核反應(yīng)堆棒控電源電路仿真與優(yōu)化

陽(yáng)璞瓊 張錦濤 王新林 何正熙 鄭 杲

1（南華大學(xué) 衡陽(yáng)421001）

2（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 成都610225）

棒控電源系統(tǒng)是核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）中一個(gè)至關(guān)重要的系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)外核動(dòng)力技術(shù)科研攻關(guān)的核心領(lǐng)域。目前國(guó)際上主流的棒控棒位設(shè)備供貨商為法國(guó)Rolls-Royce公司、德國(guó)AREVA·NP·GmbH公司和美國(guó)的西屋公司。其中，法國(guó)Rolls-Royce公司的產(chǎn)品采用可控硅技術(shù)，僅插件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，需要專(zhuān)用工具離線修改；德國(guó)AREVA 設(shè)備功能模塊箱式結(jié)構(gòu)，一個(gè)線圈對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)箱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障定位、維修不方便；美國(guó)西屋設(shè)備采用一帶四的控制方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一致性要求較高，且功能插件采用板式結(jié)構(gòu)，維修非常不便。目前，國(guó)內(nèi)棒控電源系統(tǒng)主要基于絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)［1-2］。為了提高集成度，棒控電源柜中多個(gè)直流斬波模塊共用一個(gè)整流模塊，但這不可避免地增加了直流母線的長(zhǎng)度，使得直流母線分布電感大大增加，帶來(lái)了IGBT 開(kāi)關(guān)頻率下降，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的高頻振蕩和電壓過(guò)沖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題［3-4］。此外，電源柜通常與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相距較遠(yuǎn)，一般可達(dá)200 m左右，電纜的對(duì)地電容和分布電容增大了電源輸出端的電流紋波。本文提出將單芯電纜拆分為多芯電纜來(lái)減小分布電感、在輸出電流采樣電路中增加低通濾波電路等方法，并對(duì)電纜進(jìn)行建模分析，計(jì)算分布參數(shù)的大小，利用PSIM仿真軟件建立電路模型，仿真IGBT兩端電壓、負(fù)載電壓、電源輸出端電流和負(fù)載電流等電路參數(shù)。

1 棒控電源主電路設(shè)計(jì)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRDM 線圈輸出為40 A→16 A→0 A→16 A→40 A 互相轉(zhuǎn)換的時(shí)序電流，每檔電流持續(xù)時(shí)間為300 ms 左右如圖1 所示。通過(guò)控制IGBT 調(diào)制管的占空比為CRDM線圈提供相應(yīng)大小的時(shí)序電流，使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升、保持和下插控制棒，以調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。

圖1 負(fù)載電流時(shí)序波形Fig.1 Timing waveform of load current

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源模塊主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。IGBT調(diào)制管VT1與續(xù)流二極管VD2構(gòu)成直流斬波電路，控制電路通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)（Pulse Width Modulation，PWM）的占空比控制輸出電流的大小。IGBT 選通管VT2 控制輸出電流的時(shí)序，當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，VT1也同時(shí)關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的電流VD1、濾波電容、VD2 形成續(xù)流回路，線圈電感儲(chǔ)能反充給濾波電容，使線圈電流迅速下降。這不但加快了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模式切換的速度，也大大縮短棒控電源的關(guān)斷保護(hù)時(shí)間。

圖2 電源模塊主電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit of power module

1.2 待解決問(wèn)題

電源模塊主電路中，調(diào)制管VT1 的邏輯控制電路產(chǎn)生的PWM 信號(hào)頻率為1 kHz，IGBT 門(mén)極電阻Rg為330 Ω，測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，IGBT兩端電壓和驅(qū)動(dòng)波形如圖3（a）所示。當(dāng)電路運(yùn)行2 h左右時(shí)，續(xù)流二極管VD1、IGBT調(diào)制管VT1溫度接近70 ℃，可能導(dǎo)致器件損壞。減小門(mén)極電阻Rg的阻值，可以減小開(kāi)關(guān)損耗，從而降低器件溫度，有效地縮短米勒平臺(tái)時(shí)間，但會(huì)產(chǎn)生很高的電壓過(guò)沖和門(mén)極振蕩。修改阻容吸收電路的參數(shù)未見(jiàn)明顯改善，IGBT兩端電壓和驅(qū)動(dòng)波形如圖3（b）所示。且當(dāng)Rg阻值小于200 Ω，負(fù)載電流紋波顯著增大，不能滿足系統(tǒng)要求，波形如圖4所示。此外，由于負(fù)載電纜較長(zhǎng)，其分布電感和分布電容在電路換路過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)響應(yīng)增大了電源輸出端的電流紋波。

為了解決以上問(wèn)題，本文首先對(duì)直流母線電纜進(jìn)行建模分析，提出了將單芯電纜拆分為多芯電纜來(lái)減小分布電感的方法，從而減小IGBT 調(diào)制管電壓過(guò)沖和高頻振蕩的問(wèn)題；然后分析了負(fù)載電纜分布電感和分布電容對(duì)輸出電流紋波的影響；最后通過(guò)電路建模，仿真驗(yàn)證了上述分析的正確性。

圖3 IGBT兩端電壓和驅(qū)動(dòng)波形Fig.3 Voltage and driving waveform of IGBT

圖4 負(fù)載電流波形Fig.4 Load current waveform

2 電纜電氣參數(shù)計(jì)算

2.1 單芯電纜電感計(jì)算

電纜的電感是電纜導(dǎo)體所交鏈的磁通量與導(dǎo)體電流的比值［5-6］。當(dāng)圓柱形導(dǎo)線通過(guò)電流時(shí)，導(dǎo)線的內(nèi)部和外部均產(chǎn)生磁通，導(dǎo)線的電感由內(nèi)感分量Li和外感分量Le組成［6-8］。利用畢奧——薩伐爾定律對(duì)其形成磁場(chǎng)中的磁鏈進(jìn)行積分［8-11］，求得電纜的單位長(zhǎng)度內(nèi)感Li和外感Le為：

式中：r為芯線半徑；μ0為真空磁導(dǎo)率 ，μ0= 4π ×10-7H·m-1；l為導(dǎo)線的長(zhǎng)度。因此單芯電纜的單位長(zhǎng)度總電感L為：

2.2 多芯電纜電感計(jì)算

因此，n芯電纜單根線芯的單位長(zhǎng)度總電感Lm為：

根據(jù)并聯(lián)導(dǎo)線電感的計(jì)算公式，可以計(jì)算n芯電纜的單位長(zhǎng)度總電感LS為：

2.3 電纜電容計(jì)算

電纜本身就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電容器，導(dǎo)電線芯和大地構(gòu)成了電容器的兩個(gè)極［12-18］。單芯電纜的電容計(jì)算可以忽略邊緣效應(yīng)，得電纜的單位長(zhǎng)度電容C為：

式中：r為線芯半徑；R為絕緣外套的半徑；ε0為真空介電常數(shù)，ε0= 8.86× 10-12F·m-1；ε為絕緣材料的介電常數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 電路仿真模型建立

基于PSIM 仿真軟件建立棒控電源電路仿真模型如圖5所示。Ld1和Ld2是直流母線的分布電感，直流母線兩端并聯(lián)了濾波電容，所以可以忽略直流母線的分布電容，只需考慮其分布電感；Cd1和Cd2是負(fù)載電纜的分布電容，CRDM 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈為感性負(fù)載，因此負(fù)載電纜的分布電感可以忽略不計(jì)，只需考慮其分布電容。電壓表V1測(cè)量IGBT調(diào)制管兩端電壓，電壓表V2測(cè)量阻感負(fù)載兩端電壓，電流表I1測(cè)量電源輸出端電流，電流表I2測(cè)量阻感負(fù)載電流。裝置上實(shí)驗(yàn)柜中直流母線長(zhǎng)度約2 m，電源與CRDM驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈之間電纜長(zhǎng)度約200 m。對(duì)電纜進(jìn)行建模分析，分別分析計(jì)算以下兩種情況電纜的分布參數(shù)：

1）實(shí)驗(yàn)柜中直流母線和負(fù)載電纜均采用單芯電纜相連接。

2）將實(shí)驗(yàn)柜中直流母線的單芯電纜拆分成七芯電纜，負(fù)載電纜仍采用單芯電纜。

圖5 棒控電源電路仿真模型Fig.5 The simulation model of rod control power supply

3.2 參數(shù)計(jì)算

裝置采用聚乙烯絕緣材料的銅芯電纜進(jìn)行傳輸，銅導(dǎo)線的安全載流量為5～8 A·mm-2，棒控電源負(fù)載輸出的直流電流峰值約為40 A，預(yù)計(jì)至少采用截面積8 mm2的電纜進(jìn)行傳輸，考慮安全裕量，截面積取10 mm2。直流母線只需考慮分布電感，當(dāng)直流母線采用單芯電纜時(shí)，根據(jù)圓的面積公式S= πr2可知，電纜的線芯半徑r= 1.784 mm。根據(jù)式（3）計(jì)算得單芯電纜的單位長(zhǎng)度電感L為：

因此，直流母線采用單芯電纜時(shí)，其分布電感L1= 24.642× 10-7H。

將截面積為10 mm2的單芯電纜拆分成七芯電纜，根據(jù)式（4）得七芯電纜單根線芯的半徑r0=0.674 mm。

根據(jù)式（5）計(jì)算得七芯電纜單根線芯的單位長(zhǎng)度電感Lm為：

根據(jù)式（6）得七芯電纜的單位長(zhǎng)度總電感L'=2.341× 10-7H·m-1。

因此，直流母線采用七芯電纜時(shí)，其分布電感L2= 4.682× 10-7H。

綜上可知，將單芯電纜拆分為多芯電纜可以有效地減小分布電感，電感的大小跟電纜拆分后的根數(shù)n有關(guān)。選取合適的根數(shù)n，可以使電纜的分布電感達(dá)到最小臨界值。

負(fù)載電纜只需要考慮分布電容，電纜外套絕緣材料為聚乙烯，介電常數(shù)ε= 2.25，取半徑R=3.586 mm。由式（8）計(jì)算得到，電纜的單位長(zhǎng)度電容C為：

因此，負(fù)載電纜的分布電容CF= 36.15 nF。

4 仿真分析

4.1 電流仿真

將計(jì)算的電纜分布參數(shù)代入PSIM 仿真模型進(jìn)行仿真，圖6為采用七芯電纜的電源輸出端電流I1和負(fù)載電流I2的波形及其局部放大，可以看出，負(fù)載電流波形I2為正常的BUCK直流斬波電路輸出的鋸齒波，滿足系統(tǒng)要求。電源輸出端電流波形I1有高頻振蕩，是因?yàn)樨?fù)載電纜較長(zhǎng)，其分布電感和分布電容在電路換路過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)響應(yīng)，由于分布電感和分布電容值比較小，所以頻率較高。裝置上電流閉環(huán)控制的采樣電流是電源輸出端電流，只需在采樣電路中增加低通濾波電路，濾掉高頻分量即可。因此電源輸出端電流的高頻分量對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)沒(méi)有影響。

圖6 電源輸出電流I1和負(fù)載電流I2仿真波形及其局部放大Fig.6 The simulation waveform of power supply output current I1 and load current I2 and its partial amplification

4.2 電壓仿真

當(dāng)直流母線采用單芯電纜時(shí)，將計(jì)算的電纜分布參數(shù)代入PSIM 仿真模型進(jìn)行仿真，IGBT 兩端電壓V1和負(fù)載電壓V2的波形及其局部放大如圖7 所示。可以看出，在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，IGBT兩端電壓有很高的電壓過(guò)沖和紋波，可能損壞IGBT，嚴(yán)重影響電路的安全穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)裝置上測(cè)試采樣得到IGBT 兩端的電壓數(shù)據(jù)，利用MATLAB 繪制其波形如圖8 所示。圖7 的仿真波形與圖8 的測(cè)試波形基本一致，可以認(rèn)為仿真電路基本正確地反映了電路中存在的問(wèn)題。

圖7 單芯電纜下IGBT兩端電壓V1和負(fù)載端電壓V2仿真波形及其局部放大Fig.7 The simulation waveform of IGBT voltage V1 and load voltage V2 of single core cable and its partial amplification

圖8 工程中IGBT兩端電壓波形Fig.8 The voltage waveform of IGBT in engineering

當(dāng)直流母線采用七芯電纜時(shí)，將計(jì)算的電纜分布參數(shù)代入PSIM 仿真模型進(jìn)行仿真，IGBT 兩端電壓V1和負(fù)載端電壓V2的波形及其局部放大如圖9所示。相比于圖7，在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，IGBT兩端電壓的電壓過(guò)沖和高頻振蕩小了很多。因此，將單芯電纜拆分為多芯電纜的方法可以有效地減小其分布電感，從而減小IGBT 關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖和高頻振蕩，增強(qiáng)整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 多芯電纜下IGBT兩端電壓V1和負(fù)載端電壓V2仿真波形及其局部放大Fig.9 The simulation waveform of IGBT voltage V1 and load voltage V2 of multi-core cable and its partial amplification

目前，本文所設(shè)計(jì)的棒控電源裝置已經(jīng)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了功能性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：達(dá)到了規(guī)格書(shū)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能和性能指標(biāo)。同時(shí)本裝置還在四川華都核設(shè)備制造有限公司與ACP1000核電機(jī)組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了冷、熱態(tài)機(jī)電配合試驗(yàn)，電源柜輸出電流波形如圖10（a）所示。經(jīng)本文設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的電源柜輸出電流波形如圖10（b）所示，可以看出，電源柜輸出電流的紋波小了很多，沒(méi)有之前的尖峰毛刺，波形曲線平滑了很多。

圖10 優(yōu)化前(a)和優(yōu)化后(b)試驗(yàn)波形Fig.10 Test waveform before(a)and after(b)optimization

5 結(jié)語(yǔ)

棒控電源穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)核電站控制棒系統(tǒng)具有重要意義，IGBT關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的電壓過(guò)沖以及反向恢復(fù)時(shí)引起較大的振蕩電壓，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全性。本文對(duì)棒控電源的電纜進(jìn)行建模計(jì)算，采用將單芯電纜拆分為多芯電纜的方法，經(jīng)計(jì)算仿真，其可以有效地減小分布電感從而減小IGBT 的電壓過(guò)沖和高頻振蕩。