托卡马克等离子体垂直不稳定位移主动反馈预测控制研究

Elongating plasma cross-section to form divertor configuration is an effective method to improve the ability of magnetic confinement to plasma in Tokamak, but the corresponding problem of plasma vertical displacement instability must to be overcome. Current scheme is making fast control power supply to excite active feedback coils placed in vacuum vessel, which produces magnetic field to control plasma's displacement, which has accepted by DIII-D、JET and EAST and will be used in ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor). This is time-delay control mode to active feedback power supply, so the requirement to responding time and excitation ability of power supply is enhanced continuously, which is very difficult to reach. This item will calculate electromagnetism parameter of plasma displacement to deduce needed parameter of active feedback coils power supply. Based on successful application of grey pridiction to multilevel inverter, the grey model GM(1,1) is used to carry online metabolic grey filtering and one-step prediction of active feedback control signal, amend PID parameter of controller online, realize leading adjustment, which can improve active feedback cntrol capability. The study can supply solutions and accumulate experience to overcome plasma vertical displacement instability for national large-scale scientific project EAST and ITER.

通过拉长等离子体截面形成偏滤器位形是提高托卡马克型磁约束聚变装置等离子体约束性能的有效方法，但会带来等离子体垂直不稳定性问题，目前的解决方案是通过快速电源对真空室内的主动反馈线圈进行快速励磁控制以产生对应的抑制位移磁场，该方式已被DIII-D、JET和EAST等托卡马克实验装置所使用，并且将应用到ITER装置上。由于主动反馈电源为滞后控制方式，故对于主动反馈电源响应和励磁能力的要求持续提高，以至很难达到。本项研究拟计算等离子体位移电磁参数，推导主动反馈线圈快速电源所需指标，在将灰色预测控制成功应用于多电平逆变器的基础上，采用灰色预测模型GM(1,1)对EAST装置主动反馈控制信号实现在线新陈代谢灰色滤波及单步预测，在线修正控制器PID参数，实现超前调节，提升主动反馈控制响应性能。本项研究可为国家大科学工程EAST和国际热核聚变实验堆ITER等离子体垂直不稳定位移问题提供解决方案和积累经验。

项目背景：.能源是社会发展基础，以开发聚变能为目标的受控核聚变研究将极有可能为人类提供最理想的无限能源，而托卡马克型环形磁约束装置被认为是最有希望首先建成商用聚变动力堆的核聚变装置。通过拉长等离子体截面形成偏滤器位形是提高托卡马克型磁约束聚变装置等离子体约束性能的有效方法，但会带来等离子体垂直不稳定性问题，目前的解决方案是通过快速电源对真空室内的主动反馈线圈进行快速励磁控制以产生对应的抑制位移磁场，该方式已被DIII-D、JET和EAST等托卡马克实验装置所使用，并且将应用到国际热核聚变实验堆ITER装置上。.主要研究内容：.本项研究计算等离子体位移电磁参数，推导主动反馈线圈快速电源所需指标，设计中国EAST核聚变装置所需要的主动反馈线圈控制电源，在电源控制器算法中进行不同控制模式的研究，并调试通过。以此为基础，在将灰色预测控制成功应用于多电平逆变器的基础上，采用灰色预测模型GM(1,1)对EAST装置主动反馈控制信号实现在线新陈代谢灰色滤波及单步预测，在线修正控制器PID参数，实现超前调节，提升主动反馈控制响应性能。.重要结果：.设计成功中国科学院等离子体物理研究所EAST核聚变装置所需要的新一代主动反馈线圈控制电源，该电源从2014年开始运行，目前已稳定运行了4轮实验。.该电源引入数字化控制，突破了传统核聚变装置等离子体垂直位移控制电源电压或电流跟踪单一控制模式，可实现电压和电流模式的自由切换，并在2014的EAST实验中，在对等离子体垂直位移的控制中，在等离子体位移高增长率的情况下，将1.2cm的历史最大可控偏移量直接提升到4.6cm。在2016年EAST实验中，EAST成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这是国际Tokamak实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电，其中该电源系统发挥了应有的作用。.运用灰色预测模型GM(1,1)对变流器给定信号进行预测，可实现对方波、正弦波等多种信号的准确预测；以此为基础，采用EAST新一代主动反馈线圈控制电源实验样机对以方波、正弦波等多种信号进行电流跟踪，实验结果表明，该算法可实现超前调节，有助于提升主动反馈控制响应性能。.科学意义：.本项研究可为国家大科学工程EAST和国际热核聚变实验堆ITER等离子体垂直不稳定位移问题提供解决方案和积累经验。