下一代聚变堆混合配电网探讨
2020-12-04 10:48:00
来源：电子变压器与电感网
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中国聚变实验堆（China Fusion Engineering Testing Reactor-CFETR）是中国下一代核聚变装置，其目的是进一步发展聚变相关技术，为未来的DEMO电站做好技术储备。CFETR不同于现有的Tokamak之处在于 其增加了聚变能发电演示装置。按照概念设计， 其一期工程的目标是输出约200MW聚变热功率，二期工程的目标是进一步实现1GW的聚变输出功率并完成发电示范[1]。
CFETR的设计尺寸和ITER类似，因此其功率特性也与ITER十分接近。如图1所示，聚变堆消耗的功率按照负荷特性分为稳态负荷和脉冲负荷，其中脉冲负荷包括辅助加热驱动和磁场线圈供电，有功功率最大为600MW[2]；稳态负荷包括水冷系统、低温系统、建筑暖通等，有功功率最大为175MW[3]。
在CFETR的初始设计文档中，为了减小设计风险，电网系统按照传统的交流电网来规划，并且按照负荷特性划分为稳态电网和脉冲电网两部分。CFETR目前仍在设计阶段，其具体目标是在2020年左右具备独立建设聚变堆的能力。为了进一步提高电能质量，减小谐波和无功功率消耗，降低故障时电网短路电流等，我们开始研究适用于CFETR的交直流混合电网结构。聚变装置中很多设备本质上是采用直流电驱动的，比如超导线圈、中性束离子源、电池储能系统等，采用直流配电网可以更有效的利用能源，同时还能改善电网交流输入端的电能质量。
直流配电网相对于交流配电网而言，既有优势又存在这缺陷：1）交流配电网通常采用辐射状拓扑或开环运行的供电方式，并且存在频率和电压两个因素的约束限制。直流配电网可以闭环运行，同时接入多个独立电源，线路不存在频率和无功功率的问题，从而提高了配电网的可靠性；2）大功率直流配电网相比较与三相交流电网而言，线路成本低，容量大，输电损耗也小得多；3）整流器、固态变压器、直流断路器等大量电力电子元件的引入，降低了直流配电网的可靠性，同时也提高了电网的设计成本[4]。总体来说，直流配电网的现有缺陷是由于电力电子器件本身引起的，依靠未来新型器件的发展和成熟是完全可以解决的。
本文中根据CFETR的负荷特性，首先介绍了基于传统交流电网设计的稳态电网和脉冲电网，然后在此基础上提出了采用柔性直流技术的混合配电网，并对混合电网的结构做出详细介绍，最后对直流电网应用的关键技术做出总结。
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