压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

王峰; 理玉龙; 关赞洋; 张兴; 李晋; 黄运保; 甘华权; 车兴森

doi:10.11884/HPLPB202234.210250

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

doi: 10.11884/HPLPB202234.210250

1.
中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳 621900
2.
广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室, 广州 510006

基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFA0403300：；国家自然科学基金项目（11805184，11805178，11805185：中国工程物理研究院院长基金项目（YZJJLX2019011：科学挑战专题（TZ2016001）；中物院激光聚变研究中心青年人才基金项目（RCFPD4-2020-1）

详细信息

作者简介:
王　峰，lfrc_wangfeng@163.com

中图分类号: TN249
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出版历程
- 收稿日期: 2021-06-26
- 修回日期: 2021-12-27
- 网络出版日期: 2022-01-04
- 刊出日期: 2022-01-13

Application of compressed sensing technology in laser inertial confinement fusion

1.
Laser Fusion Research Center, CAEP, P. O. Box 919-986, Mianyang 621900, China
2.
State Key Laboratory of Precision Electronics Manufacturing Technology and Equipment, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China

摘要

摘要: 激光驱动惯性约束聚变（ICF）研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域，它以高能激光作为驱动源，在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层，最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50～100 μm，其持续时间为100～200 ps，离子温度达到5 keV，压力可达4.0×10¹⁶ Pa。因此，发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法，第一种是基于数字微镜阵列（DMD）进行编码的反射式可见光压缩感知技术，这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统相结合，有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术，将诊断维度从一维扩展至二维，同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点，有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段，无法用于紫外与X光波段，为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码，可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测，有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外，针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足，还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路，有望实现高时间分辨的同时，实现高空间分辨的二维新型诊断技术。
- 惯性约束聚变 /
- 压缩感知技术 /
- 诊断 /
- CUP-VISAR /
- 透射编码
Abstract: Laser driven inertial confinement fusion is a challenging research field in the current international frontier science, which uses high-energy laser as the driving source. A large amount of energy is injected into the target pellet to make the fusion material reach the state of high temperature and high density in a very short time, thus forming a hot spot in the center of the target pellet and igniting the whole fuel layer, and finally achieving controlled nuclear fusion. As the diameter of the implosion hot spot is about 50−100 μm, and its duration is 100−200 ps, the ion temperature reaches 5 keV, and the pressure can reach 4.0×10¹⁶ Pa. Therefore, it is of great significance to develop diagnostic techniques under extreme transient conditions. In this paper we introduce two kinds of diagnosis method based on compressed sensing. The first one combines the one-dimensional line Velocity interferometer system for any reflectors (VISAR) with the Compressed Ultrafast Photography (CPU) system, which is expected to achieve a new 2D-VISAR diagnostic technique with high time resolution. At the same time, it overcomes the shortcomings of the existing two-dimensional VISAR that can only capture single image and is expected to realize continuous diagnosis of the evolution of hydrodynamic instability. Because the existing CUP technology encoded by digital micromirror device can only be used in the visible light band, and cannot be used in the ultraviolet and X-ray band, a transmission compressed sensing technology is also developed. The transmission compressed sensing technology uses a novel transmission element to encode the measured signal, which can realize the two-dimensional ultrafast detection of ultraviolet and X-ray signals, and is expected to realize the precise diagnosis of the ultra-fast space-time evolution process of the hot spots in the explosion. In addition, in view of the advantages of single-channel CUP technology with high time resolution and the shortcomings of low spatial resolution, a new high spatial resolution diagnosis system with multi-channel coding, separate scanning, decoding and re-synthesis is proposed, which is expected to achieve high time resolution and high spatial resolution of the two-dimensional new diagnostic technology.
- inertial confinement fusion /
- compressed sensing technique /
- diagnostic /
- CUP-VISAR /
- transmission coding

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静止无功补偿器(SVC)相对于机械投切电容器组式的无功补偿装备，实现了无功功率精确、平滑补偿，是目前较为先进实用的无功补偿装置，已经得到了广泛应用。另外，SVC装置具有良好的分相补偿能力，对于电弧炉工作中造成的三相电压、电流不平衡有着独特的治理效果; 且晶闸管比全控型半导体开关器件造价低，有着更高的额定电压电流参数，适合拓展于高压、大容量场合。静止无功发生器(SVG)有着更快的响应时间，且可以不借助于无源支路，灵活的产生容性或感性无功功率进行调节。虽受限于目前全控型开关器件的电压容量及经济成本，然而在已经装设了SVC装置的工业现场，不改动已有的无源滤波支路，使用SVG配合SVC进行剩余无功功率补偿，具有非常大的应用拓展空间。本文针对广西某钢厂电弧炉现场，通过PSCAD/EMTDC对SVC和SVG联合方案进行了系统仿真验证^[1-4]。

1. SVC与SVG无功补偿的基本原理

工业现场SVC有多种类型，主要有五种型式：磁阀控制电抗器型(MCR型)、可控硅控制空芯电抗器型(TCR型)、可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型)、可控硅开关控制电容器型(TSC型)及自饱和电抗器型(SSR型)。基本原理及仿真主要围绕TCR型SVC。而本文所述的某钢厂电弧炉现场的负荷及SVC+SVG补偿装置的电压等级均为35 kV，并联于同一条母线下。

1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理

TCR型SVC的基本原理是以母线三相电压矢量为基准，SVC装置发出与负荷基波无功电流幅值相等、相位相反的基波电流抵消负荷无功，而无源支路的容性无功容量与负荷最大感性无功基本持平，晶闸管阀控制单元根据负荷功率的变化调控电抗器感值灵活控制SVC需要补偿的无功功率^[5]，其基本结构如图 1所示。

图 1 TCR型SVC结构图

Figure 1. TCR+FC type SVC

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根据斯坦门茨(Steinmetz, Charles Proteus)平衡化补偿原理^[6]，控制单元根据负荷无功计算出相应的电纳值，然后由电纳值推导出相应的触发角发送到晶闸管阀组。电纳值B与触发角α的关系式为

$B(\alpha)=\frac{1}{\omega L} \frac{2 \pi+\sin 2 \alpha-2 \alpha}{\pi}$

(1)

式中：ω为角频率; L为电抗值。

而斯坦门茨平衡化原理是由三相参考电压与负荷电流分别求出各相的电纳值。其基本关系式为

${B_{{\rm{ab}}}} = \frac{{\left( {{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{bc}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{al}}}}} \right) + {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ca}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{bl}}}}} \right) - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ab}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{cl}}}}} \right)} \right)}}{{\sqrt 3 U_{{\rm{ab}}}^2}}$

(2)

${B_{{\rm{bc}}}} = \frac{{\left( {{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ca}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{bl}}}}} \right) + {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ab}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{cl}}}}} \right) - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{bc}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{al}}}}} \right)} \right)}}{{\sqrt 3 U_{{\rm{bc}}}^2}}$

(3)

${B_{{\rm{ca}}}} = \frac{{\left( {{\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ab}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{cl}}}}} \right) + {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{bc}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{al}}}}} \right) - {\mathop{\rm Re}\nolimits} \left( {{{\dot U}_{{\rm{ca}}}}{{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{bl}}}}} \right)} \right)}}{{\sqrt 3 U_{{\rm{ca}}}^2}}$

(4)

式中： ${{\dot U}_{{\rm{ab}}}}, {{\dot U}_{{\rm{bc}}}}, {{\dot U}_{ca}}$ 为母线三相参考电压矢量; ${{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{al}}}}, {{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{b}}1}}, {{\tilde{ \dot {I}}}_{{\rm{cl}}}}$ 是负荷三相相电流矢量。

根据斯坦门茨原理公式(2)，(3)和(4)求出的电纳B值，由式(1)查表，分别求出三相触发角，实现无功开环算法^[7]，其结构如图 2所示。

图 2 SVC控制结构框图

Figure 2. SVC control block

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1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理

SVG，相较于基于半控型晶闸管控制的SVC装置，有着更快的响应时间。不同于根据斯坦门茨原理来计算电路的等值电纳，SVG装置使用脉冲调制技术来驱动开关管器件。而目前常用的控制技术主要有基于快速傅里叶变换的电流控制技术和基于瞬时无功功率理论的控制方法。由于基于傅里叶变换的控制技术在原理上至少存在一个周期的延时，因此在快速响应的补偿场合，大多使用基于无功功率理论的控制方法。图 3所示典型SVG逆变器的电路拓扑。

图 3 典型SVG逆变器的电路拓扑

Figure 3. Typical topology of SVG

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求解上述电路的数学模型，并将态电路函数先进行PARK变换到d-q域，然后进行拉普拉斯变换，可有

$\left\{\begin{array}{l} (s L+R) i_{\mathrm{d}}=u_{\mathrm{sd}}-u_{\mathrm{rd}}+w L i_{\mathrm{q}} \\ (s L+R) i_{\mathrm{q}}=u_{\mathrm{sq}}-u_{\mathrm{rq}}+w L i_{\mathrm{d}} \\ u_{\mathrm{dc}}=\frac{3}{2} s C\left(S_{\mathrm{d}} i_{\mathrm{d}}+S_{\mathrm{q}} i_{\mathrm{q}}\right) \end{array}\right.$

(5)

式中：i_d，i_q为i_a，i_b，i_c经过PARK变换在旋转p-q坐标系下的分量; S_a，S_b，S_c为三相桥臂的开关状态，S＝1表示该相桥臂上管开通，下管关断; S＝0表示该相下管导通，上管关断，经过p-q变换后为S_d，S_q。

针对参考电流，根据瞬时无功功率理论，如图 4所示，先经p-q变换求出其在旋转坐标系下的直流量，然后经过低通滤波器、p-q反变换得出其基波无功电流的参考量^[8]。

图 4 基于p-q理论的谐波检测算法

Figure 4. Harmonic detection algorithm based on p-q theory

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根据瞬时无功功率理论得出参考电流量后，逆变器的控制器和实际控制框图如图 5所示。

图 5 SVG逆变器的控制框图

Figure 5. Control block of SVG

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在工业现场，通常将SVG装置直接并联于负荷母线下进行无功补偿^[9-10]。本文提出的方案将SVG与SVC并联然后并联于同一母线的负荷下。

2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状

广西某钢厂110 kV高压变电站母线接入最小短路容量576 MV·A，安装50 MV·A主变压器一台，主变压器中压侧负荷主要为电弧炉和精炼炉负荷，低压侧主要为高压电动机负荷，目前场内35 kV母线侧安装TCR+FC型SVC，设置2次C型、3次、4次及5次单调谐滤波支路，总基波补偿容量25 Mvar(兆乏)，系统主接线如下图 6所示。

图 6 某钢厂电弧炉系统主接线图

Figure 6. Main topology of EAF system in a steel mill

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而该钢厂电弧炉经过改造后，发出的无功功率远超原始无功量，因此需重新计算，并于实际比对。无功需量计算应综合考虑初炼交流电弧炉(EAF)和精炼电弧炉(LF)的最大无功发生量和同时率，工程推荐值按照下式确定

$Q_{\mathrm{D}}=k_1 Q_{\mathrm{EAF}, \max }+k_2 Q_{\mathrm{L}, \mathrm{F}, \max }$

(6)

式中：k₁为EAF无功发生量的计算系数，工程推荐值为0.9~1.2;k₂为LF无功发生量的计算系数，工程推荐值为0.4~0.6;Q_{EAF, max}为EAF最大无功发生量，单位为兆乏(Mvar); Q_{LF, max}为LF最大无功发生量，单位为兆乏(Mvar); Q_D为无功需量，单位为兆乏(Mvar)。

根据计算，EAF，LF同时运行时35 kV所需最大无功发生量为35.25 Mvar。

35 kV母线所带轧机总装机容量为11 MV·A，取功率因数为0.7，功率因数提高至0.92，按公式可知

$Q=P\left(\sqrt{\frac{1}{\cos \varphi_1^2}-1}-\sqrt{\frac{1}{\cos \varphi_2^2}-1}\right)=4.57 \mathrm{Mvar}$

(7)

式中：φ₁为EAF的功率因数角; φ₂为LF的功率因数角。因此，35 kV母线总无功补偿容量为39.82 Mvar，考虑一定的补偿裕度并结合电能质量测试报告，最终确定主变35 kV母线SVC装置的基波补偿容量为40 Mvar。针对原先25 Mvar的SVC系统，出现将近15 Mvar的无功缺口。

3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真

SVC具备良好的分相补偿能力，能更好适应三相不平衡工况，但响应时间较长; 而SVG有着更快响应时间。结合二者优点，针对该钢厂电弧炉现场无功补偿实际，仍可利用原先的SVC装置，由SVG填补电弧炉改造产生的增多的无功功率。将SVG单元前置与SVC单元之前，两装置独立检测、独立工作。先投入SVC及SVG装置，稳定之后一定时间内投入负荷无功源，使用PSCAD/EMTDC进行系统仿真，电弧炉负荷利用无功波动源模拟，仿真步长设为156 μs。系统的仿真结构图如图 7所示，SVG，SVC和无功波动源都接于35 kV母线。

图 7 系统仿真结构图

Figure 7. System simulation block

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SVC控制算法是根据式(1)，(2)，(3)，(4)编写而成的C语言模块，然后由FORTRAN文件编写接口^[11-12]。而SVG单元是由基本模块串联而成的三相桥^[13]，控制模块根据式(5)及图 4、图 5所示的控制算法搭建。SVC及SVG控制模块如图 8和图 9所示。

图 8 SVC控制模块

Figure 8. SVC control block

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图 9 SVG控制模块

Figure 9. SVG control block

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无功波动源是最大0~40 Mvar可变的三相不平衡感性无功波动源，充分模拟该钢厂的电弧炉无功功率变化。图 10为投入无功源之后TCR环内电流，可以看出三相TCR环内电流并不同步，响应了相应的不平衡。

图 10 TCR环内电流

Figure 10. Phase current of TCR

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图 11为无功源投入之后，SVG发出的无功功率。SVG发出最大近16 Mvar的容性无功功率，且感性无功值基本均小于0.3 Mvar，从另一个角度可以看出SVG响应速度优异。

图 11 SVG发出的无功量

Figure 11. Reactive power generated by SVG

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为了考察SVG补充功率的真实效果，首先投入SVC，然后投入波动无功负荷，并不投入SVG，仿真结果如图 12所示。

图 12 投入SVC，未投SVG负荷和母线的无功功率

Figure 12. Reactive power on load and grid without SVG

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在图 12中，QL为负荷无功波动源无功功率，Q1_35 kV为35 kV母线处的无功功率，在4.5 s负荷产生较大的无功波动，而此时只投入SVC，母线处仍有将近18 Mvar的感性无功，这种现象在5.5 s处负荷波动中也有类似的情况，证明在进行电弧炉改造后，SVC系统并不能完全补偿负荷的无功功率; 而在5.3s处，母线有将近20Mvar的容性无功过冲，对比图 11可知，此处的容性无功冲击在SVG并没有呈现，且不是负荷造成，因此是由于SVC不能及时响应造成的，也说明SVC较SVG响应较慢^[14-15]。

进一步将SVC和SVG联合注入后，如图 13所示。与图 12相比，在4.5 s和5.5 s处母线的无功缺口功率基本得到了抑制，结合图 11，SVG起到了快速抑制剩余无功的作用。

图 13 负荷与母线的无功功率

Figure 13. Reactive power on load and grid with SVG and SVC

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4. 结论

电弧炉现场无功补偿系统进行SVC和SVG联合应用探索，需要明确两种装置各自的功能空间，即以TCR配套FC为无功功率补偿主体，并特别针对不平衡、负序等工况; 而SVG以其优良的更快速的响应性能，承担剩余无功功率抑制的任务。在这种分工前提下，参考补偿点位置至关重要，本文提出的方案SVC装置是无法捕捉到SVG功率补偿信息，即SVG参考位置在SVC上端，进行剩余无功功率补偿。但在实际中，SVC和SVG不可能同时响应，存在一定延时，因此对于容量有限的SVG，必须做前置限幅来防止过容量补偿指令带来的系统故障保护。处理完善参考点之后进行了PACAD/EMTDC系统仿真，从仿真结果来看，SVC和SVG联合应用可以起到预定的功率补偿效果，为其向广西电弧炉现场应用提供了理论和仿真级参考。

图 1 CUP系统光路示意图

Figure 1. Schematic diagram of CUP system

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图 2 实验光路排布图

Figure 2. Schematic diagram of experimental light path

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图 3 实验中实测编码压缩图和解码重构结果

Figure 3. The measured result in experiment and the reconstruction result

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图 4 紫外透射编码模块结构示意图

Figure 4. Configuration of the UV transmission encoding module

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图 5 X光编码示意图

Figure 5. The encoding method of X-ray

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图 6 实验排布图

Figure 6. Schematic of experimental setup

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图 7 静态编码图像

Figure 7. Static image of the encoding pattern with and without graphics mask of Li (a) without graphics mask (b) with graphics mask

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图 8 动态实验结果图像

Figure 8. Images of the dynamic experiment

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图 9 基于超快压缩照相技术和宽阴极X射线条纹相机的扫描分幅系统基本设计

Figure 9. Basic design of scanning framing system based on CUP technology and wide cathode X-ray fringe camera

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施引文献

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1. SVC与SVG无功补偿的基本原理
1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理
1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理
2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状
3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真
4. 结论

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doi: 10.11884/HPLPB202234.210250

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王　峰，lfrc_wangfeng@163.com

计量

Application of compressed sensing technology in laser inertial confinement fusion

1. SVC与SVG无功补偿的基本原理

1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理

1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理

2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状

3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真

4. 结论

期刊类型引用(4)

其他类型引用(2)

计量

目录

1. SVC与SVG无功补偿的基本原理

1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理

1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理

2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状

3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真

4. 结论

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压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

doi: 10.11884/HPLPB202234.210250

作者简介: 王 峰，lfrc_wangfeng@163.com

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出版历程

Application of compressed sensing technology in laser inertial confinement fusion

1. SVC与SVG无功补偿的基本原理

1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理

1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理

2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状

3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真

4. 结论

期刊类型引用(4)

其他类型引用(2)

计量

出版历程

目录

1. SVC与SVG无功补偿的基本原理

1.1 基于斯坦门茨理论的SVC补偿原理

1.2 基于瞬时功率理论的SVG补偿原理

2. 广西某钢厂电弧炉的无功补偿现状

3. 基于PSCAD/EMTDC的SVC/SVG联合应用仿真

4. 结论

作者简介:
王　峰，lfrc_wangfeng@163.com