关键词：双Y相差30°的交流飞轮发电机；脉冲放电；建模；仿真 中国环流器2号A（HL-2A）装置是中国第一个具有偏滤器位形的非圆截面的大型托卡马克装置，用来进行核聚变研究。环向磁场脉冲电源为HL-2A装置的环向磁场线圈提供大的直流电流，形成HL-2A装置的环向强磁场，约束等离子体。该电源系统的特点是飞轮储能供电；发电机为双Y相差30°的交流飞轮六相发电机；发电机的两个Y带整流器，回路中含有大量的非线性元件；它们的负载为大电感线圈。对环向场整个放电过程进行详细的理论分析是非常困难的，并且，根据过去的运行经验，由于实验调试涉及的变量多，调节必须反复多次进行，导致实验调试效率不高，浪费大量的人力、物力。因此，弄清HL-2A环向场放电规律是必要的。通过仿真软件建立环向场供电系统的仿真模型，进行放电过程的仿真，可以作为研究环向场放电的一种重要手段。利用MATLAB/Simulink中PSB（Power System Blockset）工具和等效原理，建立了环向场供电系统仿真模型，进行了仿真，并与实际测量的电源系统放电波形进行了比较验证。 1 HL-2A环向场供电系统和供电要求HL-2A环向场供电系统是用改造后的一台80 MVA同步发电机经一套六相桥式不可控硅整流设备为环向场线圈供电，波形的调节通过控制机组的励磁电压来实现。环向场的供电原理图如图1。 HL-2A装置环向场供电系统的工作原理是：首先由2 500 kW四极绕线式异步电动机将机组加速至额定转速1 480 r/min，在此期间通过电动机将电网的电能逐步转化为机组轴系的转动动能并存储起来；在电源系统准备放电时，先由晶闸管组成的副励磁系统用市电给同轴上的励磁机励磁，并通过反馈控制建立稳定的机端电压，在电源系统放电时，按一定的时序、定值与持续时间，调节发电机主励磁系统的晶闸管可控变流器，依次进行强励、逆变、平顶与灭磁，以此控制发电机的端电压的变化，从而实现环向场的电流波形的调整控制。所要求的环向场电源电压、电流波形见图2［1］。 图2中Uff为励磁电压控制波形；Id 为环向电流；Ud为环向电压。按一定的时序，依次对机组励磁系统的可控变流器的工作状态进行强励、逆变、平顶、逆变、灭磁的控制调节，改变脉冲发电机励磁电流，控制发电机的端电压，从而实现如上图的环向场的电流波形，完成一次脉冲放电。 2 建立环向供电系统的仿真模型 2.1 建立飞轮发电机的MATLAB模型带有质量为92t，GD2为288t-m2飞轮的发电机是80 MVA双Y相移30°四极隐极式同步发电机，由于在MATLAB/SIMULINK中没有六相发电机的模型，只有三相发电机的模型。因此，在建立双Y相移30°六相发电机的MATLAB模型时，利用存在的三相发电机模型构造双Y相移30°的发电机模型是一个非常关键的问题。双Y相移30°的六相电机的模拟可采用以下方法来实现：将一台三相电机的输出端分裂为两支路，每条支路分别接一个三相理想变压器，一个联接组别为D，y1，另一个为Y，y12，就构成了错30°的双Y输出［2］。在等效模型中，采取标幺值，由于计算的基值不一样，存在一定转换关系。因此，在模型中输入参数时，应注意相关的转换计算。在建立飞轮发电机模型时，近似地认为在放电过程中，电动机向整个轴系提供的机械能约等于它的风磨损耗能、轴承损耗能和励磁机所消耗的机械能之和。因此，在建模时，作如下处理：不考虑电动机提供的机械能，不考虑轴系向励磁机提供的机械能，不考虑风磨损耗和轴承损耗能，把飞轮作为发电机转子的一部分，在发电机的MATLAB模型中输入机械能Pm为零，摩擦因子设为零，惯性系数设为包括飞轮的整个转动轴系的惯性系数。利用MATLAB /SIMULINK中封装功能，建立如图3中六相发电机的MATLAB模块。 2.2 建立励磁系统的MATLAB模型发电机的实际励磁系统，包括由变压器和晶闸管三相桥式整流器组成的副励磁系统，以及由一个与主发电机结构相同的同轴励磁机和一套并联的晶闸管六相桥式整流器组成的主励磁系统。副励磁系统由市电供电并通过反馈控制为励磁机建立稳定的机端电压；主励磁系统为发电机提供励磁，并通过控制整流器的移相角改变发电机的励磁电压，实现环向场线圈的电流波形。HL-2A装置的初步运行证明励磁机输出电压在放电过程中是比较稳定的，在此基础上，在励磁系统的建模中，可不考虑副励磁系统，而将整个励磁系统进行如图4中励磁系统所示的等效处理，即用时间模块即Digital Clock模块、Look-Up Table模型和函数模块构成励磁系统的模型，它具有与实际励磁系统相同的作用与效果。 通过对机组励磁系统的可控变流器的控制调节对环向场电流波形进行调节，使其依次历经强励、逆变、平顶、逆变和灭磁等工作状态变化达到的，实质上这些控制就是一组时间序列，当仿真放电开始，时间模块开始计时，并输出对应的时间，作为 Look-Up Table模块的输入。在Look-Up Table这个模块中有一组与时间对应的参数，即相应于强励、逆变、平顶和灭磁的给定值，函数模块是为了在给定值与输出的励磁电压间建立对应的函数关系, 函数模块的输出就是已调节的励磁电压，作为主发电机的励磁电压输入。在建立六相发电机的MATLAB模型时，在三相发电机的模型中已经考虑了励磁系统时间常数的影响，因此，在建立励磁系统的仿真模型时，不再考虑励磁系统的时间常数。但值得注意的是应把励磁电压转化为标幺值。 2.3 建立其他部分的模型在MATLAB中电力系统工具箱中有大量电气元件模型，通过RCL支路模型环向脉冲电源的RC阻容保护，通过设置故障模块中参数可以各种仿真短路故障。不可控整流器通过两个三相不可控整流器模块直流侧并联而成。主回路负载通过PI SECTIONG LINE模块建立，在此模块中可以输入主回路的电阻和电感。另外，通过一些测量模块得到需要的数据。把各部分建立的模型连接起来就建立出HL-2A环向场供电系统的MATLAB仿真原理图，如图3。 3 仿真结果和分析图4为环向场电源系统实际放电时环向电流实验波形图，图5为环向场电流的MATLAB仿真波形，对比实验波形和仿真波形基本吻合。 4 结论建立了基于MATLAB/SIMULINK的 HL-2A装置环向场供电系统的仿真模型，并给出了初步的仿真结果，认为利用MATLAB/SIMULINK中的PSB库能有效地对HL-2A装置以脉冲方式工作的环向场供电系统进行仿真，建立的仿真模型直观形象，操作方便，可以实时地显示结果，MATLAB丰富的工具箱方便用户对目标参数进行优化及对仿真结果进行后处理等，并得出以下结论：1）文章中对飞轮发电机和励磁系统进行了简化和等效处理，仿真的结果证明这种处理是正确的和有效的；2）所建的HL-2A装置环向场供电系统仿真模型能很好地仿真出实际系统放电情况，它能够作为研究实际系统放电规律的重要手段。
