一種新型磁控電抗器及其性能分析

李曉明

(山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

0 引言

電抗器在電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。在一部分應(yīng)用領(lǐng)域，電抗器的電抗值固定不變，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域，需要電抗值能隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而改變。磁控電抗器(MCR)是一種電抗值可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電抗器［1］。磁控電抗器通過連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心上直流線圈中直流電流的大小來調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心的飽和程度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心上交流線圈(電抗線圈)電抗值的大小。前蘇聯(lián)科學(xué)家A.M.Bry-antsev 1986年提出的磁控電抗器方案有里程碑的意義，我國的科研人員也投入了很大熱情對磁控電抗器進(jìn)行研究［2-4］，已經(jīng)發(fā)表了許多研究結(jié)果［1-7］?，F(xiàn)有磁控電抗器的共同特征是:自勵式磁控電抗器的2個晶閘管都處在線圈的中間位置;自勵式磁控電抗器線圈不論是三角形連接還是星形連接，2個晶閘管對地電壓都很高(對地電壓等于額定電壓的1/2以上)。目前，現(xiàn)有的各種自勵式磁控電抗器都不適用于超高壓電力系統(tǒng)，而用于超高壓、特高壓的磁控電抗器都是他勵式磁控電抗器，這種磁控電抗器的運(yùn)行管理十分不方便。本文提出一種新型的、可應(yīng)用于超高壓和特高壓電力系統(tǒng)的自勵式磁控電抗器，并對這種新型的磁控電抗器進(jìn)行仿真分析與性能分析。

1 新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)與工作原理

新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a中:1，2為磁控電抗器的2個端子;3為閉環(huán)鐵心，閉環(huán)鐵心有4根鐵心柱，鐵心柱兩端有磁軛，鐵心柱與磁軛構(gòu)成磁通閉環(huán);D1，D2為晶閘管，由控制電路4控制;L1，L2，L3，L4為4只匝數(shù)相等的線圈，線圈匝數(shù)等于同電壓等級變壓器線圈匝數(shù)的1/2;L5，L6為2只匝數(shù)相等的線圈，線圈匝數(shù)比同電壓等級變壓器線圈的匝數(shù)少1%。

圖1 新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)圖

如果磁控電抗器的兩端子加額定交流電壓，且晶閘管D1，D2 截止，線圈L1，L2，L3，L4 有勵磁電流流過。由于線圈 L5，L6與線圈 L1，L2，L3，L4繞在同一鐵心柱上，且線圈L5，L6匝數(shù)比同電壓等級變壓器線圈的匝數(shù)少1%，所以，線圈L5，L6兩端電壓比磁控電抗器兩端額定交流電壓小1%。這樣，晶閘管D1，D2兩端有交流電壓，該電壓為額定電壓的1%。磁控電抗器線圈L1，L2，L3，L4有勵磁電流流過時，4只線圈所在鐵心柱的交流磁通都向上，分別經(jīng)最外的兩邊柱形成交流磁通閉環(huán)，磁控電抗器呈現(xiàn)最大電抗Zmax。

如果晶閘管 D1，D2全導(dǎo)通，則晶閘管 D1，D2構(gòu)成半波整流電路。L5線圈的直流電流向下流，L6線圈的直流電流向上流，2個電流相等，直流電流不會流出磁控電抗器的兩端子。L5線圈直流電流在鐵心中產(chǎn)生的磁通量等于L6線圈直流電流在鐵心中產(chǎn)生的磁通量，2個磁通方向相反，直流磁通在L5，L6線圈所在的2個鐵心柱之間形成閉環(huán)。由于L5，L6線圈所在的2個鐵心柱有直流磁通，鐵心出現(xiàn)飽和，L1，L2，L3，L4線圈出現(xiàn)較大的過勵磁電流，磁控電抗器呈現(xiàn)最小電抗Zmin。

調(diào)節(jié)晶閘管D1，D2導(dǎo)通量的大小，調(diào)節(jié)L5，L6線圈直流電流的大小，調(diào)節(jié)L5，L6線圈所在鐵心柱的飽和程度，磁控電抗器電抗值即可在Zmin～Zmax之間調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磁控電抗器電抗值的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1a所示新型磁控電抗器的特點(diǎn)是:交流磁通與直流磁通在中間的2個鐵心柱有重合，直流磁通產(chǎn)生的飽和只在中間的2個鐵心柱對交流磁通產(chǎn)生影響。

圖1b所示的新型磁控電抗器是把圖1a所示的四柱式磁控電抗器鐵心分解為2個兩柱式變壓器鐵心，其余結(jié)構(gòu)、連接方式及參數(shù)不變。圖1b所示磁控電抗器的工作原理與分析方法與圖1a所示磁控電抗器相同。

圖1b所示新型磁控電抗器的特點(diǎn)是:線圈L5產(chǎn)生的直流磁通路徑長度與線圈L1，L3產(chǎn)生的交流磁通路徑長度相等，線圈L6產(chǎn)生的直流磁通路徑長度與線圈L2，L4產(chǎn)生的交流磁通路徑長度相等。圖1b所示磁控電抗器的直流磁通路徑長度大于圖1a所示磁控電抗器。同等直流電流條件下，圖1b所示磁控電抗器線圈L5，L6的直流磁通小于圖1a所示磁控電抗器。

由于圖1b所示磁控電抗器的直流磁通路徑與交流磁通路徑完全重迭，而圖1a所示磁控電抗器的直流磁通路徑與交流磁通路徑只在部分路徑重疊，所以，同等直流磁通量的條件下，圖1b所示磁控電抗器直流磁通對交流磁通的影響大于圖1a所示磁控電抗器。

選擇較容易構(gòu)建仿真模型的圖1b所示磁控電抗器進(jìn)行仿真分析。

圖1中，D3為續(xù)流二極管，續(xù)流二極管的分析是公共知識，不再累贅?？梢栽诤雎岳m(xù)流二極管的條件下，研究磁控電抗器的基本工作原理。

2 磁控電抗器的仿真分析

2.1 暫態(tài)響應(yīng)時間仿真分析

新型磁控電抗器首先需要在10 kV電力系統(tǒng)使用，積累經(jīng)驗(yàn)后再提高電壓等級，所以，對10 kV新型磁控電抗器進(jìn)行研究分析。

用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱構(gòu)建圖1b所示磁控電抗器仿真模型，如圖2所示。具體參數(shù)如下:交流電壓=10 000 V;T1變壓器容量=577 kV·A;L1兩端電壓=5 000 V，L2兩端電壓=5000V，L3兩端電壓=5 000 V，L4兩端電壓=4 900 V。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

圖1所示新型磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端的交流額定電壓為100 V。

為了研究方便，也為了突出主要問題，研究晶閘管D1，D2全導(dǎo)通條件下磁控電抗器的特性。這樣，在圖2所示的磁控電抗器中，晶閘管D1，D2用二極管D1，D2代替。

圖2 新型磁控電抗器Simulink仿真模型

對圖2所示的新型磁控電抗器Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Measurement1電流測量儀表顯示的電流波形如圖3所示。從圖3可以觀察到，新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間為0.6 s。

圖3 新型磁控電抗器仿真實(shí)驗(yàn)電流波形

我國現(xiàn)有的磁控電抗器結(jié)構(gòu)如圖4所示。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱構(gòu)建圖4所示磁控電抗器的仿真模型，如圖5所示。具體參數(shù)如下:交流電壓=10000V;T1變壓器容量=577kV·A;L1兩端電壓=4900 V，L2兩端電壓=100 V，L3兩端電壓=100V，L4兩端電壓=4900 V。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

圖4所示現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端交流額定電壓為100 V，因此，圖1所示新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間與圖4所示現(xiàn)有磁控電抗器有可比性。

圖4 現(xiàn)有磁控電抗器結(jié)構(gòu)

圖5 現(xiàn)有磁控電抗器Simulink仿真模型

對圖5所示現(xiàn)有磁控電抗器Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Measurement1電流測量儀表顯示的電流波形如圖6a所示。從圖6a可以觀察到，現(xiàn)有磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間為1.4 s，輸出電流峰值為470 A?，F(xiàn)有磁控電抗器的輸出電流峰值如果需要與圖3一樣，也是270 A，則要降低現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端的交流額定電壓，或減小現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1，D2的導(dǎo)通角?，F(xiàn)有磁控電抗器的輸出電流峰值為270 A的電流波形如圖6b所示。從圖6b可以觀察到，現(xiàn)有磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間為8 s，暫態(tài)響應(yīng)時間更長。

2.2 綜合分析

(1)新型磁控電抗器晶閘管D1，D2的額定交流電壓是100 V，現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1，D2的額定交流電壓也是100V，都是通過低電壓電力電子器件控制10 kV高壓磁控電抗器。

(2)新型磁控電抗器有6個線圈，線圈沒有抽頭;現(xiàn)有磁控電抗器有4個線圈，其中2個線圈有抽頭:因此，新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與現(xiàn)有磁控電抗器相當(dāng)。

(3)新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間比現(xiàn)有磁控電抗器減小1/2以上;新型磁控電抗器與現(xiàn)有磁控電抗器的結(jié)構(gòu)都是各自工作原理的最基本結(jié)構(gòu)，兩者的對比分析也是在最基本結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行的;現(xiàn)有磁控電抗器會在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加措施，縮短暫態(tài)響應(yīng)時間:所以，現(xiàn)有磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間比圖6顯示的短。在現(xiàn)有磁控電抗器上采用的縮短暫態(tài)響應(yīng)時間的措施，也可以應(yīng)用于新型磁控電抗器，采用了縮短暫態(tài)響應(yīng)時間措施的新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間也會比圖3短。新型磁控電抗器與現(xiàn)有電抗器都取最基本結(jié)構(gòu)，暫態(tài)響應(yīng)時間是有可比性的。

(4)新型磁控電抗器2個晶閘管的位置在線圈一端，若線圈采用星形連接方式，端子2接地，2個晶閘管公共端子的電壓為零，晶閘管的整體對地電壓就很低，可減低晶閘管對地絕緣要求且降低制作成本。由于2個晶閘管公共端的對地電壓為零，新型磁控電抗器可用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)領(lǐng)域。

圖6 現(xiàn)有磁控電抗器仿真試驗(yàn)電流波形

3 結(jié)論

新型磁控電抗器的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有磁控電抗器相當(dāng);新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時間比現(xiàn)有磁控電抗器減小1/2以上;新型磁控電抗器可用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)。

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