EAST極向場電源限流控制仿真分析

汪桂霞，秦品健

（中國科學院等離子體研究所，安徽 合肥 230031）

EAST極向場電源限流控制仿真分析

汪桂霞，秦品健

（中國科學院等離子體研究所，安徽 合肥 230031）

針對EAST極向場電源過流保護時不宜直接切斷電源的情況，介紹了一種具有自動限流作用的過流保護策略，當電源達到限流值前正常運行，達到限流值時穩定在這一值附近運行。運用Mat l ab和S aber對整個限流控制系統進行仿真以及對PID控制參數分析，最終確定了控制方案和PI控制參數,證明了該控制方法的可行性和優越性。

超導托卡馬克聚變實驗裝置；極向場電源；限流控制；PID參數

EAST極向場電源控制系統是托卡馬克主要子系統之一，它為等離子體的產生、約束、維持、加熱以及等離子體的電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段，而過流保護在裝置可靠運行過程中更是必不可少的重要組成部分。由于極向場電源是為全超導環境下的大電感負載供電，直接過流保護故障時會使電源輸出電流變化過大，影響實驗等離子體放電的正常進行，對超導線圈也會產生不良影響，因此可靠的限流控制措施對EAST裝置及實驗較為重要。

該套系統包含12套電源，圖1中每套電源由兩臺整流變壓器各自連接一對同相逆變聯的晶閘管整流橋組成。在實驗運行時極向場整流器直流側電流變化曲線如圖2，極向場電源過流保護是控制電源直接退出，導致實驗中等離子體放電終止，影響實驗的正常進行；電流變化率大，對設備和負載沖擊很大；過大的電流變化也會對超導線圈產生影響。限流控制是使系統先不進入過流保護狀態，而是維持在這一限流值附近運行，實驗能夠維持基本等離子體放電運行。

1 限流控制參數設計

極向場電源整流裝置的主電路采用三相橋式同相逆并聯整流電路。變壓器的輸出為2個繞組輸出，每臺變壓器對應有兩臺變流器，對于每一臺變流器都設有alpha控制器一塊，因此，只需要分析其中一臺變流器的控制回路。

圖1 EAST極向場電源系統示意圖

圖2 整流器直流側電流變化曲線

圖3 限流控制系統結構框圖

首先根據需要建立限流控制系統框圖如圖3所示，從主回路采集的反饋電流值與設定的限流值進行比較，進而判斷是否過流。當過流時，限流電路動作；不過流時，電路正常運行，限流電路相當于不存在。圖4為三輸入閉環限流控制系統Matlab仿真圖。

圖4 三輸入閉環限流控制系統Mat l ab仿真圖

當I≤I限，即不過流，限流電路輸出Uout=Uc，主回路正常運行輸出電流；

當I≥I限，即過流，限流電路輸出Uout=U限，主回路電流I=I限。

移相電壓：0～5 V；

limiter模塊：實現過流時輸入和輸出相等，不過流時，輸出為零；

主回路：包括觸發和整流電路。在進行限流控制系統分析時，可以把主回路當作系統的一個環節來看待，應用線性控制理論時，必須求出這個環節的放大系數和傳遞函數。實際上觸發電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似看成線性環節。根據裝置的參數，觸發電路控制電壓Uc調節范圍是0～5V，對應的整流電壓Ud范圍是0～350 V時，可取Ks=△Ud/△Uc=350/5=70。在動態過程中，可以把晶閘管出發與整流裝置看成一個純滯后的環節，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的，查表知三相橋式整流電路的平均失控時間Ts=1.67ms，即K=70/(0.001 67 S+1)。

負載回路：取電感L=50mH，L=200mH兩種情況；

傳感器：K1=電流互感器變比；

限流值：小于運行時最大電流值。

L=50mH，L=200mH兩種負載仿真圖如圖5和圖6所示，所對應的PI參數分別為：

2 限流控制器模擬電路設計

Ks、K、K1、PID參數計算出來后，代入實際電路，進行模擬電路搭建。當主回路沒有過流時，輸出移相電壓處下方的二極管VD不導通，輸出移相電壓按總控給的指示電壓正常運行，限流控制電路系統相當于不存在模式；當主回路過流時，反饋回來的電流大于設定的限流值，經過PID運算放大電路，使二極管VD陰極為負，VD導通，即限流控制回路起作用，輸出的移相電壓進一步調節觸發角，最終輸出電流值被限定在預設值附近。

圖5 L=50 m H時三組PI參數情況下的仿真圖

圖6 L=200m H時三組PI參數情況下的仿真圖

電路仿真作為電路計算的必要補充和論證手段。本文中所選的Saber仿真軟件是美國Synopsys公司的一款EDA軟件，為復雜的混合信號設計與驗證提供了一個功能強大的混合信號仿真器，兼容模擬、數字、控制量的混合仿真，可以解決從系統開發到詳細設計驗證等一系列問題。

給出一個隨機的移相電壓系列，在閉環的狀態下，移相電壓和設定限流值輸入條件下，圖7中所示是主回路反饋電流與預設的限流值比較的結果：不過流時，輸出為正；一旦過流，輸出反向飽和。圖8中為經過閉環反饋、主電路及反向傳感器后的最終輸出結果（反相的），說明電流一直穩定在設定值附近運行，仿真結果收斂。

圖7 主回路反饋電流與預設的限流值比較輸出

圖8 限流閉環控制輸出(反相)

3 模擬實驗

借助信號發生儀測試所設計的限流控制電路板，用信號發生儀模擬現場EAST極向場主回路的電流，模擬信號給出振幅為±2 V的信號，如圖9中藍色；跟預設限值U限=1 V比較，如圖9中綠線。當過流時，顯然，電路會動作，輸出被限制在U限=1 V，如圖中綠線；當不過流時，按照正弦電壓值正常輸出，說明電路板設計符合我們最初的目的。

圖9 信號發生儀模擬現場電流實驗結果

4 總結

通過對EAST極向場電源系統限流控制器方案設計，Matlab和Saber軟件仿真及模擬實驗，證明了EAST極向場電源系統限流控制器在EAST極向場電源系統中對主回路電流限流的可行性，當限流控制器投入使用時，且系統在遇到過流時，不會使整套電源裝置全部斷開，對設備進行了有效的保護。從某種程度上說，等離子體放電過程中也是不希望有突然斷電的情況產生，否則會造成等離子體破裂以及實驗失敗，所以提高了實驗運行過程中等離子體放電的可靠性[1-6]。

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Current-limiting control in power supply of EAST polorial field

WANGGui-xia,QIN Pin-jian
(Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Science,HefeiAnhui230031,China)

A protection strategy with automatic current-limiting was introduced because the power supply couldn't be cut off directly in the process of over-current protection in EAST polorial field power supply.This strategy can ensure the ordinary operation of the current when it is lower than the setting current value and maintains the current to the setting current value when it reaches the setting current value.Matlab and Saber were utilized to simulate the entire system and analyze the PID parameters.The control scheme and PI parameters were achieved,which verified the feasibility and superiority of the control strategy.

EAST;polorial field supply;current-limiting control;PID parameters

T M 461

A

1002-087 X(2013)11-2038-02

2013-04-11

汪桂霞（1986—），女，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為控制工程。