ICRF系统PSM高压电源谐波分析及治理研究

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EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)装置是我国自制的全超导托卡马克装置,近期成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。更高的温度和更长的运行时间对辅助加热系统提出了更高的功率和长脉冲稳态运行要求。离子回旋共振加热作为EAST装置中最有效的加热手段之一,而高压直流电源系统的性能直接决定高功率射频发射机系统的运行稳定性。因此,本文针对初级电子管和末级电子管研制适合的阳极高压电源。该电源主要采用脉冲阶梯调制(PSM)固态模块化电源技术,具有低纹波、高功率因数、低谐波含量、快速保护、短路能量低和宽调制范围等优点。另外,得益于模块化的优点,两级放大器高压电源均采用冗余设计,从而保持高压电源系统运行的稳定性和可靠性。本文主要分析了基于PSM技术的阳极高压电源,对该电源技术的电路拓扑、调制方式和保护机制进行研究,搭建输出功率分别为400kW和5040kW的两套样机,并测试通过。另外,由于EAST长脉冲稳态运行的时间延长,PSM高压电源对电网造成的谐波污染不可忽视,所以分别利用MATLAB对12脉波和24脉波两种整流方式分析PSM高压电源对电网侧产生的谐波污染。另外,发射机运行期间负载并不是恒定,所以分析了静态与动态下不同负载特性的谐波含量以及纯阻性下各种负载动态产生的特征次谐波含量,对比各次数谐波含量后,判断负载大致变化趋势。仿真结果表明,感性和容性负载对总谐波畸变率影响很小,而动态阻性负载产生较大的总谐波畸变率,多集中在24脉波整流产生的24k±1次以及2~8次的低次谐波;阻值动态范围越大,低次谐波越严重。最后,针对PSM电源网侧的谐波分布特点,对比常用的无源滤波器和有源滤波器方法,提出适合高压、大容量场合的注入式并联型混合有源滤波器方案进行谐波抑制。然后,总结该混合型滤波器的器件参数优化规律并进行了仿真模拟,提高了谐波抑制能力和无功补偿能力效果,抑制并联谐振,避免发生谐波放大。仿真结果表明:该方法可以有效抑制ICRF系统的谐波,并提高系统的运行效率。
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