Supercapacitors-based Pulsed Power Supply for the ASDEX Upgrade Toroidal Field Coil

ASDEX Upgrade is an experimental tokamak where the physics of nuclear fusion relevant plasmas is studied. Its electrical power is provided by three flywheel generators that are charged up before the start of each experiment with up to 15 MW for several minutes. The stored energy is then used to satisfy the high power needs during an experiment - called plasma pulse - of up to 450 MVA. The largest one of the three flywheel generators could not be replaced in case of a major fault because currently there are no comparable devices available on the free market. Therefore, the development of an alternative power supply system with high power and energy and fully controllable output is planned. Supercapacitors are well known for their very high specific power. Combining this technology with a proper power converter topology such as the modular multilevel converter, it would be possible to feed the coils of future tokamaks with higher performance and reliability. This topology, indeed, allows a discrete-leveled output voltage and, thanks to its high modules number, it can operate continuously even in case of fault of some of them, while a flywheel generator could not. This dissertation shows the concept of the mentioned power supply, highlighting advantages and challenges compared to existing technologies, focusing on reliability, scalability and flexibility with the idea of adapting this solution even for different applications in the future. Furthermore, a small-scale demonstrator composed by four identical modules has been built, and it has been tested in three different configurations: serial, parallel and combined serial/parallel. The serial configuration has been tested to validate the developed control strategy, the parallel one is fundamental for the scalability of the system and the last configuration validated their combination. The experimental results are shown and compared with simulations, and finally a clearer picture about the scalability of the system was developed.

ASDEX Upgrade ist ein experimenteller Tokamak, in dem die Physik kernfusionsrelevanter Plasmen untersucht wird. Seine elektrische Energie liefern drei Schwungradgeneratoren, die vor Beginn jedes Experiments für einige Minuten mit bis zu 15 MW aufgeladen werden. Die gespeicherte Energie wird dann verwendet, um den hohen Leistungsbedarf während eines Experiments – Plasmapuls genannt – von bis zu 450 MVA zu decken. Der größte der drei Schwungradgeneratoren könnte im Falle eines größeren Schadens nicht ersetzt werden, da derzeit keine vergleichbaren Geräte auf dem freien Markt erhältlich sind. Daher ist die Entwicklung eines alternativen Stromversorgungssystems mit hoher Leistung und Energie und voll regelbarer Leistung geplant. Superkondensatoren sind bekannt für ihre sehr hohe spezifische Leistung. Durch die Kombination dieser Technologie mit einer geeigneten Stromrichtertopologie wie dem modularen Multilevel-Umrichter wäre es möglich, die Spulen zukünftiger Tokamaks mit höherer Leistung und Zuverlässigkeit zu speisen. Diese Topologie ermöglicht in der Tat eine diskret geregelte Ausgangsspannung und kann dank ihrer hohen Modulanzahl auch im Fehlerfall einiger von ihnen kontinuierlich weiter arbeiten, während ein Schwungrad-generator dies nicht kann. Diese Dissertation zeigt das Konzept der genannten Stromversorgung, zeigt Vorteile und Herausforderungen gegenüber bestehenden Technologien auf, konzentriert sich auf Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Flexibilität mit der Idee, diese Lösung auch für andere Anwendungen in der Zukunft anzupassen. Darüber hinaus wurde ein kleiner Demonstrator aus vier identischen Modulen gebaut und in drei verschiedenen Konfigurationen getestet: seriell, parallel und kombiniert seriell/parallel. Die serielle Konfiguration wurde getestet, um die entwickelte Strategie zur Ansteuerung zu validieren, die parallele ist grundlegend für die Skalierbarkeit des Systems und die letzte Konfiguration validiert ihre Kombination. Die experimentellen Ergebnisse werden gezeigt und mit Simulationen verglichen, um abschließend ein klareres Bild über die Skalierbarkeit des Systems zu entwickeln