J-PARC MR主電磁石電源の高調波ノイズ - SPring-8 Accelerator

J-PARC MR主電磁石電源
の高調波ノイズ
中村衆、岡村勝也、仁木和昭、高井良太、秋川藤志
高エネルギー加速器研究機構
J-PARC MR 電磁石電源グループ
J-PARC MRのスケジュール
(2007 / 12)
2008 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
総合調整運転
インストール
ビーム(3GeV)運転
パターン通電試験
ビーム(30GeV)運転
インストール
J-PARC全体図
MR
RCS
D3
リニアック変電所
LINAC
50GeV変電所
D1
154kV受電
D2
電力系統図
~
電圧歪み<1%
MS系
25+25MVA
66/6.6kV
原科研施設へ
110MVA
154/66kV
CE-800sq 1c × 3
1.4 km
CVT-325sq
1.4 km
50MVA
66/22kV
東京電力
154kV 50Hz
CE-800sq 1c × 3
0.8 km
S3系 30MVA
66/6.6kV
S2系
30+30MVA
66/6.6kV
S1系
D1
D2
10.8次 HP
23.5次 FL
D3
MRの主電磁石以外
ニュートリノ
…
一般負荷
LINAC
…
RCS
物質生命
50GeV特高変電所
リニアック変電所
J-PARC MR 主電磁石（B,Q,S)
偏向電磁石：96台 + 基準電磁石(1台)
電源…BM1~6
2.2kA / 7.1~7.5MVA
四極電磁石：216台(11ファミリー)
電源…QDR(6), QFR(9), QDS(6), QFS(6),
QDT(6), QFT(6), QDX(27), QFX(48),
QDN(48), QFN(48), QFP(6)
1.0~1.1kA / 0.4~3.1MVA
六極電磁石：72台(3ファミリー)[ + 共鳴六極(8台)]
電源…SFA(24), SDA(24), SDB(24)
~0.3kA / ~0.2MVA
全体のピーク電力…~50MVA(@40GeV)
電磁石電源の構成
ハイブリッドフィルタ
9パルス(450Hz)の電流形変換器
・スイッチング素子：IGBT or IEGT
・力率がほぼ１
高調波の測定
•運転条件
D2電源棟のQFN電源とD3電源棟のQFX電源を運転
運転パターンは3、10、20、30GeV相当のDC運転
(消費電力は30GeV DC ≈ 40GeVパターン)
QFN電源とQFX電源の単独運転と同時運転
RCSとLINACは調整運転
高調波フィルタはS系の11次と13次のFC(各1MVar)を投入
•測定点
50GeV変電所のMS系一次側66kV
50GeV変電所のMS系二次側22kV
リニアック変電所の一次側66kV
D3電源棟の受電盤22kV
リニアック変電所での電圧高調波
Run 試験条件
THD [%]
Run 試験条件
THD [%]
V1, V2, V3
V1, V2, V3
9 QFX 3GeV, QFN 3GeV
0.34, 0.30, 0.32
1 QFN 3GeV 0.38, 0.38, 0.0
10 QFX 10GeV, QFN 10GeV
0.46, 0.43, 0.46
2 QFN 10GeV 0.56, 0.53, 0.47
11 QFX 10GeV, QFN 10GeV, Filter x 1 0.43, 0.37, 0.39
3 QFN 20GeV 1.23, 1.20, 1.15
12 QFX 10GeV, QFN 10GeV, Filter x 2 0.51, 0.49, 0.52
4 QFN 30GeV 1.25, 1.25, 1.15
13 QFX 20GeV, QFN 20GeV, Filter x 2 1.65, 1.62, 1.60
5 QFX 3GeV
0.63, 0.43, 0.42
14 QFX 30GeV, QFN 30GeV, Filter x 2 1.35, 1.37, 1.34
6 QFX 10GeV 0.75, 0.63, 0.54
15 QFX 30GeV, QFN 30GeV, Filter x 4 1.34, 1.33, 1.33
7 QFX 20GeV 1.25, 1.20, 1.15
16 QFX 30GeV, QFN 30GeV
開始前測定 0.35, 0.32, 0.0
8 QFX 30GeV 1.10, 0.95, 0.88
1.96, 1.88, 1.93
開始前測定
-./012345
高調波に対するフィルタの効果
&"$
6789##:;5
$!<=;>?@?9##:;A
$!<=;>?@?9BB:;A
CDEFG?@?9BB:;A
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$
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フィルタ(11次、13次)無し(Run16)
フィルタ(11次、13次)有り(Run15)
./0123
./0123
+,
#
(
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#
(
$$
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,-
%#
&#
&(
)*+
流出高調波の影響をシミュレート
by Micro-Cap
66kV母線の電圧がどのように
歪むかを検討
トランスはL、
ケーブルはL,C、
負荷はRで模擬
電磁石電源は電流源（実測または別途
シミュレーション）で模擬
測定結果との比較
Run16
QFX
30GeV
QFN
30GeV
実測
~1.9%
Run15
QFX
30GeV
QFN
30GeV
Filter
4MVA
実測
~1.3%
MS系フィルタ
D2電源棟
10.8次HP：4.5MVar
23.5次FL：2.0MVar
合計：6.5MVar
•投入時のサージ電圧
•過進相
MS系フィルタ投入サージ
"##
"##
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23-.41
34./562
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#
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*+,-./0-12
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234.51
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•定常的には~1.3%の電圧上昇
•突入電流は最大500A程度
•力率は100%→98%(進み)に減少
$#
#
!$#
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$&%
5月に行われるMRの運転(3GeV DC)を模擬
(高調波電流の値は、東芝の設計時の見積もりから)
MS系
フィルタ無し
MS系
フィルタ有り
12月に行われるMRの運転(30GeV パターン)を模擬
MS系フィルタ有り
(高調波電流の値は、東芝の設計時の見積もりから)
1% > 0.97%
ではあるが、余裕がないため追加フィルタの検討が必要。
高調波発生のシミュレーション
by PSCAD
•QFX電源を模擬(30GeV DC)
•MS系トランスの二次側22kVでの電圧と電流を比較
0.01e-6
0.14e-30.125
1.5
625e3
332
1875e3
498
Vcw1
Vcv1
Iw1
0.1e-6
I_hct1
0.1e-6
0.1e-6
Iz1
Iy1
0.015
0.015
0.01e-6
0.01e-6
0.01e-6
Iv1
0.1e-6
0.1e-6
0.1e-6
0.01e-6
0.01e-6
GPulas4
G
GPulas4
G
7.58e-3
7.58e-3
Vpfly2
7.58e-3
0.1e-6
0.5
1e-6
Ido
1e-6
0.01e-6
*
0.5
D
D
0.01e-6
0.01e-6
GW2
G
Iv2
Iw2
0.01e-6
G
0.1e-6
0.1e-6
0.1e-6
Idco
Vcw2
268
GV2
0.001
V2RS
V2ST
Vd2
6
Icx2
6
0.1e-6
GY2
G
0.1e-6
268
D
D
0.01e-6
5
D
0.01e-6
4
D
Icz2
268
D
0.01e-6
3
0.1e-6
0.01e-6
D
0.01e-6
Gall2
2
0.01e-6
Icy2
268
D
GX2
1
D
Vaz2
0.01e-6
0.1e-6
0.01e-6
GZ2
GY2
0.01e-6
GX2
GW2
0.01e-6
GV2
GU2
0.01e-6
Vay2
Vcy2
5
D
0.01e-6
4
G
D
0.01e-6
3
D
0.01e-6
2
GZ2
0.01e-6
D
Vax2
1
Gall1
Z2 Module
0.01e-6
GY1
Vcx2
GW1
Iz2
GY2
G
0.01e-6
GU1
GZ1
GZ2
G
0.1e-6
G
7.5e-3
Id2A
0.001
0.01
Vl2
Y2 Module
G
GX1
Vcz2
GX2
0.01e-6
X2 Module
Iy2
Ix2
0.1e-6
0.1e-6
V2TR
GV1
F
0.01e-6
Vcv2
Vcu2
0.01e-6
D
0.1e-6
D + +
0.01e-6
0.01e-6
D
G
Iu2
Id_P
Ido
0.01e-6
268
0.001
V2R2
0.001
I2S2
I2T2
0.01e-6
0.01e-6
D
D
Icw2
0.1e-6
GU2
I2R2
D
Vaw2
0.01e-6
0.01e-6
D
Vdo
Idc
G
0.01e-6
0.01e-6
0.01e-6
0.01e-6
D
Id_N
Id1
GW2
Icv2
268
0.272
0.272
G
Vd
W2 Module
Icu2
0.1e-6
0.242
GZ1
Id1
D
Vav2
0.01e-6
#2 Bridge-A
D
0.472
1875e3
0.14e-3
498
0.125
625e3
332
Vcz1
1.5
0.01e-6
0.01e-6
Vcy1
Vpfrx2
Vpfcy2
D
G
G
D
Vau2
Cable
37.9 m_ohm
2.36 uF
GPulas8
Vpfry2
D
GV2
QFX(48)
1.632 ohm
2.35 H
0.726 uF
GPulas8
G
0.392
Vcx1
1
2
3
Iu1D
0.01e-6
0.01e-6
Vcu1
Iu1G
Iu1
Ix1
0.01e-6
0.01e-6
G
0.392
BRK1
GPulas7
268
GY1
G
V2 Module
0.242
0.272
0.272
GX1
G
0.392
0.392
G
0.018 0.018
D
1.0e-3
GU2
0.272
0.272
GPulas3
0.242
Vd
GPulas7
1.0e-3
U2 Module
0.392
0.392
G
G
0.1e-6
Iz2
GPulas3
326.7
D
0.1e-6
0.01e-6
Iy2
G
0.01e-6
Ix2
0.01e-6
Iw2
268
0.01e-6
Iz1
Iv2
0.01e-6
D
Vpfcx2
D
0.001
Iy1
Vaz1
0.01e-6
D
GPulas6
0.472
D
Icz1
0.1e-6
Iw1
Ix1
Iu2
D
0.01e-6
0.01e-6
Iv1
Vay1
268
1.0e-3
Iu1
GZ1
Icy1
0.1e-6
0.01e-6
Vcz2
D
0.01e-6
Vcy2
D
0.01e-6
Vcx2
THYgate
THYgate
T
0.472
G
G
Icx1
0.01e-6
Vcw2
Z1 Module
G
D
Vax1
Qs
Vcz1
Vcv2
500
0.472
GPulas6
0.018 0.018
1e-6
Ps
Vcy1
500
C
22kV-50Hz
Vcx1
GY1
7.58e-3
G
326.7
B
Vcw1
Vcu2
Y1 Module
G
GPulas5
0.018 0.018
GX1
GPulas5
G
326.7
#3
1.44 [kV] 1.44 [kV]
326.7
Vd1
P
Vcv1
#1
Idiode2
C 22.0 [kV]
0.1e-6
1e-3
C
C
IssT
Q
B Power
Vcu1
V1ST
A
BRK1
VsT VsTR
B
1e-6
IssS
GPulas2
0.018 0.018
C
VsST
X1 Module
A
G
Vthy1
T 22kV/1.44kV-2MV
%IZ=1.6%
C
Vdiode
0.242
G
326.7
VsS
C
0.001
D
0.018 0.018
B
B
B
2.0 [MVA]
1e-3
B
B
GPulas2
0.001
V1RS
0.242
7.58e-3
G
0.018 0.018
1.0e-3
#2
66.0 [kV]
22.0 [kV]
G
Id_P
D
326.7
#1
C
A
A
1e-6
GPulash
0.018 0.018
B
1.0e-3
1e-3
A
A
IssR
IBRKA VsR VsRS
GPulash
G
GW1
G
1e-6
326.7
IssT
A
Idiode1
VsTR
A BRK1
50.0 [MVA]
0.018 0.018
A
G
Vpfcy1
V1TR
66kV-50Hz
1.0e-3
326.7
IssS
Vpfry1
Vpfly1
D
GV1
G
Vpfcx1
3
IssR
VsST
D
D
60
VsRS
D
268
25e-6
I1T2
Vs
Vpfrx1
0.1e-6
0.01e-6
I1R2
V1R2
0.001
I1S2
dc
VsR VsT
VsS
D
GU1
Ph
(31)
F = 50.0 [Hz]
268
0.01e-6
I1T2
0.01e-6
V1TR
0.01e-6
Mag
(31)
0.1e-6
0.01e-6
I1S2
D
D
Icw1
0.01e-6
dc
V1ST
Vaw1
0.01e-6
I1R2
0.01e-6
FFT
IssR
268
0.01e-6
F = 50.0 [Hz]
0.01e-6
0.01e-6
VsRS
V1RS
D
Icv1
0.1e-6
D
Ph
(31)
D
Icu1
Mag
(31)
FFT
G
D
Vav1
0.472
1e-6
0.1e-6
G
Vaku1D D
0.01e-6
#1 Bridge-A
GW1
Ipfy
Vaku1
D Vaku1D2
Vau1
W1 Module
0.5
G
GV1
0.1e-6
V1 Module
Ipfx1
Ipfx
GU1
0.01
0.1e-6
U1 Module
Ipfx
7.5e-3
Id1A
0.001
Vl1
0.1e-6
Idc1
Id_N
0.242
電圧、電流高調波の比較
#!!
#!!
45678
+9:((;<
+,-./0123
+,-./0123
#!
#
!"#
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#!
#
!"#
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# $ % & ' ## #$ #% #& #' (# ($ (% (& (' $#
# $ % & ' ## #$ #% #& #' (# ($ (% (& (' $#
)*
)*
•11、13、23、25次は再現している。
•電圧の低次に差がある。
シミュレーションから得られた高調波電流を元に、系統のイン
ピーダンスマップから電圧歪みを計算していきたい。
まとめ
•MR主電磁石電源の運転時に発生する高調波の測定を行っ
た。
•フィルタ無で5月のビーム運転を行うことは不可能である。
•MS系の高調波フィルタ(6.5MVar)を使用することで、電圧歪み
率を1%以下に抑えることが可能である。
•上記のフィルタを投入する際には、サージ電圧と過進相の問
題がある。
•上記のフィルタを投入しても、12月のビーム運転では電圧歪み
率が1%を超えてしまうかもしれない。
•PSCADによる電源シミュレーションによって、各電源から発生
する高調波の見積もりを行っている。

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