（1） 系统介绍

EAST 等离子体垂直位移快速控制电源（简称：EAST 快控电源）,是EAST 超导托克马克核聚变试验装置高功率电源系统的组成部分之一。它与装置真空室内的一组主动（有源）控制线圈（IVC），形成等离子体垂直位移控制的主动控制。同时与装置的被动反馈（无源）导体一起，构成装置等离子体垂直位移控制系统。等离子体控制系统检测等离子体垂直位移，计算出对应磁场所需要的主动反馈线圈的励磁电流，作为指令信号发送给电源系统，电源系统实时跟踪输入指令，并进行线性放大，产生快速变化的磁场来抑制等离子体的不稳定垂直位移。

其物理目标是：抑制等离子体固有（特别在大拉长位形下）的垂直不稳定性，控制等离子体在垂直方向的快速漂移，实现等离子体在垂直方向的平衡与定位。

EAST快控电源原系统于2006年投入运行，维修改造项目自2012年初启动，2014年6月完成验收，并投入2014年实验运行。

（2） 系统原理图

EAST 快控电源，实质上是一个大容量的AC/DC/AC 单相逆变电源----具有电流源特性的电压源型逆变器。系统组成主要有：高压断路器，整流变压器，AC/DC 整流器，DC/AC 逆变器，滤波与钳位，均流与保护，电流引线，负载，以及监测、控制、诊断与保护子系统。其系统框图如图1所示。

图1 快控电源系统框图

AC/DC 整流器采用多相（36相）不控整流及干式整流变压器，整流变压器容量560 kVA，电压10 kV/0.7 kV,短路阻抗6%。原方绕组具有±5％电压调节抽头，副方绕组与原方绕组分别相差±5°，±15°，±25°；每一相位绕组有两个同样的绕组，作为每个AC/DC/AC 功率单元模块正负电源的交流输入，每四个AC/DC/AC功率单元模块共用同一相位绕组。

DC/AC 逆变器采用三电平二极管钳位半桥逆变器及电流闭环控制。每单元整流器与逆变器构成一个AC/DC/AC 功率单元模块。功率单元模块框图如图2所示。

图2 快控电源功率单元模块图

系统由24个功率单元模块组成，控制上分为二组。采用PWM调制技术，功率单元模块的开关频率为7.5 kHz，每组12个功率单元模块应用载波相移多重化技术，等效合成频率为90 kHz。该设计的优点在于高可靠性及易于灵活增容。

故障保护：

系统设有完备的过压、过流、短路和过热保护以及其它常规保护；电源输出端设有双向快速撬棒保护。系统同时设有软件保护与硬件保护。功率单元模块故障时，应立即封锁控制脉冲，自动退出运行；当系统故障或等离子体破裂时，所有功率单元模块立即封锁控制脉冲；快速撬棒立即启动，负载及回路的磁场储能迅速转移消耗；直流侧电容同时迅速泄放；交流高压开关断开，系统退出运行。

监测、控制、诊断与保护子系统：

主要功能在于实现EAST快控电源系统的程序控制与实时控制，现场监控与远程监控，以及系统的故障保护。实现系统的数据采集与存储、处理与显示、故障诊断与保护、系统内部的通讯以及与中心控制的通讯等。

监测、控制、诊断与保护子系统由远程监控和现场监控二部分组成。远程监控由远程监控与故障诊断计算机组成；现场监控主要由现场采集与监测计算机、现场控制计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、单元模块控制器等组成；远程监控和现场监控使用光纤和RS485通信。可编程逻辑控制器（PLC），用于系统运行的程序控制与保护。功率单元模块控制器，用于功率单元模块PWM信号的产生，闭环控制及快速保护等。现场控制计算机，作为可编程逻辑控制器与功率单元模块控制器的上位机，主要承担系统运行的管理与控制。包括系统的参数设定，故障查询，运行记录，及系统电流跟踪信号的分配等等。现场采集监控计算机采用PXI工控机，主要完成对系统的数据采集、处理、存贮、显示及数据传输等工作。远程监控与诊断计算机位于总控室内，距离快控电源安装现场约100米，与现场计算机通过光纤和RS485通信。主要接收现场采集的运行数据，同时进行数据处理、存贮、显示，以及故障诊断，并远程控制电源系统的运行。

EAST快控电源新系统采用6个H桥支路并联，每个H桥支路由3个H桥级联输出1600 V电压。直流侧通过二极管不控整流给电容充电，支路输出端串联均流电感，保证系统均流。电源输出端并联RC及压敏电阻抑制电压变化率及输出过电压。其系统结构如下图所示：

图3 快控电源新系统结构

快控电源新系统原理图如图4所示, 控制系统框图如图5所示。

图4 快控电源新系统原理图

图5 快控电源新系统控制系统框图

（3） 系统参数与性能

快控电源负载为4个水冷快控线圈串联，线圈连接方式为正向或反向串联。负载电感约为86 uH。

快控电源原系统由24个功率单元模块组成，控制上分为二组。采用 PWM 调制技术，功率单元模块的开关频率为7.5 kHz，每组12个功率单元模块应用载波相移多重化技术，等效频率为90 kHz。主要技术指标如下：

最高输出电压：Um＝±800 V

额定输出电流：In＝±2500 A，150 s

短时过载能力：Im＝±5000 A，1 s

电流跟踪频率：f≥100 Hz

电流响应时间：tr≤5 ms，-9000 A 到9000 A。

快控电源新系统由18个功率单元组成，功率器件采用1200 V/2400 A的IPM，器件开关频率5 kHz, 采用倍频及载波移相技术，系统等效开关频率为180 kHz。其主要技术指标如下：

最高输出电压：Um＝±1600 V

额定输出电流：In＝±6000 A，100－150 sec，（逆变环节四象限运行）

负载占空比:   D/T=(100－150) s / 2800 s

短时过载能力：Im＝±9000 A，0.1 sec  

响应时间≤1 ms。

电流响应时间：tr≤2 ms，-9000 A到9000 A

（4） 系统运行模式

快控电源运行模式为四象限、脉冲运行，稳态电流6000 A, 短时过载电流9000 A, 0.1 s，跟踪频率大于100 Hz。电源具备电流反馈控制和电压开环控制两种运行模式。电源过流保护采用反时限保护，电压控制时还增加了截流功能，确保电源安全运行。在电流反馈控制情况下，某个支路发生故障退出，通过设置比例饿分配电路，将其余支路给定电流放大（不超过支路最大运行电流），以维持实验的继续进行，增强系统运行可用性。

（5） 系统维护模式

快控电源主要系统维护设备为：10 kV高压开关、干式变压器、电源功率单元模块、控制系统、接口及保护系统和信号采集系统。其常规维护为设备除尘、绝缘检测及运行测试，保证设备正常工作，配合物理实验新的要求，对电源进行改进。

（6） 其它

系统其它需要说明的要素