SMESと電流型交直変換器を用いた 大強度陽子加速器用電磁石電源の

 と電流型交直変換器を用いた
大強度陽子加速器用電磁石電源の設計
古川 光治
伊瀬 敏史 大阪大学
原子力研究所と高エネルギー加速器研究機構の統合計画
として建設中の大強度陽子加速器施設では
のシン
5/'5
5/'5
はじめに
クロトロンの設置が予定されており，その最大有効電力は
! にものぼる
．この電源としては他の原子力研究
所内設備及び原子力研究所外部の電力品質に悪影響を与え
5/
5/
'5
'5
ないように検討を行う必要がある．
での運転においては，電磁石用電源として自励式
の電流型交直変換器を用いることにより，電力補償装置を
5/
れることが確認されている
5/
'5
追加することなく，系統電圧の変動を許容範囲内に抑えら
．これに基づき，はじめに最
対応の電流型交直変換器を " 台設置
して で運転し，後にさらに " 台の交直変換器を増
設することによって直流側の出力電圧の面でも 対応
'5
図
大出力電流が
全体の回路構成
# $
#% &
!" として，この増設と同時に系統電圧の変動を抑制するため
の電力補償装置を設置するというのが，現在の計画である．
# $# の特徴をいかして電力補償装置を交
本研究では，
直変換器の直流側で連係することにより，交直変換器を増
て
設することなく，電力補償装置のみを設置することによっ
対応とする回路方式について検討する．
回 路 構 成
# $# を直流側で連係する場合の全体の回路
構成を図 に示す．この図の回路は， 対応時に増設
する " 台の交直変換器の代わりに # $# を " 台設置したも
のであると考えることが出来る．また，この図の回路を "
つに等分し，その つを詳細に示したのが図 % の回路であ
る．図 の破線で囲まれた部分がこれに相当する．
# $# は電流源であるため，電流型交直変換器と直流側
で連係するためには，図 % に示すように &''% でコン
はじめに，
$#%
#%
!" 図
モジュールの主回路構成
本研究では，この図
% の回路についてシミュレーション
を行う．
デンサ電圧を一定に制御することによりいったん電圧源に
&'' を介して接続する．図 におけ
る # $# のブロックは，図 % における超伝導マグネット本
体に加えて &''，&''% およびコンデンサを含
むものである．# $# の 台のエネルギー容量は ( ) と
変換してから，
制 御 方 式
. に *+, , の通電パターンを示す．*+/
, , に流れる瞬時電流を とすると，*+,
, のもつ抵抗 0 1%(2 およびリアクタンス
0 "(3 より，*+,
, の両端にかかる電圧
図
した．
*+, , の負荷容量も全体の -" としている．
½
+PLGEVKQP
U
M#
#EEGNGTCVKQP
U
'ZVTCEVKQP &GEGNGTCVKQP
U
U
3
·
´½ ·
½
µ
· ·
½
2.5
2
# $# 電流一定制御のブロック図
図
1.5
1
20
0.5
0.275Hz
1
1.5
2
2.5
3
3.5
U
*+, , の通電パターン
図
Gain (dB)
0.5
0
−20
−40
M8
1
Phase (rad)
4
2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0
−1
3.5 U
-2
10
−2
10
−1
0
10
Frequency (Hz)
10
1
-4
図
図
*+, , の両端電圧のパターン
は次式で表される．
0 4 .
この式と図 の通電パターンより得られた
の両端電圧のパターンを図
に示す．
# $# 電流一定制御系のボード線図
0 4 4 4
4 4 4 .
%
# $#
*+, , の電力変動分を補償するという目的から，
の直流成分を通さず，6%137 以上の交流成分につい
て となることが理想的である．6%137 とは，*+,
, 電流の繰返し周期が .6" であることから得られ
ここで， は一定値であるので，第 項目は無視し
てもよい．第 項目は，
の電流を一定に制御しつつ
*+, ,
# $# と交直変換器で必要な電力を分担す
*+, , の電流フィードバック制御は &'/
' を用いて行う．交直変換器は，*+, , 電流
本研究では，
るが，
の指令値に対応してあらかじめ設定された電圧を直流側に
る電力変動の周波数である．ここでは，初期状態から定常
出力するよう制御する．この電圧は図
状態におさまるまでの時間も考慮して，
の電圧を基準に設
# $# 電流の制御の仕方によって設定が異なる
ので，
〈・%〉
および
〈・.〉
節で検討する．
&''% はコンデンサ電圧を一定に制御する．
フィードバック制御による # $# 電流一定制御系のブロッ
ク図を図 に示す．ここで， は # $# に現在蓄えら
した．この場合のボード線図を図
定するが，
交直変換器の交流側電流は，フィルタによる共振を防ぐ
る制御を行う．
これらをまとめたシステム構成を図
を図
れているエネルギーであり， はその指令値である．
これらは
のリアクタンス ，現在の
電
電流指令値 より，次式で表
流 および
# $#
# $#
( に示す．
1 に，制御系の詳細
シミュレーション結果
〈・ 〉
せる．
" に示す．
ため，電流の微分をフィードバックして電流指令値に加え
# $#
0 % 0 % と
0 %
0 これらの差を取り，5 制御器から得られた出力 は，
交直変換器の出力電力指令値である．図 において，
は # $# と *+, , との間でやり取りされる電
で運転する場合
運
はじめに，
運転を行うために必要な設計を確認するために，
転時におけるシミュレーションを行った．この場合の主回
8 に示す．この回路においても，図 % と同様に，交
直変換器は全 " 台のうち 台を取り出したものであり，負
荷容量は *+, , の全負荷容量の " とした．こ
の場合のシミュレーション結果を図 に示す．
図 より，*+, , 電流は指令値に十分追
従できており，この設計で 運転が可能であること
路を図
力である．このブロック図をもとに の応答を求める
と，次式のようになる．
%
Ibm
M#
Ibm2
2.4
2
1.6
1.2
0.8
3
#
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
8 U
7.5
電流
Iinva2
Iinvb2
Iinvc2
#
!
"
0
"
# 0.4
1
##
$
0.5
0
-0.5
図 システム構成
-1
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
交直変換器の各相の変調率
P
/9/8CT
4.5
1
-2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
U
交直変換器の交流側での有効電力および無効電力
-6
Q
8
図 運転におけるシミュレーション
結果
〈・〉 充電電力を平均的に分配した場合
次に，提
運転時におけるシミュレー
ションを行った．電流型交直変換器が直流側に出力する電
圧の初期設定値は，交直変換器の最大出力電力を
運
転時と同程度にするという目的から，図 で与えられる電
圧の とした．
シミュレーションの結果を図
に示す．図
の
よ
り，
電流の一定制御が成功していることが分かる．図
の
，
より，
電流は目標値に追
従できていることが分かる．図
の
より，交直変換器
の出力有効電力が全体的に正側に偏っていることが分かる．
これは，システムの損失を補償するためのフィードバック制
御による影響である．また，このときの交直変換器の最大出
力電力は
であった．図
の
より，図 で示
した電圧の予測値は正しいことが分かる．図
の
より，
案する回路方式について
# $#
9
図 制御のブロック図
交直変換器の直流側電圧は，図
,
*+, ,
:
168 !
.
+
の + と比較して正側に
偏っていることが分かる．これは，システムの損失を補償
するため，交直変換器の有効電力が全体的に正側にシフト
の の &''
6(∼%6. の間で
変動している．この場合，&'' と % の間のコンデン
サの電圧は " 程度必要となる．ゆえに，&'' を構
しているためである．このため，図
図
モジュールの主回路構成 の出力電圧は負側に偏っており，
9 より，交直変換器の交流側の各相の変
調率は最大で 近くまで達しており，交流電源電圧の設定
値は適切であると考えられる．図 : より，有効電力は
41. (( ! の間で変化している．無効電力はほ
ぼ 6( 進み で一定であり，これはフィルタに用い
成する素子には高い耐圧のものが必要になる．
たコンデンサの無効電力である．
から決めるのではなく，交直変換器が軽負荷となる時の直
〈・〉 充電電力を初期設定で分配した場合
さきほ
どの
〈 ・〉
節の結果より，フィードバック制御のみを用いて
電流の制御を行った場合， 周期全体で平均して充電
を行うため，高い
電圧が必要となることが分かっ
た．そこで，本節では，交直変換器の両端電圧を図 だけ
が分かる．図
%
# $#
.
&''
Ibm
M#
M8
Ibm2
3.5
3
2.8
2.1
2
1.4
0.7
1
0
39
40
41
42
44
U
43
電流
0.5
#
-1
1.5
-2
1
1.5
2
2.5
3
3.5 U
2.5
0.5
-0.5
図 交直変換器の直流側電圧の初期設定
-1.5
39
40
41
42
44
U
43
電流のトラッキングエラー
P
/9/8CT
Q
8
6
&'' が出力しなければならない電圧を可能な限り
低くした．
4
2
0
39
40
41
42
44
U
43
交直変換器の交流側での有効電力および無効電力
# $# 電流はフィードバック制御を用いない場合にも
*+, , 電流の 周期のうちに充放電のバラ
ンスがほとんどとれており，フィードバック制御は補
M8
助的なものとなるようにした．
6
4
2
0
交直変換器の直流側電圧の上限は，はじめに設計した
交流側電圧により出力可能な値とした．
-2
-4
-6
39
40
41
42
44
U
43
運転時の最大
交直変換器の出力電力の上限は，
出力電力と同程度に抑えることとした．
の両端電圧
M8
6
;+'< , の電力と足し合わせたときのピー
ク電力が小さくなるように，ピーク電力になる時点で
4
2
の交直変換器の出力電力を小さくして，この時点では
0
&'' の出力電力が大きくなるようにした．
シミュレーションの結果を図 . に示す．図 の , よ
り，# $# 電流の一定制御が成功していることが分かる．
図 の ，9 より，*+, , 電流は目標値に
追従できていることが分かる．図 の : より，交直変
換器の有効電力は軽負荷時や $=: の期間で大きく
なっており，この期間に # $# のエネルギーが充電されて
-2
-4
-6
39
40
41
42
43
44
U
43
44
U
電流型交直変換器の直流側の両端電圧
M8
6
4
2
0
-2
-4
-6
39
40
41
42
いることが分かる．この場合の交直変換器の最大出力電力
の出力電圧
16 ! であった．図 の より，交直変換器の直
流側電圧は，図 % とほぼ一致していることが分かる．これ
により，# $# の充放電はフィードバック制御にほとんど
は
M#
4.5
4
3.5
3
2.5
頼ることなくバランスが取れていることが分かる．このた
2
の の &'' の出力電圧はバランスが取
&'' と % の間のコンデンサの電圧は .
程度でよい．ゆえに，&'' を構成する素子の耐圧は，
〈・%〉
節の例より低くすることが出来る．
〈・〉 系統電圧変動のシミュレーション結果
図 .
の : より，*+, , 用電源の電力変動のパター
1.5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
め，図
45
U
電流
れており，
図
充電電力を平均的に分配した場合のシミュ
レーション結果
流側電圧をはじめから高く設定しておくことによって効果
ンが分かる．このような電力変動のパターンに対して，系
的に充電を行い，これによってフィードバック制御による
統電圧がどのように変化するかをシミュレーションによっ
充電量を可能な限り減らし，必要な
て解析した．
るという方式について考える．
このために設定した電圧を図
&'' 電圧を低減す
に，シミュレーションにおいて想定した系統のイ
ンピーダンスマップを示す．各>インピーダンスの基準は
? である．*+, , 電源及び ;+'<
, 電源は，電流源で模擬した．
図
% に示す．この初期設定電
圧は，繰り返しシミュレーションを行って経験的に決めて
いるが，その際に考慮した条件を以下に列挙する．
Ibm
M#
Ibm2
3WCFTWRQNG
/CIPGV
3.5
<
2.8
<
2.1
$GPFKPI /CIPGV
CPF 5/'5
1.4
0.7
0
21
22
23
24
2QYGT 5WRRN[
26
U
25
M8M8
/8#
M8
電流
#
1.5
1VJGT .QCFU
図 系統のインピーダンスマップ
1
0.5
0
-0.5
1
-1
-1.5
21
22
23
24
0.5
26
U
25
0
電流のトラッキングエラー
-0.5
P
/9/8CT
Q
-1
8
3
6
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8 U
7
7.5
8
U
ラインにおける電圧変動率
4
2
0
-2
2
-4
21
22
23
24
1
26 U
25
0
交直変換器の交流側での有効電力および無効電力
-1
M8
-2
6
3
4
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
ラインにおける電圧変動率
2
0
-2
-4
図 系統電圧の変動率のシミュレーション結果
-6
21
22
23
24
26
U
25
の両端電圧
ま と め
M8
6
4
# $# を用いる
2
大強度陽子加速器用電磁石電源として，
0
-2
方式について検討した．その結果を以下に要約する．
-4
# $# を用いた電力補償装置を 対応の交
直変換器の直流側で連係することにより， 対
-6
21
22
23
24
（ ）
26
U
25
電流型交直変換器の直流側の両端電圧
応の電源システムから交直変換器を増設することな
M8
6
く 対応とする回路方式を提案した．
% *+, , 電流について，提案した回路方式
4
2
0
（ ）
-2
-4
を用いた場合も指令値に追従できることを確認した．
-6
21
22
23
24
. # $# と交直変換器との電圧分担を適切に行うこ
とにより，直流電圧 . のチョッパと ( ) の # $#
を " 台ずつ増設することによって に拡張可
26
U
25
（ ）
の出力電圧
M#
4
3.65
3.3
2.6
0
5
10
15
20
25
分に抑制できることを確認した．
30
U
"
電流
能であることを確認した．
（ ） 提案した方式を用いた場合，系統電圧の変動を十
2.95
今後の課題としては， 台の交直変換器と
# $# を連係
して制御する方式について考えることと，今回のシミュレー
図 充電電力を初期設定で分配した場合のシ
ミュレーション結果
ションモデルについて，小容量のモデルで実験を行い，そ
の性能を確認することである．
文
に示す．図 の より， ラインにおける電圧変動幅は 6%∼
6%>となる．図 の 9 より，"" ラインにおける
電圧変動幅は 6%∼6(%8>となる．これらの結果より，
# $# による電力補償によって系統電圧変動が十分に抑制
この場合のシミュレーション結果を，図
献
（ ） !"
# $
%"& '
(& ') *++,,)+--+
"++.,-
（ ） 武藤 * /$( 01 主リング電磁石電源の概要説明，00 年 月
日
（ ） 武藤 * 01 リングの 01 運転時に於ける電力及び電圧変動
について，00 年 月 日
されていることが分かる．