一种托卡马克等离子体破裂能量处理装置及处理方法

摘要

本发明公开了一种托卡马克等离子破裂能量处理装置及处理方法，所述能量处理装置包括压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元、逆变单元和控制单元；所述压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元依次并联在直流母线的正极和负极之间，脉冲电容单元的正负极与直流母线的正负极对应连接；所述逆变单元直流侧输入端的正极连接直流母线的正极，直流侧输入端的负极连接直流母线的负极。本发明主要应用于可控核聚变托卡马克等离子体破裂能量处理，具有储能、吸能、耗能与能量回馈再利用的多重处理功能，可有效的吸收和处理由与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂能量，实现托卡马克等离子体破裂防护与能量再利用。

说明书

技术领域

本发明属于能量处理领域，更具体地，涉及一种托卡马克等离子体破 裂能量处理装置及处理方法。

背景技术

在磁约束热核聚变中利用磁场将高温等离子体约束在环形真空室内做 圆周运动形成稳定的等离子体电流。高能量的托卡马克等离子体在发生破 裂失去约束时，电流快速下降，内能和电磁能量快速耗散，会对托卡马克 装置造成严重的损害。未来运行的托卡马克等离子体破裂内能和电磁能量 总和在千兆焦量级，对托卡马克装置而言是极大的安全隐患。利用能量处 理装置，结合与等离子体耦合的线圈，将破裂能量转移出真空室，由能量 处理装置对转移出的能量进行吸收和处理，可实现等离子体破裂故障防护。

而对于吸收和处理由与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂 能量而实现等离子体破裂防护的技术，国内外未见公开报道。

托卡马克等离子体破裂能量转移出来后的能量形式为大脉冲能量，因 此托卡马克等离子破裂能量处理装置必须具备承受大脉冲能量的能力；而 且未来的托卡马克装置等离子体破裂时能量巨大，若加以有效利用，则能 变废为宝，在能量回收再利用方面产生巨大的效益，因此托卡马克等离子 破裂能量处理装置若还具有能量回收的功能，则将对托卡马克等离子体破 裂能量回收再利用产生具体贡献，并将减少等离子体破裂时耗散在托卡马 克装置内部的能量，从而达到破裂故障防护目的。

发明内容

针对现有技术的以上需求，本发明提供了一种托卡马克等离子体破裂 能量处理装置及处理方法，其目的在于吸收和处理转移出来的等离子体破 裂能量，实现对托卡马克装置的等离子体破裂防护。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种托卡马克等离 子体破裂能量处理装置，包括压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元、逆变 单元和控制单元；

压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元依次并联在直流母线的正极和负 极之间；脉冲电容单元的正极连接直流母线正端，负极连接直流母线负端；

逆变单元直流侧输入端的正极连接直流母线的正极，直流侧输入端的 负极连接直流母线的负极；

控制单元第一输入端连接脉冲电容单元的电压信号输出端，用于接收 脉冲电容单元两端电压；控制单元第二输入端连接逆变单元的电流信号输 出端，用于在并网情况下接收并网电流信号，在脱网情况下接收负载单元 的电流信号；控制单元的第三输入端连接逆变单元的电压信号输出端，用 于在并网情况下接收电网的电压信号，在脱网情况下接收负载单元的电压 信号；

控制单元第一输出端连接逆变单元第一控制信号输入端，第二输出端 连接逆变单元第二控制信号输入端，第三输出端连接电阻单元的控制信号 输入端；当脉冲电容单元两端电压达到预设值，控制单元输出第一控制信 号使逆变单元的逆变桥触发导通；同时，控制单元输出第二控制信号，触 发逆变单元的并网开关导通，逆变单元开始工作实现单位功率因素逆变并 网；当脉冲电容单元两端电压低于最小工作电压，控制单元停止输出第一 和第二控制信号，逆变单元停止工作；当逆变单元停止工作或者直到破裂 结束，脉冲电容单元两端电压都没有超过预设值，控制单元输出第三控制 信号将电阻单元导通，开始泄放脉冲电容单元剩下的能量；

压敏电阻用于吸收能量，并将托卡马克等离子体破裂能量处理装置的 直流母线电压限制在大于压敏电压阈值且小于2.2倍压敏电压阈值范围内， 以实现对能量处理装置其他各单元的过电压保护。

脉冲电容单元用于储存经与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体 破裂产生的能量；

电阻单元用于当脉冲电容单元储能过少而达不到逆变单元的逆变条件 时，消耗脉冲电容单元储存的能量；并在脉冲电容单元因故障而不能工作 时，直接吸收转移出来的等离子体破裂能量；

逆变单元用于当脉冲电容单元的储能达到逆变条件时对脉冲电容单元 实施逆变以对等离子体破裂能量进行利用，包括脱网逆变或并网逆变；

控制单元根据脉冲电容单元两端电压与预设的逆变电压值的比较结果 控制逆变单元以及电阻单元的导通或关断。

优选的，电阻单元包括电阻和第一开关，第一开关的一端与直流母线 正极连接，另一端通过电阻与直流母线负极连接，第一开关的控制端作为 电阻单元的控制信号输入端。

优选的，脉冲电容单元由同型号的脉冲电容器并联而成，并联后的电 容值在0.3法拉以上；由于经线圈转移出来的等离子体破裂能量电流峰值达 几十千安，而单台脉冲电容器的通电流能力有限，因此采用脉冲电容器并 联形成脉冲电容单元，并联形成的脉冲电容单元电流通流能力远大于单台 脉冲电容器；而采用同型号的脉冲电容器是出于均流的考虑，避免因型号 不同导致电流流向某一个电容器烧坏该电容器；

优选的，压敏电阻的电流通流能力达到50kA，由同型号的压敏电阻并 联而成；其额定最大能量值根据托卡马克装置等离子体破裂能量确定，在 五万焦耳以上；采用多台压敏电阻并联是为了克服现有单只压敏电阻额定 最大能量以及散热能力的局限；采用同型号的压敏电阻并联主要考虑均流， 避免因压敏电阻型号不同导致电流流向某一个压敏电阻而烧坏该压敏电 阻；

优选的，所述电阻单元电阻由电阻率不小于0.7Ω·mm²/m的金属导体 并联而成，电阻值在0.5毫欧以上；由于能量处理装置对电感参数敏感，因 此不宜使用绕组线圈，也不宜使用过长的导体而导致较大的线路自感，同 时要求导体具有足够大的表面积以进行充分散热，因此电阻单元的电阻采 用大量金属导体并联而成。

优选的，所述逆变单元包括依次串联的三相逆变桥、三相滤波器、三 相隔离变压器和并网开关模块；三相滤波器的输出端用作逆变单元的电流 信号输出端；三相隔离变压器模块的输出端用作逆变单元的电压信号输出 端；三相逆变桥的控制信号输入端用作控制单元第一控制信号输入端，并 网开关模块的控制信号输入端用作控制单元第二控制信号输入端。

优选的，所述控制单元包括电流电压采集模块、DSP处理器模块、第 一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块；电流电压采集模块的第一输 入端用作控制单元第一输入端，接收脉冲电容单元的电压信号；电流电压 采集模块的第二输入端用作控制单元第二输入端，接收并网电流信号；电 流电压采集模块的第三输入端用作控制单元的第三输入端，接收电网电压 信号；DSP模块的输入端连接电流电压采集模块的输出端；DSP模块第一 输出端连接第一驱动模块的输入端，第一驱动模块的输出端用作控制单元 第一输出端；DSP模块第二输出端连接第二驱动模块的输入端，第二驱动 模块的输出端用作控制单元第二输出端；DSP模块第三输出端连接第三驱 动模块的输入端，第三驱动模块的输出端用作控制单元的第三输出端；

电流电压采集模块用于采集脉冲电容单元的电压，并网电流和电网电 压；DSP处理器模块将接收到的各电压电流信号与预设阈值进行比较，根 据比较结果处理输出控制信号；驱动模块用于放大由DSP输出的控制信号 以有效的触发各开关。

按照本发明的另一方面，提供了一种托卡马克等离子体破裂能量处理 方法，所述方法采用本发明提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装置， 具体如下：

(1)当托卡马克装置发生等离子体破裂时，接收并储存经与等离子体 耦合的线圈转移出来的等离子体破裂产生的能量；

(2)在储能过程中，当直流母线电压达到压敏电阻的压敏电压值时， 压敏电阻自动导通，对直流母线电压进行限制以保护后级电路，并吸收能 量；若直流母线电压小于压敏电阻的压敏电压，压敏电阻不动作；

(3)在储能过程中，当脉冲电容单元两端电压超过预设的逆变电压值， 通过逆变单元控制信号触发逆变单元开始工作，进行逆变以对等离子体破 裂能量加以利用，包括脱网逆变或并网逆变；在储能过程中，若脉冲电容 单元两端电压一直未超过预设的逆变电压，则逆变单元不工作，通过电阻 单元控制信号触发电阻单元导通，脉冲电容单元对电阻放电，将脉冲电容 单元储存的能量消耗掉，直至脉冲电容单元两端电压下降到零，进入步骤 (6)；

(4)逆变开始后，脉冲电容单元两端电压逐渐下降，直到脉冲电容单 元两端电压经逆变下降到最小逆变工作电压值，通过逆变单元控制信号关 断逆变单元，使之停止逆变；

(5)当逆变单元停止逆变之后，通过电阻单元控制信号触发电阻单元 导通投入工作，脉冲电容单元对电阻放电，将脉冲电容单元储存的剩余能 量消耗掉，直至脉冲电容单元两端电压下降到零；

(6)当脉冲电容单元两端电压下降到零，通过电阻单元控制信号断开 电阻单元；能量处理装置回复到初始状态。

优选的，托卡马克等离子体破裂能量处理方法中，预设的逆变电压值 与最小逆变工作电压值相等。

优选的，托卡马克等离子体破裂能量处理方法中，预设的逆变电压值 为40V～80V，最小逆变工作电压值为40V～80V；在该范围内取逆变电压预 设值和最小逆变工作电压值，既可最大限度的减少逆变结束后脉冲电容单 元里剩余的能量，又将逆变电压与电网电压的差值控制在合适范围内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

(1)由于本发明提供的能量处理装置采用脉冲电容单元，进行储能， 通过优化电容量使转移出来的等离子体破裂能量达到最大，从而使等离子 体破裂防护效果达到最优；配合电阻单元和逆变单元既可以实现能量逆变 再利用，又可以实现能量的有效耗散，对托卡马克等离子体破裂产生的能 量具有变废为宝、回收与再利用的作用；

(2)由于本发明提供的能量处理装置采用了压敏电阻，压敏电阻既可 对回路在等离子体破裂时可能出现的过电压进行限制，以实现对能量处理 装置其他各单元的过电压保护，又能起到吸收能量的作用；

(3)由于本发明提供的能量处理装置采用了逆变单元，可将等离子体 破裂能量并入电网，对于破裂能量加以应用；逆变单元还可直接连接负载 单元，将破裂能量耗散；

(4)由于本发明提供的能量处理装置的脉冲电容单元由多台脉冲电容 器并联而成，电流通流能力远大于现有的单台脉冲电容器，具备承受高达 几十千安电流峰值的能力，起到对等离子体破裂能量的吸收储存作用；储 能单元必须具有承受大电流峰值的能力

(5)由于本发明提供的能量处理装置的压敏电阻采用多个压敏电阻并 联而成，电流通流能力达到50kA，克服现有单只压敏电阻额定最大能量以 及散热能力的局限；

(6)由于本发明提供的能量处理装置的电阻单元电阻由电阻率不小于 0.7Ω·mm²/m的金属导体并联而成，电阻值在0.5毫欧以上；并联的导体具 有足够大的表面积以进行充分散热；

(7)由于本发明提供的能量处理方法结合了脉冲电容单元、压敏电阻 和电阻单元，三个单元既可以单独作用以处理等离子体破裂能量，又能相 互配合，再结合逆变单元，实现对托卡马克等离子体破裂能量的储能、吸 能、耗能与能量回馈再利用的多重处理功能；

(8)通过本发明提供的能量处理装置和与等离子体耦合的线圈配合， 可以可靠的吸收和处理转移出来的托卡马克等离子体破裂能量，减少耗散 在托卡马克装置内部耗散的能量，从而实现等离子体破裂防护；

(9)本发明提供的能量处理方法的优选方案中，预设的逆变电压值在 40V～80V范围取值；在该范围内取逆变电压预设值和最小逆变工作电压值， 既可最大限度的减少逆变结束后脉冲电容单元里剩余的能量，将托卡马克 等离子体破裂能量最大限度的应用；又将逆变电压与电网电压的差值控制 在合适范围内，便于逆变单元的并网逆变。

附图说明

图1是托卡马克等离子体破裂时等离子体电流波形示意图；

图2是经与等离子体耦合的线圈出来后的等离子体破裂能量波形示意 图；

图3是托卡马克等离子体破裂能量处理装置系统框图；

图4是本发明实施例1托卡马克等离子体破裂能量处理装置的使用状 态图；

图5是本发明实施例2托卡马克等离子体破裂能量处理装置的使用状 态图；

图6是本发明实施例1托卡马克等离子体破裂能量处理装置的控制方 法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

图1为托卡马克等离子体破裂时等离子体电流波形示意图，I_plasma为等 离子体电流，a时刻发生等离子体破裂，b时刻结束，整个等离子体破裂过 程在几个毫秒量级，等离子体电流在几毫秒内从兆安量级迅速下降到零。

图2所示为经与等离子体耦合的线圈出来的等离子体破裂能量波形示 意图，转移出来的能量为大功率脉冲形式，时间长度在14毫秒左右，由于 在极短的时间内接收极大的能量，逆变器难以对如此大的能量进行直接的 逆变并网再利用，需先对破裂能量进行储存再进行逆变；另外，该脉冲电 流峰值最大可达25kA以上，因此储能单元必须具有承受大电流峰值的能力。

图3所示为本发明实施例1提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装 置的系统框图，包括压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元、逆变单元和控 制单元；压敏电阻、脉冲电容单元、电阻单元依次并联在直流母线的正极 和负极之间；脉冲电容单元的正负极与直流母线的正负极对应连接。

实施例1的压敏电阻采用五个同型号的KPP-30-300高能氧化锌压敏电 阻并联，并联形成的氧化锌压敏电阻额定能量达150千焦耳；并联增大了 压敏电阻的通流能力以吸收大电流脉冲；在等离子体破裂阶段，如果能量 处理装置发生过电压，电压幅值大于压敏电阻的压敏电压，则氧化锌压敏 电阻导通，氧化锌压敏电阻开始工作，起限制过电压并吸收能量的作用。

实施例1的脉冲电容单元采用70台同型号的MKMJ2-5000脉冲电容器 并联，电容值为0.35法拉，用于承担破裂发生瞬间的大电流脉冲并储能。

实施例1的电阻单元的电阻用于吸收能量，由10根长1.4米的金属不 锈钢空心圆管导体并联而成，电阻值达1毫欧；电阻单元与第一开关串联 后并联在直流母线正极与负极之间：第一开关的一端与直流母线正极连接， 另一端通过所述电阻与所述直流母线负极连接；第一开关的控制端作为所 述电阻单元的控制信号输入端。

实施例1的逆变单元包括三相逆变桥、三相滤波器、三相隔离变压器 和并网开关模块；逆变桥由IGBT(绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate  Bipolar Transistor)构成，用于根据控制单元发出的触发信号进行逆变；滤 波器采用LCL型滤波，逆变器侧电感L1第一端与逆变桥连接，第二端与 并网侧电感L2第一端连接，电感L2第二端与隔离变压器连接，电容第一 端并接在L1与L2连接的线路上，电容第二端与其他两相的电容并联连接； 隔离变压器采用工频脉冲隔离变压器，起升压和隔离的作用；并网开关采 用A26-30-10三相接触器，第一端连接隔离变压器的输出端，第二端在逆变 单元并网工作时连接电网，脱网工作时连接负载，控制信号输入端连接控 制单元的第二输出端。

实施例1的控制单元采用DSP28335作为控制核心处理器，采用霍尔传 感器作为电流电压采集单元，采集脉冲电容单元两端电压、逆变单元的滤 波器电容电流、并网电流和电网电压；DSP28335对采集到的电流电压信号 作分析和处理，向电阻单元开关、逆变单元的逆变桥开关和并网开关发出 关断或导通的控制信号。

实施例1提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装置的应用如图4所 示，图中I为等离子体电流回路，II为与等离子体耦合的线圈与能量处理 装置组成的破裂防护系统，III为电网。

实施例2提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装置的应用如图5所 示，与实施例1相比，区别在于实施例2的逆变单元的三相滤波器采用单 电感L滤波，其他各部分相同；与实施例1相比，由于实施例2减少了滤 波器电容电流的反馈，降低了控制难度，对应的控制单元可以减少一个电 流采集模块，降低了成本；但是采用单电感L滤波器对高频谐波的滤波效 果不如采用LCL滤波的效果好。

本发明提供的等离子体破裂能量处理方法的流程如图6所示，结合实 施例1提供的等离子体破裂能量处理装置具体阐述如下：

(1)当托卡马克装置发生等离子体破裂时，通过脉冲电容单元接收并 储存经与等离子体耦合的线圈转移出来的等离子体破裂产生的能量；

(2)在储能过程中，当直流母线电压达到压敏电阻的压敏电压值时， 压敏电阻自动导通，对直流母线电压进行限制以保护后级电路，并吸收能 量；若直流母线电压小于压敏电阻的压敏电压，压敏电阻不动作；

(3)在储能过程中，当脉冲电容单元两端电压超过预设的逆变电压值， 控制单元输出六路触发脉冲控制信号到逆变桥，同时控制单元输出控制信 号导通并网开关，逆变单元开始工作，实现并网电流外环和电容电流内环 的双闭环控制的单位功率因素并网；将等离子体破裂能量并入电网；

在储能过程中，若脉冲电容单元两端电压一直未超过预设的逆变电压， 则逆变单元始终不工作，通过电阻单元控制信号触发电阻单元导通，脉冲 电容单元对电阻放电，将脉冲电容单元储存的能量消耗掉，直至脉冲电容 单元两端电压下降到零，进入步骤(6)；特别的，当在脉冲电容单元因故 障而不能工作时，电阻单元在控制单元的控制下直接吸收转移出来的等离 子体破裂能量；

(4)逆变开始后，脉冲电容单元两端电压逐渐下降，直到脉冲电容单 元两端电压经逆变下降到最小逆变工作电压值，通过逆变单元控制信号关 断逆变单元，使之停止逆变；

(5)当逆变单元停止逆变之后，控制单元输出触发脉冲控制信号导通 电阻单元，电阻单元投入工作，脉冲电容单元对电阻放电，将脉冲电容单 元储存的剩余能量消耗掉，直至脉冲电容单元两端电压下降到零；

(6)当脉冲电容单元两端电压下降到零，通过电阻单元控制信号断 开电阻单元；能量处理装置回复到初始状态。

在采用本发明实施例1提供的等离子体破裂能量处理装置进行能量处 理时，预设的逆变电压值与预设的最小逆变工作电压值相等，均在40V～80V 范围内取值。

本发明实施例提供的托卡马克等离子体破裂能量处理装置采用脉冲电 容单元进行储能，配合电阻单元和逆变单元，既实现了对托卡马克等离子 体破裂能量的逆变再利用，将托卡马克等离子体破裂产生的能量变废为宝； 又实现了对能量的有效吸收；在托卡马克等离子体破裂时对托卡马克装置 起到有效防护作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。