开云app 合肥工大研究团队: 核聚变发电装置快控电源的滑模电流控制新方法
等离子体平衡控制是可控核聚变发电的必要保障，全超导托卡马克核聚变发电装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）是控制等离子体平衡以实现可控核聚变的重要装置，其中快速控制电源跟踪参考电流信号快速输出目标电流是实现等离子体垂直位移平衡控制的重要环节。
合肥工业大学黄海宏、陈昭等在2025年第16期《电工技术学报》上撰文，提出了一种改进灰色预测新型快速变幂次趋近率滑模控制方法，以加快EAST快控电源输出电流动态响应速度和保证各个支路电流平衡。通过对灰色预测模型背景值重构和滚动预测操作，设计一种新型快速变幂次趋近率以加快滑模系统收敛速度，保证并联支路电流良好的一致性和输出快速性。
图1 托卡马克装置
研究背景
在实际工程应用中，EAST快控电源采用多个H桥逆变电路并联运行结构，根据参考电流快速输出目标电流是首要控制目的，各个支路输出电流均衡是维持EAST快控电源稳定工作的保障。现阶段工程上采用比例-积分控制实现EAST快控电流控制，但在输出电流快速性和支路电流均衡控制等方面还有较大优化空间。输出电流的预测控制能够实现轨迹预测以提高电流动态响应速度，非线性鲁棒控制在工作环境复杂的EAST快控电源中能够较好保障控制的稳定性。
论文所解决的问题及意义
{jz:field.toptypename/}灰色预测只需少量已知目标信息，即可实现目标量的预测，在EAST快控电源输出电流反馈环节中进行输出电流轨迹灰色预测能加快输出电流响应速度。滑模控制是一种动态响应快速的非线性鲁棒控制方法，已在EAST快控电源电流跟踪控制和支路的环流抑制控制中得到应用。
数字控制延时，灰色预测累加序列构造过程中还原值曲线与实际电流曲线凹凸性不一致，开云灰色预测构造背景值过程存在误差，等问题均导致输出电流轨迹预测存在偏差。滑模面收敛速度需进一步加快以及固有抖震需得到抑制，使得EAST快控电源快速准确输出电流，并保证各个并联支路输出电流性能均衡而有效抑制支路间的环流。
EAST快控电源输出电流灰色预测的精度提升，滑模控制函数的快速稳定性优化，均是输出电流优化控制过程中需进一步解决的问题。
论文方法及创新点
1、对灰色预测的三点改进
在传统灰色预测中提出三点改进：基于输出电流响应曲线的凹凸性，对累加序列进行重构保证累加序列的凹凸性与实际输出电流凹凸性一致；在背景值构造中结合微积分思想实现背景值重构以减小灰色预测误差；将第一次灰色预测输出值应用于原始序列中替换最老旧历史信息值，以实现两步滚动灰色预测来保证输出电流突变边沿的预测精度和补偿数字控制延时。
2、提出一种参数时变指数型双幂次快速趋近率
趋近率呈现快速幂次趋近率的特性，参数能根据滑模面误差自动调整，当系统离滑模面较远时保证系统快速趋近滑模面，当系统离滑模面较近保证系统快速达到滑模面且减小抖震。
图2 灰色预测滑模控制方法框图
结论
1）能有效提升输出电流动态响应速度。
2）对输出电流的预测精度更加准确。
3）各并联支路输出电流一致性更好。
图3 所提控制方法下输出电流波形
团队介绍
团队成员隶属于合肥工业大学电气与自动化工程学院功率变换研究所，长期致力于电力电能变换和新型电能传输方向研究工作。团队主要研究领域涉及核聚变Tokamak装置用超大功率电源、PWM整流器、有源电力滤波器、动力电池健康状态快速评估装置等多方面。
团队在黄海宏教授的带领下于2015年获安徽省科学技术奖一等奖，2022年获安徽省教学成果奖特等奖，2023年获国家级教学成果二等奖。主持完成和在研国家自然科学基金区域创新发展联合基金（重点支持项目）、国家自然科学基金面上项目、国家重点基础研究发展规划项目(973)项目课题、安徽省科技重大专项等多项国家级和省级纵向课题；主持完成企事业委托项目三十余项，发表科技论文一百余篇。
本工作成果发表在2025年第16期《电工技术学报》，论文标题为“全超导托卡马克核聚变发电装置快控电源的改进灰色预测滑模电流控制”。本课题为国家自然科学基金区域创新发展联合基金资助项目。