千兆瓦级高功率聚变电源系统研究和应用.docx
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千兆瓦级高功率聚变电源系统研究和应用
项目名称:
千兆瓦级高功率聚变电源系统研究和应用
推荐单位意见：
该项目在国家973计划、国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家国际科技合作项目的支持下，深入开展了现代聚变电源系统研究，提出了新的聚变电源的电路拓扑结构；创建了聚变电源系统的优化控制方法和运行模式；在国际上率先研制了大功率四象限变流单元及66kV光控晶闸管无功补偿单元。
成功地解决千兆伏安现代聚变电源运行带来的电网接入及兼容问题、数十个强耦合的超导线圈及等离子体负载与电源系统接入及兼容的问题、电源系统保护以及特殊运行模式控制问题、以及多项聚变电源系统单元关键技术。
利用该研究成果，项目组推翻了ITER（国际热核聚变堆）组织七年多研发的电源系统原设计方案，提出我们自己新的设计方案，并被ITER国际组织和7方34国代表接受，消除了ITER运行风险，为国家多争取了约10亿人民币的利益；相关研究成果现已经应用于欧盟、俄罗斯、韩国、中国；同时项目创建的一系列新技术已经应用于我国国民经济中，如电网、冶金，矿山、轨道交通等，创造了显著的经济和社会效益。
项目拥有该电源系统设计和单元研发的全部知识产权，获得了专利30项，在ITER国际组织申报背景知识产权1项。
获得安徽省科技进步一等奖（2015年）、辽宁省科科学技术一等奖（2010年）两项。
推荐项目材料真实有效，相关栏目符合填写要求。
推荐该项目为国家科学技术进步奖一等奖。
项目简介：
磁约束核聚变是解决人类能源问题的重要途径之一。
上个十年，各主要国家投资数百亿元，设计和建设现代全超导核聚变装置。
不同于传统的聚变装置，现代磁约束核聚变装置使用强耦合的数十个超导线圈负载，电源需具有更大的功率、长时间运行、输出数万安培任意电流和数万伏任意电压波形，给电源设计提出新要求和挑战。
自2005年起，本项目在973等系列国家计划支持下，在聚变电源电路拓扑、控制模式，单元工程研制方面取得理论、技术及装备突破。
1.揭示了聚变电源与聚变装置、超导线圈负载、控制对象等离子体的内在联系，创建了现代聚变装置大功率电源系统设计新的基准，提出了新的聚变电源模块化设计方案和单元电路拓扑结构。
构建超导聚变装置数十个线圈和等离子体的馈电方案。
基于电源模块化设计方案，解决数万安培电流和数万伏高电压输出的聚变电源研制难题，建立了现代聚变装置大功率电源系统设计新基准。
2.创建了诸多控制模型、发明了新型的现代聚变电源控制技术。
建立了数十个强耦合线圈及等离子体的多变量解耦反馈控制模型；从聚变装置无功发生的机理出发，创建了无功提前预测模型；提出了基于串联顺序控制方式下的系统无功最小化模型；以及四象限变流器运行模型。
根本上解决了特大功率动态电源系统运行、电网兼容、负载兼容等问题。
3.发明和研制了聚变电源关键单元设备。
针对国际上现有晶闸管四象限变流设备占地大、成本高等瓶颈，建立了多耦合场分析方法，提出12脉波输出的单元结构一体化设计的非同相逆并联四象限变流器方案，元件均流系数在额定电流55kA达到0.9、短路415kA达到0.8，占地减少50%；世界上率先研制66kV直挂式光控晶闸管静止无功补偿装置（SVC），填补了该领域的国际工程空白。
课题组利用该成果，经过长达两年的技术争论和艰苦谈判，推翻了由欧盟、美国、俄罗斯、日本等十几位专家花费7年设计的ITER国际组织原电源设计方案，并采用中方的设计方案。
消除了原设计带来的价值200亿的超导磁体及装置烧坏风险，和电网准入问题。
无功补偿装置响应时间从15ms降到6ms、无功从1200兆乏减少到800兆乏，电压波动从85kV降到72kV，消除了重复的电压快速闪变，解决了巨大的脉冲无功对电网的冲击。
该成果在ITER装置设计上的应用，为国家在国际合作中多争取10亿人民币利益。
成果还应用到欧盟、俄罗斯、韩国、中国等50多家企业，总经费80多亿人民币，其中国内17家，经费17亿。
该成果还应用到我国EAST聚变装置和中国下一代聚变装置CFETR设计中，推动了聚变行业技术的进步。
研发的设备推广到国内电网、矿山、冶金，轨道交通等行业，促进行业升级和节能环保，提高了企业的研发水平和国际竞争力。
近3年节约发电5亿度，新增总产值达29.2亿，利润3.7亿元人民币。
拥有全部知识产权。
获得授权专利30项、ITER国际组织背景知识产权1项。
部分成果获得2010年辽宁省科学技术一等奖、2015年安徽省科技进步一等奖。
为国家培养聚变研究、电源设备研发各类人才。
客观评价：
国际组织评价：
2008-2009年间，由于我方指出了原ITER组织设计的电源方案存在严重问题，ITER常务副干事长先后成立了两个独立的外部专家组，其成员由世界知名电源专家组成，对我方和ITER组织之间的争论进行评估，最终支持我方意见，并采纳了我方的电源方案。
1.2008年8月28日，第一个独立国际专家组评审意见:
支持中方意见和方案,认为ITER原设计方案存在中国所指出的问题。
①“ConcerningTopic1,theexternalbypass（EBRT）seemspreferabletotheinternalone（INCB）foravarietyofreasonsascitedintheprecedingsections.②ConcerningTopic2,thelargeQdemandandthedelicatebalancingacttobeperformedbytheRPCsuggestspotentialtechnicalrisk.”（①对于争论1：
前面所提到的一系列原因说明外旁通比内旁通合适；②对于争论2：
系统产生的大量无功若由无功补偿系统平衡可能会产生潜在的工程风险。
）
2.2009年3月5日，第二个独立国际专家组评审意见：
支持中方意见和方案，认为ITER原设计方案存在中国所指出的问题:
①ApresentationpreparedbytheCNDAforthePowerSupplyIPTwascirculatedtotheEGafewweekspriortothemeeting.②Consideringtheuncertaintieslistedabove,thebaselinedesignwasjudgedbyEG2tobetooaggressive.
Q1:
Isthe2001BaselinedesignadoptedbytheIOtechnicallyfeasibleandreliable,consideringthe2001ITERrequirements?
......SummaryofQ1evaluation:
……,Oftheinformationwhichwassuppliedthereisevidencethatthebaselinedesigndoesnotsatisfytherequirements……）”（①中方准备的关于电源系统评估报告已在会议前数周提交给外部专家组EG传阅。
②考虑到上述不确定性，专家组2认为设计基准（2001年的原ITER电源设计方案）是非常冒险和危险的。
问题1：
2001ITER国际组织电源设计基准是否可行和可靠？
……问题1的评估结论：
……，从已经提供的资料来看，可以证明2001ITER国际组织电源设计基准不满足要求）
政府部门评价：
１.2012年12月，科技部组织的本项目（2008GB104000）验收，专家组形成了以下评价意见：
“……该项目代表性成果及突出进展有：
（1）在发现ITER电源系统原设计缺陷、建议修改的基础上，项目研究提出了保证电源可靠性运行的心设计方案并为ITER国际组织所接受，为中方采购包增加了45KIUA（约合10亿人民币）；
（2）研制完成直流开关、大功率电抗器、变流器的样机及电源控制系统，提升了国内大功率变流器、大功率电抗器、高压大电流开关的设计、制造能力，为确保完成相应的采购包任务奠定了基础；……”
２.科技部中国国际核聚变能源计划执行中心证明，“……发现了ITER电源系统设计存在重大失误…，提出了新的ITER电源设计方案，新方案通过了ITER组织成立的两个外部专家组的评估和论证，2009年12月，中方电源方案最终被ITER七个成员方及ITER组织采用……,该电源设计方案已经应用到承担ITER电源系统任务的成员方欧盟、俄罗斯、韩国及中国相关公司；中国国内有17家企事业单位承担该任务，合同总经费达17亿元”。
３.科技部国际科技合作项目（2008DFB70210）验收专家评价意见：
“采用LTT技术的66kV直挂SVC……填补了SVC领域的国际工程空白……”。
查新机构评价：
１.聚变电源系统拓扑结构设计：
国家一级查新咨询单位“安徽省科技情报研究所”查新结论：
相比之下，本项目的电源系统针对全超导负载，采用了一体化供电和分布式供电结合的电源拓扑结构，采用模块化结构，采用四象限运行变流器等特点，在所查国内外文献中，未见有相同报道。
总结：
成果名称
创新及应用
证明材料
1
大容量现代聚变电源的新电路拓扑设计
世界领先，取代了原ITER电源设计方案，消除了ITER运行风险
ITER组织成立的两个外部专家评估报告，中国国际聚变能执行中心证明，查新报告（附件36、附件38）
2
新的聚变电源系统的优化控制方法和运行模式
世界领先，保障了聚变装置能够接入电网运行,被ITER组织、EAST电源装置升级等
3
大功率一体化设计四象限变流器研制
世界领先。
结构设计方案被ITER组织采纳，并应用到其它国家。
未见有四象限大电流变流器使用此结构，ITER组织采纳，2015年安徽省科技进步一等奖
4
采用LTT技术的66kV直挂SVC研制
世界率先（2009年）研制并应用到国内国民经济中，已经推广使用到国外。
国际合作项目验收专家组结论，辽宁省科学技术一等奖
推广应用情况：
千兆瓦级高功率聚变电源系统研究和应用项目关键技术应用及推广已全面展开，有力推动了聚变电源技术的发展，提升了国内研制非标设备、大功率设备的生产工艺和研制水平，也为国民经济做出了贡献。
●利用本项目的研究成果推翻了ITER国际组织原聚变电源系统方案，中方设计了新的聚变电源方案已被ITER国际组织采用，并作为设计基准，评估价格，为中国多争取了10个亿的利益。
●研究成果已经应用到欧盟、俄罗斯、韩国、中国等企业50多家，总资金80多亿人民币左右，其中中国有17家单位，总经费达17亿人民币。
●该设计成果已经应用到我国EAST超导聚变装置电源升级中，也将应用于中国下一代聚变装置CFETR中，推动了聚变行业的进步。
●该设计成果应用在高功率电器集成测试平台，完成了对包括ITER电源、GA磁体等项目的测试；
●大功率变流器、无功补偿等单元研究中的相关技术已经应用到国民经济中，产品已经应用在电网、矿山、冶金，轨道交通等诸多行业。
主要知识产权证明目录：
知识产权类别
知识产权具体名称
国家（地区）
授权号
授权日期
证书编号
权利人
发明人
发明专利有效状态
发明专利
一种大功率变流器短路故障承受能力测试方法
中国
ZL201010508528
20130417
1177089
中国科学院等离子体物理研究所
高格、傅鹏
有效
发明专利
基于大功率四象限变流器负载的SVC前馈反馈控制方法
中国
ZL201310040959.3
20150415
1631656
中国科学院等离子体物理研究所
吴亚楠;许留伟;束畅;茆华风;李俊;
有效
发明专利
一种整流桥臂
中国
ZL201210061649.5
20140115
1335864
华中科技大学
张明;何泱
有效
发明专利
高精度、高同步性的新型模拟信号分配器
中国
ZL201210124873.4
20150204
1582207
中国科学院等离子体物理研究所
王林森、黄连生、王付胜
有效
实用新型
一种整流器负荷的SVC无功预测补偿装置
中国
ZL201120087498.1
20111005
1966072
荣信电力电子股份有限公司;
……吴瑶;……安万洙;……
有效
发明专利
静态与动态均流的大电流电子开关
中国
ZL200610040964.4
20090318
479599
中国科学院等离子体物理研究所
汤伦军、李定、傅鹏
未缴费失效
发明专利
铜板与铝板连接减小接触电阻方法
中国
ZL200610096065.6
20081008
433672
中国科学院等离子体物理研究所
汤伦军、李定、傅鹏
有效
实用新型
基于光纤隔离传输的高速模拟量传送装置
中国
ZL201320013347.0
20130807
3080980
中国科学院等离子体物理研究所
张健、韦维、付红安、赵庆明、郝旭、黄懿赟
有效
实用新型
用于大功率整流设备的空心水冷电抗器
中国
ZL201120109407.X
2011.11.9
1996133
北京荣科恒阳整流技术有限公司，荣信电力电子股份有限公司
……周奇……
有效
发明专利
一种焊接硬质电路板的可转动夹具
中国
ZL201310082718.5
20150304
1335864
华中科技大学
张明;彭燕源;何泱;张璟;
有效
主要完成人情况：
姓名
排名
行政职务
技术职称
工作单位
完成单位
对本项目技术创造性贡献
傅鹏
1
等离子体所副所长
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
项目总负责，对该项目整体方案进行规划、设计以及审定，项目执行过程协调。
对本项目科技创新点
（1）,
（2）,（3）均做出贡献，尤其在ITER电源方案设计更改过程中，对技术研发、协助科技部与国际组织及相关国家在电源价格评估、电源任务重新分配起到关键作用。
高格
2
电源研究室副主任
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
主要对科技创新点
（1）
（2）（3）做出贡献。
.指出ITER前方案中变流器元件反并联故障电流过大问题；指出内旁通在故障态保护的不足，建议改用外旁通。
提出变流器组合运行模式，组织完成控制器的研发。
陶骏
3
无
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
主要对科技创新点
（1）
（2）做出贡献。
在项目执行过程中对2001ITER电源设计进行了评估，重点分析了系统的无功，过电压及解决对策，电源单元的在超导负载条件下保护的特点。
对落实新的电源系统设计方案起到了积极的作用。
许留伟
4
电源研究室副主任
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
在本项目中，主要对第
（2）（3）做出贡献：
.主持无功补偿系统和变流系统联合运行消除负载快速变化带来的电网电压波动和故障状态下系统的过电压分析及无功补偿系统方案设计；主持大型四象限变流器性能测试及与变流器联合性能测试。
宋执权
5
无
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
对创新点（3）做出贡献，提出综合运用电路、电磁场和热分析的系统设计方法，首次负责成功设计和研制了一体化设计的四象限变流器，解决了变流器研制存在的高功率密度、高故障抑制能力和高安全可靠性的三个技术难点和挑战。
黄懿赟
6
电源研究室主任
研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
对创新点（3）有工程性贡献，负责ITER脉冲高压变电站PPEN与变流器间一次和二次接口的技术设计，为实时四象限变流器控制器研发提供同步相位、开关分断速度等关键接口参数。
参与四象限变流器控制器的光纤隔离传输的技术研究。
黄大华
7
总工程师
研究员级高级工程师
陕西海立电气工程有限公司
陕西海立电气工程有限公司
对创新点
（1）、（3）均有贡献。
在线圈供电电源中，对变流器的拓扑结构提出利用直流电抗器直流侧进行解耦、外旁通技术、及变流器设计电路等。
变流器研发过程中的关键技术如元件压装、工艺、水路设计等方面均有贡献，特别是大功率铝非同相逆并联变流器的开发和应用。
吴瑶
8
ITER项目部部长
中级工程师
荣信电力电子股份有限公司
荣信电力电子股份有限公司
对创新点
（2）（3）作出贡献：
建立联合运行仿真模型，研究控制算法；建立测试大纲，组织无功预测试验；ITERSVC控制与联锁系统方案总负责。
颜骥
9
半导体事业部副总经理
高级工程师
株洲南车时代电气股份有限公司
株洲南车时代电气股份有限公司
对创新点（3）有贡献。
2008年至2012年间，主要负责项目器件的可靠性体系建设及应用技术试验研究，针对高电压、大电流器件的特殊应用要求，梳理了现有的可靠性试验体系，结合国家标准及行业需求，并根据器件的并联应用要求，制定并完善了器件的应用作业指导文件。
张明
10
电气与电子工程学院聚变与等离子体研究所党支部书记
副研究员
华中科技大学
华中科技大学
对创新（3）项做出贡献。
设计和研制了变流系统的环流电抗器27.5kA/200µH环；设计和研制了55kA/15kV直流开关。
参与研究和设计了控制系统、变流器电磁结构分析。
周奇
11
变流器公司技术部长
工程师
荣信电力电子股份有限公司
荣信电力电子股份有限公司
对创新点（3）做出了贡献。
研制和负责加工了一体化设计的160MVA四象限变流器，为减小了故障抑制电流从450kA到350kA做出了创造性贡献。
任亚东
12
半导体事业部部长
高级工程师
株洲南车时代电气股份有限公司
株洲南车时代电气股份有限公司
对创新（3）点有贡献。
2008年至2013年间，主要负责器件的试验平台建设及可靠性平台的建设及规划，新增了全动态、高电压、高di/dt等一批检测试验设备，完善了试验体系，并根据器件的应用工况，制定了详细的测试试验规范性文件，为器件的测试试验及应用奠定了基础，确保了器件的寿命及可靠性。
黄连生
13
无
副研究员
中国科学院合肥物质科学研究院
中国科学院合肥物质科学研究院
对创新点
（2）,（3）做出贡献。
研制了基于cPCI技术的模块化数字控制器，研制了满足托卡马克电源运行要求的动态及静态环流控制及并联均流控制算法，实现了任意波形下的环流控制及均流控制。
安万洙
14
SVC研发部部长
高级工程师
荣信电力电子股份有限公司
荣信电力电子股份有限公司
对创新点（3）中66kV无功补偿系统研制作出了贡献。
负责控制器软件核心控制算法的开发与实现；无功预测控制试验方案开发；无功预测控制试验设备设计。
左强
15
总经理
高级工程师
荣信电力电子股份有限公司
荣信电力电子股份有限公司
对创新点（3）做出了贡献。
负责和完成了聚变电源系统的66kV、光控晶闸管无功补偿单元研制工作；推广无功补偿单元技术，使其应用在国民经济中产生了较大的经济效益；组织和协调了变流器单元模块研制和加工的工作。
主要完成单位及创新推广贡献：
主要完成单位
创新及推广贡献
中国科学院合肥物质科学研究院
2005年至今，本项目团队申请人傅鹏研究员等，承担了973课题、国家磁约束核聚变研究专项等。
设计了新的聚变电源电路设计方案，取代了ITER原设计方案；负责了变流器单元研制与生产；及与无功补偿装置与系统集成测试，且通过的ITER组织最终设计验收。
该设计技术已经应用到欧盟、俄罗斯、韩国、中国等50多家单位。
该单位是完成该项目的主要完成单位，对项目做出了主要贡献。
荣信电力电子股份有限公司
完成了科技部国际合作项目“LTT直挂66kV无功补偿装置”，并将该技术推广应用到国民经济中；参与ITER变流器系统单元的设计研究，组织完成了变流器模块的研制；针对66kV直挂大功率快速无功补偿系统，在控制方面，运用预测式算法研发了新型控制器，平均提高响应速度9ms。
高响应特性的无功补偿装置，可有效抑制大容量快速冲击性负荷在运行中对电力线路的无功冲击，减轻闪变水平。
该方法不仅仅可用在电力系统中，也可推广至如电弧炉等冲击性负荷行业。
陕西海立电气工程有限公司
该公司主要为新的聚变电源拓扑电路设计，特别是大功率变流器的研制做出了贡献。
同时将该大功率铝变流器技术推广应用，对提高我国有色冶金装备的技术水平和能力，起到了有力的推动作用，为国家建设做出了贡献；同时，公司自身也获得了较大的经济效益和发展。
株洲南车时代电气股份有限公司
针对该项目，研究了输出数万安培电流的变流器中关键器件晶闸管，解决了晶闸管多元件并联带来的开通和关断的特新，以及晶闸管寿命和可靠性等问题。
最终，使该聚变装置变流系统实现了晶闸管元件国产化，取代了原ABB晶闸管元件。
公司通过计算机仿真平台，对硅单晶片厚、电阻率、晶向等参数设计进行了多种方案论证，选取了最优方案，重新设计了硅单晶片。
采用先进的预沉积工艺，获得较缓的一次P型杂质浓度分布及较陡的二次P型杂质浓度分布，并且可保证各工艺参数均匀性控制在±3％以内。
通过工艺优化，增加导通时发射极电子注入比，增强了长基区电导调制效应，有效降低了基区导通电阻，进而降低了器件的导通压降。
通过阴极图形设计，提高阴极面有效面积，增加门极初始导通线的长度，从而提升器件动态能力，降低关断损耗，关断时间减小近一半，降低关断失败的风险。
通过优化门-阴极图形、短基区杂质浓度分布和电子辐照来进行调整电流上升率（di/dt）、电压上升率（dv/dt）、门极特性、开通时间、关断时间以及反向恢复电荷等参数，使晶闸管具有良好的且一致的开通特性和关断特性。
利用12MeV电子辐照直线加速器，能精确控制电子束流强度和床速，能保证器件参数均匀性高度一致，确保器件在并联应用下的高可靠性。
华中科技大学
项目组根据变流器系统对环流电抗器和直流开关的参数和运行需要，提出并采用了多耦合场（电磁场、热、应力与应变）分析设计方法，对大型铝环流电抗器和直流开关的结构进行了设计、分析和优化，完成并确定了27.5kA/200µH环流电抗器和55kA/1.5kV直流开关的设计方案。
环流电抗器采用干式空心水冷浇注式结构，每饼采用中空铝管并联绕制多层成盘式，多饼串联并经环氧树脂浇注一体成型。
环流电抗器研制完成并通过测试，在额定工况、冲击测试和温升测试均可满足系统需要。
要。
参与研究和设计了控制系统，完成变流单元的电磁分析，解决涡流对变流器本体、外围设备、及建筑的影响。
完成人合作关系说明：
中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所作为科研单位，致力于磁约束核聚变工程技术及聚变磁体电源技术研究，与荣信电力电子股份有限公司、陕西海立电气工程有限公司、株洲南车时代电气股份有限公司三家大型生产制造企业进行产业合作，三大企业将等离子体所研究技术及设计方案转化成实体设备。
其中，荣信电力电子股份有限公司进行整流系统单元制造测试与SVC设计及研制，并共同获得2015年安徽省科技进步奖一等奖；株洲南车时代电气股份有限公司与中科院合肥物质科学研究院签订合同，主要进行并联用大功率晶闸管研发，替代国外器件；陕西海立电气工程有限公司进行大功率铝制非同相逆并联晶闸管变流器研制，其总工程师黄大华与合肥物质科学研究院傅鹏、高格就研发成果合著发表论文《
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