台的可行性研究，为未来的升级改造提供了支撑。

目录

声明

摘要

1．1．1 ITER项目简介

1．1．2 ITER电源系统

1．1．3 ITER极向场电源采购包

1．2 国内外研究现状

1．2．1 Tokamak装置极向场电源

1．2．2 Tokamak装置无功补偿及滤波系统

1．2．3 大功率直流测试平台

1．3 课题研究难点及意义

1．4 研究内容及结构编排

第2章 大功率电气设备测试中心

2．1 供电系统

2．2 大功率直流测试平台

2．2．1 直流测试平台拓扑结构

2．2．2 直流测试平台运行模式及特点

2．3 ITER极向场变流器集成测试平台

2．3．1 ITER极向场变流器拓扑结构

2．3．2 ITFR极向场变流器运行模式及特点

2．4 无功补偿及滤波系统测试平台

2．5 小结

第3章 直流测试平台短路测试分析

3．1 直流测试平台的系统分析

3．2 直流测试平台并联模式下短路测试分析

3．2．1 单平台短路冲击测试分析

3．2．2 联合无功补偿系统运行的系统分析

3．2．3 联合运行的优化设计

3．3 直流测试平台串联模式下短路测试分析

3．3．1 串联模式下的非正常换相

3．3．2 负载特性分析

3．3．3 仿真分析

3．4 小结

第4章 ITER极向场变流器的谐波分析

4．1 ITER极向场变流器电路分析

4．1．1 环流模式

4．1．2 单桥模式

4．1．3 双桥模式

4．2 ITER极向场变流器的谐波分析

4．2．1 整流变压器网侧和阀侧电流关系

4．2．2 电流谐波分析

4．2．3 仿真与实验分析

4．3 ITER极向场变流器串联系统的谐波分析

4．3．1 串联顺序控制在系统中的应用

4．3．2 不同控制策略下的谐波对比分析

4．4 小结

第5章 直流测试平台故障分析及保护措施

5．1 过流故障分析

5．1．1 外部故障

5．1．2 内部故障

5．2 过压故障分析

5．3 保护措施

5．4 小结

第6章 直流测试平台升级方案设计

6．1 总体方案论证

6．2 整流变压器参数设计

6．3 晶闸管选型

6．3．1 电压等级选择

6．3．2 并联数目计算

6．4 升级方案运行校验

6．4．1 整流器并联校验

6．4．2 整流器串联校验

6．5 直流测试平台与PF变流器联合运行

6．6 小结

7．1 全文总结

7．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果