托卡马克磁体电源无源滤波器阻抗-频率特性计算与测量_物理_自然科学_专业资料。第 ３８卷 第 ２期 ２０１８年 ６月 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 ＮｕｃｌｅａｒＦｕｓｉｏｎａｎｄＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ 文章编 号 ：０２５４－６０８６（
第 ３８卷 第 ２期 ２０１８年 ６月 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 ＮｕｃｌｅａｒＦｕｓｉｏｎａｎｄＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ 文章编 号 ：０２５４－６０８６（２０１８）０２—０２１６—０５ ＤＯＩ：１０．１６５６８／ｊ．０２５４．６０８６．２０１８０２０１５ Ｖ＿ ０ｌ＿３８．Ｎ Ｏ．２ Ｊｕｎｅ２０ｌ８ 托卡马克磁体 电源无源滤波器 阻抗一频 率特性计算与测量 瞿 俊，李 骥 ２，茆 华风，吴亚楠 （１．中国科 学院 等离 子体 物理研 究 所 ，合肥 ２３００３１；２．国 网安 徽省 电力 公司检 修 公司 ，合 肥 ２３００３１） 摘 要 ：针对托卡 马克磁体 电源 无源 滤波器运行特 点 ，计算推导 了单调谐和高 通滤 波器 等效频率 偏差 工况下 的阻抗特性 ，提供了一种基于低压高精度 电压／电流的阻抗频率特性测量方法 ，通过 ＩＴＥＲ极 向场 电源测试用无 源 滤波器阻抗 实验验证了该方法的有效性 ，所得结论可为 ＩＴＥＲ谐波抑制及无功补偿 系统现场试验提供有益 的理论 和 工 程 参 考 。 关键词 ：托卡 马 克磁 体 电源 ；无 源滤 波 器 ；等效 频 率偏 差 ；阻 抗频 率特 性 中 图 分 类 号 ：ＴＬ６２３ 文 献标 志 码 ：Ａ １ 引言 无源滤波器因其具有结构简单 、运行可靠 、直 挂 电压等级高 、能 同时兼顾无功补偿等优点 ，在托 卡马 克谐波抑制及无功补偿 系统 中得到广泛应用 ［１－３］ 。 其阻抗频率作为最主要的特性指标 ，更是直 接决定无源滤波器的谐波抑制效果 。本文首先针对 托卡马克磁体电源无源滤波器运行特点 ，推导了单 调 谐 和 高 通 滤 波 器 频 率 偏 差 工 况 下 的 阻 抗 特 性 表 达式 ，提供 了一种低压高精度阻抗频率特性测量方 法 ，通过 ＩＴＥＲ极 向场（ＩＴＥＲＰＦ）磁体 电源 测 试用无 源滤 波器 实 验 ，对 比分 析 了计算 和 测量 的阻 抗频 率 特性 曲线 ，可为在建的 ＩＴＥＲ无功补偿及谐波抑制 （ＩＴＥＲＲＰＣ＆ＨＦ）系统提供有益参考 。 ２ 磁体 电源无源滤波器特点 托卡马克磁体 电源系统将交流 电能转换 为可 控的直流 电压／电流传输给装置内部磁体 ，从而实现 等离子体的产生 、约束 、维持 、加热以及等离子体 电流 、位 置 、形状 、分 布和 破 裂 的控 制 ｌ４曲］。尽 管 针对常规负荷的无源滤波器已较为成熟 ，然而 因用 于 上述 托卡 马克 磁体 电源 ，无 源滤 波器依 然表 现 出 极 大 的特 殊 性’剐：１）面 向多 时间尺 度 的谐波 负荷 ， 磁体 电源运行时长多变 ，短至毫秒 ，长达数小时 ， 放 电时可 能 出现 等离 子体破 裂 、超导 磁体 失超 等难 以预计的情况 ，因此无源滤波器面向的是多时问尺 度的特殊谐波负荷。２）运行时容易失谐 ，磁体 电源 功率变化急剧 ，毫秒量级且无时间规律的吸收／回馈 百兆瓦量级的有功 ，交换百兆乏量级 的无功 ，由此 造 成了 电网频 率和 电压的快 速波 动 ，无源 滤波 器 失 谐 。３）多滤 波频 率和 拓扑结 构并 存 ，磁 体 电源 依据 等离子体位置 、形状等参数四象限输出数十千安量 级 的 任 意 电流 波 形 ，并 根 据 阈值 适 时切 换 控 制 模 式 ，形成了大量 ６脉和 ｌ２脉并存的特征谐波 ，所 以需设置多种频率和拓扑的无源滤波器。４）快速变 化且频谱复杂的非特征谐波 ，由于等离子体运行的 不稳 定性 ，要求 磁 体 电源 １．６７／３．３３ｍｓ内快 速 响应 等离子体控制系统给定值 ，且能够实现 ２０ｍｓ内正 收 稿 日期 ：２０１７－０４—１１；修 订 日期 ：２０１８－０２—０５ 作者简介 ：瞿俊（１９７７一），男 ，安徽合肥人 ，硕士研究生 ，从事大功率 电器设 备检测研 究。 第 ２期 瞿俊等 ：托卡马克磁体 电源无源滤波器阻抗一频率特性计算与测量 ２１７ 负最 大 电压 的全 范 围变化 ，因此无 源滤 波器 需应 对 快速变化且频谱复杂的非特征谐波。由此可见 ，无 源滤波器的这些特 点都指 向了托卡马克实 际运行 工况 下 的阻抗 特性 。 ‘ ３ 等效频偏下滤波器阻抗 单调谐滤波器是调谐到某一谐波频率的 串联 电抗器 、电容器及 电阻器 回路 ，如图１ａ所示。其对 础定谐 波 的阻抗 为 ： 厂 １ 、 ＝ ＋ＪＩｎｃｏＬ一—▲＿Ｌ／ｌ （１） 图 １ 无源滤波器拓扑结构 ａ— —单调 谐 滤波器 ；ｂ一 高 通滤 波器 。 式 中 ， ｚ为 滤波 器次谐波 阻抗 ； 为滤 波器 谐 波电阻 ，主要 由滤波电抗器 电阻 、外加滤波电阻 、 电容器介质损耗及接线 电阻等构成 ；ｎ为谐波次数 ； 缈为工频角速度 ；Ｌ为滤波电抗器 电感值 ；ｃ为滤波 电容器电容值 。如果 ｎ：１／ ，单调谐滤波器就 则对于单调谐滤波器而 言，其ｎ次阻抗为 ： 厂 ．１ ］ ． ＋ ＋）础一而 Ｉ‘４） 二阶高通滤波器ｎ次阻抗为 ： ｚｍ 丽１ ＋ｃ去＋ｊｉ丽１ ｊ（５） 能有效吸收磁体 电源发出的次谐波。 二阶高通滤波器也称为二阶减幅滤波器 ，拓扑 结构如图 ｌｂ所示 ，其对次谐波的阻抗为 ： 此外 ，电容 器和 电抗 器在 制造 、安装 和调 试过 １ ， ，，１ １ 、一 Ｚｆｎ面 ＋【去＋ Ｊ 程中都会存在容差 ，且实际工况下 电容和 电感值会 （２） 因周围温度 、自身发热和绝缘老化等影响而发生变 式 中， 为高
