基于PSCAD磁飽和式可控電抗器的研究與仿真

王慧麗，王春雨

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，可控電抗器不僅在高壓電網(wǎng)中作為電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕?，而且在配電網(wǎng)中也作為消弧系統(tǒng)的主要元件。傳統(tǒng)機(jī)械式可控電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但是調(diào)節(jié)速度慢，同時(shí)伴隨機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使用壽命低;傳統(tǒng)調(diào)磁式可控電抗器響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制也比較復(fù)雜，而且會(huì)帶來(lái)大量的諧波污染。因此，為了解決可控電抗器現(xiàn)存的問(wèn)題，本文介紹一種磁飽和式可控電抗器，它是通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變直流控制電流的大小，從而改變鐵心的飽和程度，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電感量的目的。

1 磁飽和式可控電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］

圖1為單相磁飽和式可控電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖2為其結(jié)構(gòu)電路圖?？煽仉娍蛊饔蓛蓚€(gè)等截面(截面積為S)、等長(zhǎng)度(長(zhǎng)度為l)的主鐵心Ⅰ、Ⅱ和為使電抗器電流正負(fù)半波對(duì)稱的兩個(gè)等截面、等長(zhǎng)度的旁軛Ⅰ、Ⅱ組成。為使主鐵心飽和，主鐵心的截面積小于旁軛截面。鐵心Ⅰ和旁軛Ⅰ、鐵心Ⅱ和旁軛Ⅱ分別組成兩條交流磁通ΦA(chǔ)的回路，鐵心Ⅰ和鐵心Ⅱ組成直流磁通ΦD的回路。每個(gè)鐵心柱上繞有總匝數(shù)為N的上、下兩個(gè)繞組，每個(gè)繞組各有一個(gè)抽頭，分別與晶閘管VT1、VT2相連，抽頭比δ=N2/N，N=N1+N2。不同鐵心的上、下兩個(gè)繞組交叉聯(lián)接后并聯(lián)至電網(wǎng)，續(xù)流二極管VD跨接在兩個(gè)繞組的交叉處。

2 磁飽和式可控電抗器的工作原理［2］

若VT1、VT2不導(dǎo)通，根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可知，此時(shí)電抗器與空載變壓器沒(méi)有差別。當(dāng)電源處于正半周時(shí)，晶閘管VT1承受正向電壓，VT2承受反向電壓，若VT1被觸發(fā)導(dǎo)通(即a，b兩點(diǎn)等電位)，電源經(jīng)變比為δ的線圈自耦變壓后，由匝數(shù)為N2的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。同理，若VT2在電源負(fù)半周時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通，也將產(chǎn)生直流控制電壓和電流，而且，控制電流的方向與VT1導(dǎo)通時(shí)一致。在電源的一個(gè)工頻周期內(nèi)，晶閘管VT1、VT2的輪流導(dǎo)通起了全波整流的作用，二極管起著續(xù)流作用。改變VT1、VT2的觸發(fā)角α便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵心的飽和度，以平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)電抗器的容量。

假設(shè)晶閘管VT1、VT2以及二極管VD都為理想開(kāi)關(guān)器件，電抗器有5種工作狀態(tài):

3 磁飽和式可控電抗器的數(shù)學(xué)模型［3］

3.1 可控電抗器的電磁方程

圖3 可控電抗器的工作狀態(tài)圖

設(shè)鐵芯Ⅰ、Ⅱ的磁勢(shì)分別為F1、F2，磁路長(zhǎng)度為l。根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)電路圖，可得可控電抗器的磁勢(shì)方程為

設(shè)鐵心電阻為R，截面積為S。可控電抗器在狀態(tài)1的電磁方程如式(1)所示，其它幾種狀態(tài)同理可推出。

3.2 可控電抗器的等效電路

由可控電抗器的電磁方程，可得控制電壓為

于是，主回路和控制回路的電壓方程分別為

式中:δ為抽頭比;S為鐵心截面積;ic為控制電流;i為電抗器總電流。

由式(2)、式(3)可得可控電抗器等效電路，如圖4所示。

圖4 可控電抗器的等效電路

4 可控電抗器在消弧系統(tǒng)中的應(yīng)用［4］

根據(jù)磁飽和式可控電抗器的原理制作的消弧線圈，可應(yīng)用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)中。如果忽略電導(dǎo)的影響，以A相電壓為參考向量，則中性點(diǎn)位移電壓為

其有效值為

式中:Uφ為系統(tǒng)對(duì)地電壓有效值;IC為三相總電容電流有效值;IN為流經(jīng)消弧線圈電流有效值;UN為系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓有效值。

通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角來(lái)調(diào)節(jié)可控電抗器的電感，可得兩組節(jié)點(diǎn)方程，將兩式相除則有:

由式(4)－式(6)可見(jiàn)，只要測(cè)得兩組UN、IN的值，就可計(jì)算出三相總電容電流。當(dāng)晶閘管觸發(fā)角α=180°時(shí)，電抗器的感抗很大，中性點(diǎn)位移電壓不大，故可忽略電感電流，消弧線圈上的電壓可認(rèn)為就是系統(tǒng)不對(duì)稱電壓，記為UC，則式(6)可寫(xiě)為

根據(jù)上式，只要在可控電抗器空載狀態(tài)下測(cè)得其兩端電壓UC，再增加激磁，測(cè)得1組UN、IN，即可計(jì)算出IC。

5 仿真分析

為了進(jìn)一步研究可控電抗器的特性，采用了電力系統(tǒng)分析軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真研究。根據(jù)前面推導(dǎo)出的可控電抗器的等效電路，建立了可控電抗器的仿真模型，如圖5所示。

圖5 磁飽和式可控電抗器的仿真模型

設(shè)定磁飽和式可控電抗器的參數(shù)如下:單相容量為1 kVA，Um=380V，δ=0.015，N=500，R=10 Ω。圖6為可控電抗器從空載到額定負(fù)載過(guò)渡過(guò)程的工作電流波形，自耦比δ為0.015時(shí)，過(guò)渡時(shí)間約為0.3 s。圖7為可控電抗器工作電流的穩(wěn)態(tài)波形。

在額定電壓下，工作電流標(biāo)幺值隨晶閘管觸發(fā)角改變而變化的仿真曲線如圖8所示，其中每0.1代表1 rad。由圖8可見(jiàn)，可控電抗器的調(diào)節(jié)特性近似余弦關(guān)系。

圖8 可控電抗器的調(diào)節(jié)特性

6 結(jié)論

本文介紹的磁飽和式可控電抗器，是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變控制電流產(chǎn)生的直流磁通大小，使鐵心的工作點(diǎn)隨之改變，從而達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電抗值的目的。通過(guò)對(duì)可控電抗器工作原理與數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)分析，在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:磁飽和式可控電抗器具有調(diào)節(jié)性能好、原理簡(jiǎn)單、技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

［1］田銘興，勵(lì)慶孚，王曙鴻．磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數(shù)學(xué)模型［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，Vol.17(04):18 －21．

［2］陳湘，童澤，歐陽(yáng)廣．磁飽和式可控電抗器的工作特性及其仿真研究［J］．高壓電器，2009，Vol.45(02):53 －56．

［3］陳柏超．新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用［M］．武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，1999．41 －114．

［4］周臘吾，都磊，肖磊等．磁飽和式可控電抗器在配電網(wǎng)電容電流檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．繼電器，2007，Vol.35(suppl):311－314．