核聚变装置供电系统、供电控制方法及能量管理装置与流程

本发明涉及核聚变混合超容供电，具体涉及核聚变装置供电系统、供电控制方法及能量管理装置。

背景技术：

1、托卡马克核聚变装置供电系统通常由交流脉冲供电系统、整流电源系统和脉冲负载构成，其供电回路如图1所示。交流脉冲供电系统为装置提供实验所需的脉冲电能。现有大型托卡马克装置的交流脉冲供电方案主要包括单一飞轮储能供电、飞轮储能与电网混合供电以及配备无功补偿装置的电网供电等形式。

2、单一飞轮储能方案受制于机械转子的物理极限与惯性约束，其能量释放的持续时长有限，且难以精确跟随复杂的放电波形，无法满足长脉冲运行需求。飞轮与电网的混合供电方案虽然在一定程度上缓解了功率缺口，但由于飞轮响应速度的非线性特性以及机械磨损问题，在面对极高斜率的功率瞬变时仍存在调节盲区。而单纯依赖无功补偿装置的电网供电方案，由于缺乏对有功功率的动态支撑能力，且受制于电网自身的短路容量限制，极易在负荷突增时引发母线电压的深度跌落。更为关键的是，上述传统方案多采用晶闸管或半控型器件构成的换流阀，无法实现有功与无功功率的解耦控制，导致在复杂的等离子体放电过程中，系统难以同时兼顾电压稳定与波形质量。

3、在未来堆级规模的核聚变装置单次等离子体实验中，供电系统将面临高动态负荷冲击、长时大功率放电及大功率馈电等复杂工况。百兆瓦级功率将在源荷之间往复流动，且此类大功率运行工况持续时间可达数分钟。在电网容量受限的背景下，供电系统需具备可靠的功率调控能力，特别是需要具备持续数分钟量级的功率补偿能力。

4、现有典型的聚变装置脉冲供电系统难以适应未来聚变堆对有功和无功功率灵活调节的需求。目前的系统架构无法同时兼顾长时大功率供电、瞬时大功率负荷冲击抑制以及分钟级能量支撑等多重要求。当面对剧烈的功率瞬变时，现有系统易导致电网电压波动，这种电压扰动不仅影响电网侧的安全，更会通过整流环节直接传递至后级的磁体电源与辅助加热系统。由于托卡马克装置的极向场与环向场线圈具有极大的电感特性，电压的微小畸变都可能导致磁场位形的失稳，进而引发等离子体位置的失控或破裂。同时，传统方案在负荷突卸工况下缺乏有效的能量消纳通道，巨大的回馈能量将导致交流母线电压泵升，对电力电子设备及绝缘材料构成严重威胁，甚至引发保护装置动作，威胁装置的安全稳定运行。此外，若单纯依靠增大电网接入容量来满足峰值功率需求，将导致主变压器及输电线路的建设与维护成本大幅增加，造成严重的资源浪费与投资负担。

技术实现思路

1、本发明提供一种核聚变装置供电系统、供电控制方法及能量管理装置，解决了现有堆级核聚变装置脉冲供电系统中，脉冲负荷对电网冲击过大易引发脱网风险、现有供电架构无法同时满足长时大功率供电、瞬时大功率负荷冲击抑制及分钟级能量支撑需求，难以适配聚变堆灵活功率调节要求的技术问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本技术提供了一种核聚变装置供电系统，包括：

4、电网供电支路，连接外部电网，经由公共交流母线输出稳态功率；

5、混合超级电容储能支路，采用高压级联拓扑结构并联至所述公共交流母线，配置为输出脉冲功率；

6、脉冲负荷支路，连接至所述公共交流母线，配置为向核聚变装置的负载供电；

7、控制系统，配置为基于脉冲负荷的功率需求，执行功率分配策略，以控制所述电网供电支路和所述混合超级电容储能支路协同输出功率；

8、其中，所述混合超级电容储能支路被配置为响应于脉冲负荷的瞬时功率突变提供功率支撑，并响应于脉冲负荷突卸吸收回馈能量。

9、进一步优化方案为，所述控制系统执行的功率分配策略包括三级能量调度模式：

10、在脉冲平坡阶段，控制所述电网供电支路提供基本负荷功率；

11、在瞬时功率冲击阶段，控制所述混合超级电容储能支路提供高功率密度的瞬态支撑；

12、在分钟级长脉冲阶段，控制所述混合超级电容储能支路提供高能量密度的持续补偿，以填补电网供电支路出力上限与脉冲负荷总需求之间的差额。

13、进一步优化方案为，所述混合超级电容储能支路包括功率变换器和混合超级电容储能单元，所述功率变换器采用三相角接的模块化多电平换流器结构，所述混合超级电容储能单元由兼具高功率密度和高能量密度的混合型超级电容单体串并联构成。

14、进一步优化方案为，所述控制系统还被配置为在等离子体放电结束后的负荷突卸阶段，控制所述混合超级电容储能支路吸收脉冲负荷支路释放的再生能量，并将吸收的能量存储于所述混合超级电容储能单元中，以用于下一放电周期。

15、进一步优化方案为，所述功率变换器被配置为采用载波移相调制或最近电平逼近调制策略，以输出多电平电压波形；所述混合超级电容储能单元的运行电压被控制在额定电压的70%至110%的范围内，以适应脉冲功率的深度充放电需求。

16、进一步优化方案为，所述电网供电支路包括电力主变压器和高压开闭所，所述电力主变压器容量按照所述核聚变装置的平均稳态功率需求配置，而非按照核聚变装置的峰值脉冲功率需求配置。

17、进一步优化方案为，所述脉冲负荷支路包括大功率整流电源，所述大功率整流电源连接至所述公共交流母线，配置为将交流电转换为直流电供给环向场线圈、极向场线圈及辅助加热系统。

18、进一步优化方案为，所述控制系统还被配置为实时监测所述混合超级电容储能单元的荷电状态，并根据荷电状态动态调整所述三级能量调度模式中的功率分配比例，以维持系统的长期稳定运行。

19、第二方面，本技术提供了一种供电控制方法，用于如上的核聚变装置供电系统中，包括以下步骤：

20、获取核聚变装置的脉冲负荷功率需求及电网供电支路的实时出力状态；

21、判断所述脉冲负荷功率需求是否超过预设的电网功率约束阈值；

22、若未超过，控制电网供电支路提供全部功率，并控制混合超级电容储能支路处于热备用或充电状态；

23、若超过，控制电网供电支路按最大允许功率输出，并控制混合超级电容储能支路输出差额功率；

24、在负荷突卸工况下，控制混合超级电容储能支路吸收回馈电能。

25、第三方面，本技术提供了一种能量管理装置，包括：

26、数据采集模块，配置为采集脉冲负荷的实时功率信号和电网支路的运行状态信号；

27、计算模块，配置为根据如上所述的供电控制方法计算功率分配指令；

28、指令下发模块，配置为混合超级电容储能支路的功率变换器发送所述功率分配指令，以实现源荷功率平衡。

29、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

30、通过电网供电支路与混合超级电容储能支路的并联拓扑及协同功率分配策略，大幅削减脉冲负荷对外部电网的瞬时冲击,切断了脉冲负载与电网之间的直接功率耦合路径，有效抑制电网电压跌落与开关跳闸风险,保障聚变装置在电网容量受限场景下的运行安全性。储能支路的快速响应特性相当于在电网与负载之间构建了一道动态的功率缓冲屏障，使得电网侧感知到的负荷变化趋于平缓；

31、混合超级电容储能支路依托高压级联结构与快速响应特性，在脉冲负荷功率突变时提供毫秒级功率支撑，在负荷突卸时吸收回馈能量，兼顾瞬时功率平抑与分钟级能量补偿需求，显著降低系统对电网峰值功率的依赖，从而减小电网配套的主变压器与线路容量冗余，降低建设与运维成本；

32、储能系统采用全电力电子拓扑结构，全电力电子化的储能支路结合分级能量管理策略，实现对有功与无功功率的独立快速调节，基于pwm算法和功率调控策略，实现有功功率、无功功率快速控制，系统可灵活响应聚变装置对无功支撑的需求，提升供电系统对聚变装置复杂放电工况的适应性与功率调节灵活性，确保脉冲负荷获得稳定可靠的电能供应。