EAST垂直位移被動穩(wěn)定及主動控制模擬與實驗研究.pdf

1、為了得到高參數(shù)等離子體放電，現(xiàn)有Tokamak裝置多采用拉長位形等離子體放電，但是拉長位形等離子體必然會導(dǎo)致垂直位移不穩(wěn)定性。因此需要通過垂直穩(wěn)定系統(tǒng)來控制此不穩(wěn)定性。對EAST裝置而言，由于極向場線圈離等離子體較遠，以及極向場電源的電壓和響應(yīng)時間的限制，導(dǎo)致很難利用極向場線圈直接對垂直位移不穩(wěn)定性進行有效控制。EAST垂直位移控制主要通過真空室及其內(nèi)部被動板提供被動穩(wěn)定，并通過快控線圈及快控電源來實現(xiàn)對垂直位移的主動控制。因此，被動板

2、的物理結(jié)構(gòu)以及快控電源的性能就直接決定了EAST裝置對垂直位移的控制能力。本文主要通過模擬與實驗對EAST裝置中不連續(xù)被動板結(jié)構(gòu)和主動反饋控制系統(tǒng)對垂直位移不穩(wěn)定性的控制進行相關(guān)研究。
　　2010年EAST真空室內(nèi)部安放了一組被動板系統(tǒng)用于改善對垂直位移的控制能力。起初此上下軸對稱環(huán)向連續(xù)的被動板結(jié)構(gòu)通過一電連接橋結(jié)構(gòu)導(dǎo)通。為了減小對極向場的屏蔽，上下環(huán)向連續(xù)被動板均被切分為8塊不連續(xù)的分離被動板片段。然而被動板上的渦流仍通過固

3、定被動板的不銹鋼支撐腿結(jié)構(gòu)和內(nèi)層真空室構(gòu)成環(huán)向回路。而此環(huán)向回路電阻值的精確度直接決定了EAST物理模型的模擬結(jié)果與實際情況的吻合程度。因此本文建立了EAST不連續(xù)被動板結(jié)構(gòu)回路二維模型，計算得到了此回路的等效電阻率為1.09μΩm。并通過一系列EAST典型位形的垂直位移放電實驗驗證了模型及等效電阻率的合理性。
　　為了得到EAST典型位形的垂直位移增長率，我們對EAST拉長比在1.6～1.9范圍內(nèi)的等離子體位形進行了垂直位移增長

4、率實驗，得到了不連續(xù)被動結(jié)構(gòu)情況下EAST垂直位移增長率范圍為86/s～323/s。為了評估EAST快控電源對垂直位移的控制能力，對拉長比在1.75～1.9的EAST位形進行了最大可控垂直位移實驗，得到在老快控電源供電能力下，EAST對400kA等離子體電流、垂直位移增長率為200/s、拉長比為1.9的位形的的最大可控垂直位移為～1.2cm。對Tokamak裝置而言，最大可控垂直位移與小半徑之比大于5％時才能滿足對垂直位移的安全控制要求

5、，大于10％時才能滿足魯棒控制要求。對EAST而言，最大可控垂直位移應(yīng)該分別大于2.5cm和5cm以滿足對垂直位移安全和魯棒控制要求。但EAST最大可控垂直位移實驗顯示其只有約1.2cm，快控電源系統(tǒng)的能力極大限制了對垂直位移控制能力，遠達不到安全放電要求。因此快控電源的供電能力需要升級，我們模擬評估了EAST新快控電源供電能力要求，并設(shè)計優(yōu)化了快控線圈的位置以進一步提高EAST對垂直位移的穩(wěn)定控制區(qū)間。在2014年實驗中，快控線圈位置

6、優(yōu)化完成了改造，新快控電源調(diào)試成功并成功應(yīng)用于實驗。新快控電源的最大峰值輸出電壓為±1600V，±9000A，且有電壓和電流兩種工作模式。快控電源自身響應(yīng)延遲加pcs通訊延遲時間約為600μs。電流模式時電流從-5.1kA爬升到5.1kA用時～2ms，而電壓模式時電流從0A爬升到5kA用時～600μs。
　　為了利用新快控電源電壓模式快速響應(yīng)的特點，我們基于最優(yōu)控制原理設(shè)計了有延時情況下的EAST bangbang+PID控制算法

7、，并成功應(yīng)用于EAST準(zhǔn)雪花位形放電的垂直位移控制。對此增長率為530/s的雪花位形，當(dāng)垂直位移偏離平衡位置4.6cm后，使用bangbang+PID控制算法仍能將其控制到平衡位置處。而同樣放電參數(shù)下，純PID控制算法不能將其穩(wěn)定控制。因此，新快控電源在bangbang+PID算法時，極大提高了EAST對垂直位移不穩(wěn)定性的控制能力。
　　足夠精確并且高信噪比的等離子體垂直位置z及運動速度dz/dt信號的診斷方法可以充分利用主動控制

8、系統(tǒng)的控制能力。但是往往由于測量精度和大的噪聲問題，減小了主動控制電源用于控制垂直位移的穩(wěn)定區(qū)間。EAST例行放電使用幾乎所有的磁探針信號估計等離子體垂直位置z，然后對其求微分得到dz/dt信號。此方法得到的dz/dt信號會引入非常大的噪聲干擾。為了改善EAST dz/dt信號信噪比，在2014年EAST實驗中，我們嘗試使用多組單匝環(huán)電壓信號直接估計dz/dt信號，并用垂直位移控制實驗中。實驗結(jié)果顯示，利用單匝環(huán)電壓信號直接估計的dz/

9、dt值可以實現(xiàn)很好的信噪比。
　　中國聚變工程實驗堆CFETR(Chinese Fusion Engineering Test Reactor)目前正在概念設(shè)計階段。本文對CFETR垂直位移不穩(wěn)定性的控制進行了初步討論。我們應(yīng)用RZIP模型構(gòu)建了CFETR物理模型，計算了其六個典型位形的垂直位移增長率。結(jié)果顯示，CFETR僅靠真空室結(jié)構(gòu)無法提供足夠的被動不穩(wěn)定性，此時垂直位移增長率在Alfven波時間尺度，必須在真空室內(nèi)部安放被動