環向磁場脈沖電源的MATLAB建模與仿真彭建飛王樹錦核工業西南物理研究院，四川成都(610041)摘要：介紹了中國環流器2號A(HL-2A)裝置中環向磁場線圈脈沖供電系統，基于MATLAB/Simulink和一些等效方法建立起包括80MVA六相交流飛輪發電機及其勵磁系統與其它部件的環向磁場線圈脈沖供電系統仿真模型,仿真結果與實驗結果基本相互吻合。關鍵詞：雙Y相差30°的交流飛輪發電機；脈沖放電；建模；仿真中圖法分類號：TM743文獻標識碼：A文章編號：1003－6954(2004)02－0040－03中國環流器2號A(HL-2A)裝置是中國第一個具有偏濾器位形的非圓截面的大型托卡馬克裝置，用來進行核聚變研究。環向磁場脈沖電源為HL-2A裝置的環向磁場線圈提供大的直流電流，形成HL-2A裝置的環向強磁場，約束等離子體。該電源系統的特點是飛輪儲能供電；發電機為雙Y相差30°的交流飛輪六相發電機；發電機的兩個Y帶整流器，回路中含有大量的非線性元件；它們的負載為大電感線圈。對環向場整個放電過程進行詳細的理論分析是非常困難的，并且，根據過去的運行經驗，由于實驗調試涉及的變量多，調節必須反復多次進行，導致實驗調試效率不高，浪費大量的人力物力。因此，弄清HL-2A環向場放電規律是必要的。通過仿真軟件建立環向場供電系統的仿真模型，進行放電過程的仿真，可以作為研究環向場放電的一種重要手段。利用MATLAB/Simulink中PSB(PowerSystemBlockset)工具和等效原理，建立了環向場供電系統仿真模型，進行了仿真，并與實際測量的電源系統放電波形進行了比較驗證。HL-2A環向場供電系統和供電要求

HL-2A環向場供電系統是用改造后的一臺80MVA同步發電機經一套六相橋式不可控硅整流設備為環向場線圈供電，波形的調節通過控制機組的勵磁電壓來實現。環向場的供電原理圖如圖1。HL-2A裝置環向場供電系統的工作原理是：首先由2500kW四極繞線式異步電動機將機組加速至額定轉速1480r/min在此期間通過電動機將電網的電能逐步轉化為機組軸系的轉動動能并存儲起來；在電源系統準備放電時，先由晶閘管組成的副勵磁系統用市電給同軸上的勵磁機勵磁，并通過反饋控制建立穩定的機端電壓，在電源系統放電時，按一定的時序、定值與持續時間，調節發電機主勵磁系統的晶閘管可控變流器，依次進行強勵、逆變平頂與滅磁，以此控制發電機的端電壓的變化，從而實現環向場的電流波形的調整控制。所要求的環向場電源電壓、電流波形見圖2[1]。圖1HL-2A環向場的供電原理圖丄、0 2 ( 6I圖1HL-2A環向場的供電原理圖丄、0 2 ( 6I3 1^) HIEIH，歸訃LwH■圖2環向場電壓和電流波形示意圖圖2中Uff為勵磁電壓控制波形；Id為環向電流；Ud為環向電壓。按一定的時序，依次對機組勵磁系統的可控變流器的工作狀態進行強勵、逆變、平頂、逆變、滅磁的控制調節，改變脈沖發電機勵磁電流，控制發電機的端電壓，從而實現如上圖的環向場的電流波形成一次脈沖放電。表1環向場供電系統的主要參數發電機脈沖容量80MVA相電壓(V)>1210相電流(kA)11接線方式雙Y錯30°同步轉速(r/min)1500頻率(Hz)55-44超瞬變電抗Xd〃(pu)0.2142負載總電感(mH)230負載總電阻(mQ)56.8負載最大平頂時間(s)5負載允許最大電流等效時間(s)10建立環向供電系統的仿真模型2.1建立飛輪發電機的MATLAB模型帶有質量為921,GD2為288t-m2飛輪的發電機是80MVA雙Y相移30°四極隱極式同步發電機，由于在MATLAB/SIMULINK中沒有六相發電機的模型，只有三相發電機的模型。因此，在建立雙Y相移30°六相發電機的MATLAB模型時，利用存在的三相發電機模型構造雙Y相移30°的發電機模型是一個非常關鍵的問題。雙Y相移30°的六相電機的模擬可采用以下方法來實現：將一臺三相電機的輸出端分裂為兩支路，每條支路分別接一個三相理想變壓器，一個聯接組別為D,yl,另一個為Y,yl2,就構成了錯30°的雙Y輸出［2］。在等效模型中，采取標幺值，由于計算的基值不一樣，存在一定轉換關系。因此，在模型中輸入參數時,應注意相關的轉換計算。在建立飛輪發電機模型時,近似地認為在放電過程中,電動機向整個軸系提供的機械能約等于它的風磨損耗能、軸承損耗能和勵磁機所消耗的機械能之和。因此,在建模時,作如下處理：不考慮電動機提供的機械能,不考慮軸系向勵磁機提供的機械能,不考慮風磨損耗和軸承損耗能，把飛輪作為發電機轉子的一部分，在發電機的MATLAB模型中輸入機械能Pm為零，摩擦因子設為零，慣性系數設為包括飛輪的整個轉動軸系的慣性系數。利用MATLAB/SIMULINK中封裝功能，建立如圖3中六相發電機的MATLAB模塊。2.2建立勵磁系統的MATLAB模型發電機的實際勵磁系統，包括由變壓器和晶閘管三相橋式整流器組成的副勵磁系統，以及由一個與主發電機結構相同的同軸勵磁機和一套并聯的晶閘管六相橋式整流器組成的主勵磁系統。副勵磁系統由市電供電并通過反饋控制為勵磁機建立穩定的機端電壓；主勵磁系統為發電機提供勵磁，并通過控制整流器的移相角改變發電機的勵磁電壓，實現環向場線圈的電流波形。HL-2A裝置的初步運行證明勵磁機輸出電壓在放電過程中是比較穩定的，在此基礎上，在勵磁系統的建模中，可不考慮副勵磁系統，而將整個勵磁系統進行如圖4中勵磁系統所示的等效處理，即用時間模塊即DigitalClock模塊、Look-UpTable模型和函數模塊構成勵磁系統的模型，它具有與實際勵磁系統相同的作用與效果。通過對機組勵磁系統的可控變流器的控制調節對環向場電流波形進行調節，使其依次歷經強勵、逆變、平頂、逆變和滅磁等工作狀態變化達到的，實質上這些控制就是一組時間序列，當仿真放電開始，時間模塊開始計時，并輸出對應的時間，作為Look-UpTable模塊的輸入。在Look-UpTable這個模塊中有一組與時間對應的參數，即相應于強勵、逆變、平頂和滅磁的給定值，函數模塊是為了在給定值與輸出的勵磁電壓間建立對應的函數關系,函數模塊的輸出就是已調節的勵磁電壓，作為主發電機的勵磁電壓輸入。在建立六相發電機的MATLAB模型時，在三相發電機的模型中已經考慮了勵磁系統時間常數的影響，因此，在建立勵磁系統的仿真模型時，不再考慮勵磁系統的時間常數。但值得注意的是應把勵磁電壓轉化為標幺值。2.3建立其他部分的模型在MATLAB中電力系統工具箱中有大量電氣元件模型，通過RCL支路模型環向脈沖電源的RC阻容保護，通過設置故障模塊中參數可以各種仿真短路故障。不可控整流器通過兩個三相不可控整流器模塊直流側并聯而成。主回路負載通過PISECTIONGLINE模塊建立，在此模塊中可以輸入主回路的電阻和電感。另外，通過一些測量模塊得到需要的數據。把各部分建立的模型連接起來就建立出HL-2A環向場供電系統的MATLAB仿真原理圖，如圖3。??旳岡a圖3HL-2A環向場供電系統的MATLAB仿真原理圖圖4環向場電流實驗波形仿真結果和分析圖4為環向場電源系統實際放電時環向電流實驗波形圖，圖5為環向場電流的MATLAB仿真波形，對比實驗波形和仿真波形基本吻合。結論建立了基于MATLAB/SIMULINK的HL-2A裝置環向場供電系統的仿真模型，并給出了初步的仿真結果，認為利用MATLAB/SIMULINK中的PSB庫能有效地對HL-2A裝置以脈沖方式工作的環向場供電系統進行仿真，建立的仿真模型直觀形象，操作方