20 mrt. 2018
4 minuten
Het bedrijf Ampulz in Coevorden heeft onlangs een aanbesteding gewonnen om voor het Max-Planck Institut für Plasmaphysik in Duitsland een 140 MW gelijkstroomsysteem te ontwerpen en te leveren. Hun ambitie? Deze technologie inzetten voor een modulair systeem om energie te dirigeren in elke gewenste richting.
Door Erwin Lenten
Met de zon als het grote voorbeeld wordt al vele jaren onderzoek gedaan naar de mogelijkheden en praktische toepassingen voor het gebruik van kernfusie. Dit gebeurt veelal onder de paraplu van het internationale project Iter (zie kader). Wetenschappers gebruiken daar zogenaamde tokamaks voor, ‘donutvormige’ reactoren waarin waterstofgassen gedurende enkele seconden worden verhit tot een plasma van miljoenen graden. Supergeleidende magneten worden tot -269 graden afgekoeld en genereren een sterk magnetisch veld om het geïoniseerde plasma in de tokamak te laten circuleren, waarbij het niet de metalen wanden raakt. Het voedingssysteem van Ampulz zal de energie leveren die voor het verhitten en het modeleren van het plasma nodig is.
Uitbreiding voedingsinstallatie
Het Max-Planck instituut, dat met hun onderzoek bijdraagt aan de voorbereidingen van het Iter-project, wil de komende jaren de plasma-verhittingstijd verlengen tot 10 s voor hun tokamak. Deze dient als opstap naar de uiteindelijke Iter-tokamak. Naast een langere verhittingstijd is er ook behoefte aan een betrouwbaar systeem met een geringe kans op storingen. Door deze eisen vormen de voedingssystemen steeds meer de limiterende factor voor de huidige tokamaks.
Het Max-Planck Institut für Plasmaphysik (IPP) wil daarom de huidige voedingsinstallatie voor hun eigen tokamak uitbreiden. Via een openbare aanbesteding zijn de daarvoor benodigde eisen als een functionele specificatie beschreven en nu is het aan Ampulz om dit op basis van hun winnende ontwerp te realiseren. Ampulz maakt zelf het ontwerp en voor de realisatie werkt het bedrijf als hoofdcontractor samen met zo’n dertig toeleveranciers. Eind 2019 zal het nieuwe systeem dan getest en wel in Duitsland beschikbaar moeten zijn voor onderzoek bij IPP.
Belangrijkste functies
In de specificatie zijn een aantal belangrijke functies opgesteld waaraan het nieuwe systeem moet voldoen voor het optimaliseren van het blindstroomverbruik en voor een vier kwadrantenbedrijf zodat het plasma in de tokamak zo goed mogelijk kan worden verhit en worden afgekoeld. Ampulz zal het systeem ook voorzien van een nieuw digital control en data-acquisition platform. Dat moet in hoge mate modulair zijn opgebouwd om bestaande AD-converters te kunnen vervangen in geval van storing en zodra er nog strengere eisen zullen gelden voor de gewenste verhittingstijd.
Het nieuwe digitale control platform regelt de aansturing van het nieuwe voedingssysteem. Dit platform bestaat uit een verzameling PCB’s die met glasvezel gegevens uitwisselen. Om de veiligheid en consistentie van foutafhandeling te garanderen worden voor bijna alle functies (steeds goedkoper wordende) FPGA’s gebruikt. Zo kan de benodigde processing voor een applicatie gedecentraliseerd worden. Het platform verwerkt de metingen van een ADC direct om vervolgens gebruik te maken van de maximale sample snelheid en om in staat te zijn om een hogere regelbandbreedte te kunnen halen.
De 1000 Mbit fysieke laag (volgens het OSI-model) van de IEEE Ethernetstandaard zorgt voor de uitwisseling van de data tussen de verschillende PCB’s. Daar bovenop draait een eigen protocol van Ampulz dat voorziet in de benodigde snelle responsetijd en real-time karakteristieken.
Er zijn meer dan vijftig PCB’s nodig om alle meetgegevens voor de besturing te verwerken. Maar dankzij de schaalbaarheid van het control platform kan Ampulz een project als dit voor het IPP aannemen.
Die schaalbaarheid en het real-time gedrag van het nieuwe control platform is een belangrijk element voor toekomstige functionaliteit. Het biedt nieuwe mogelijkheden in decentrale distributie en opslag van energie. De meerderheid van de PCB’s zijn ADC-functies die met drie Msample/s 8 kanalen tegelijkertijd metingen uitvoeren om de werking en veiligheid van het systeem te waarborgen. Het IPP kan echter als klant gebruik maken van de normale ethernet verbinding om live meetgegevens binnen te krijgen van het systeem.
Nieuwe toepassingen
De ontwikkeling van het nieuwe control platform biedt de mogelijkheid nieuwe hoogwaardige technologie te ontwikkelen ten behoeve van nauwkeurige energy flow control. Een voedingssysteem met 4 kwadrantenbedrijf maakt het mogelijk om naast positieve en negatieve energiestromen ook blindstroomcompensatie te regelen in Q1, Q2, Q3 en Q4-bedrijf.
Het 4 kwadrantenbedrijf
Ondanks dat het systeem voor IPP zeer geavanceerd wordt qua control, vraagt de applicatie vanwege de grote stromen om traditionele schakeltechnieken met thyristoren en nulpunts-thyristoren voor blindstroom optimalisatie. Thyristoren zijn qua prestaties bij hoge vermogens nog steeds niet te evenaren met nieuwere technologieën zoals IGBT’s en SiCFET’s. Echter, bij lagere vermogens tot 10MW is het mogelijk de thyristoren te vervangen door bijvoorbeeld IGBT’s in een Active Front End (AFE) configuratie. Hiervoor kan hetzelfde control platform worden gebruikt. Een AFE is een bi-directionele AC- naar DC-converter die een vergelijkbare functie vervult; het kan AC-energie uit het net halen, bufferen en terugleveren aan hetzelfde net of aan een ander net, op elk gewenst moment. Technologie die relevant is voor het regelen van elektrische energiestromen in iedere gewenste richting, bijvoorbeeld opslag in accu’s of naar lokale gebruikers die daar om vragen.
De regelprincipes en functionaliteit die binnen het IPP project worden geïmplementeerd vormen daarmee direct een basis voor AFE-toepassingen. Daarmee komen kennis en functionaliteiten vanuit het IPP-project direct beschikbaar voor andere hoogvermogen DC-applicaties waarbij modulariteit, decentrale regeling en specifieke implementatie ter voorkoming van netvervuiling een grote rol spelen.
Anderen lazen ook
