新型磁控電抗器快速響應(yīng)技術(shù)

袁 劍 ，田翠華 ，田 成 ，陳柏超 ，王 軍 ，，聶德鑫 ，蔡 偉 ，袁佳歆

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷提高，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的傳統(tǒng)電抗器補(bǔ)償裝置不能很好地抑制電網(wǎng)工頻過電壓以及電壓波動(dòng)等狀況。作為一種新型連續(xù)可調(diào)型電抗器，磁控電抗器 MCR［1］（Magnetically Controlled Reactor）因其調(diào)節(jié)靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償以及限制系統(tǒng)過電壓，具有提高功率因數(shù)、降低線路網(wǎng)損、提高輸電線傳輸能力等作用，近年來受到越來越廣泛的關(guān)注及推廣［2-3］。

然而目前的磁控電抗器也有其自身局限性，主要問題之一便是響應(yīng)速度較慢［4］。特別是在應(yīng)用于抑制電壓閃變和自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈等情況時(shí)，磁控電抗器響應(yīng)速度較慢會(huì)使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，造成系統(tǒng)振蕩。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)［5］提出了通過加大抽頭比來提高磁控電抗器響應(yīng)速度的方法，但此方案會(huì)增大磁控電抗器的有功損耗，并使得晶閘管兩端電壓升高，降低系統(tǒng)可靠性。文獻(xiàn)［6］提出了基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的直流斬波快速勵(lì)磁方案，通過增大IGBT的脈沖寬度調(diào)制（PWM）中的脈寬來提高磁控電抗器的響應(yīng)速度，該方法在一定程度上提高了磁控電抗器的勵(lì)磁速度，但未能提高去磁速度。文獻(xiàn)［7］提出采用并入去磁電阻的方法快速去磁，盡管可以提高去磁速度，但會(huì)增大損耗且降低系統(tǒng)可靠性。

針對(duì)以上解決方案不同程度的局限性，本文提出基于IGBT的新型快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)，利用IGBT整流電路控制勵(lì)磁電流的大小及方向，克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)方法的缺陷不足。通過理論分析磁控電抗器的工作原理及響應(yīng)特性，提出相應(yīng)的快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)及其工作狀態(tài)控制。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的磁控電抗器快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)可將磁控電抗器的響應(yīng)時(shí)間減少到30ms以內(nèi)，有效提高了磁控電抗器工作性能，為磁控電抗器的應(yīng)用推廣提供幫助。

1 磁控電抗器工作原理分析

圖1所示為磁控電抗器的結(jié)構(gòu)原理圖，各參數(shù)定義詳見文獻(xiàn)［1-2］。磁控電抗器其結(jié)構(gòu)和外形與普通電力變壓器幾乎相同，特點(diǎn)在于磁控電抗器的鐵芯柱包含一些截面積較小的“磁閥”結(jié)構(gòu)，且其繞組結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的直流激磁電流回路。

圖1 磁控電抗器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural diagram of MCR

當(dāng)磁控電抗器接入交流系統(tǒng)中，通過外圍控制系統(tǒng)控制電抗器繞組環(huán)路中的直流勵(lì)磁電流大小可以改變電抗器鐵芯磁導(dǎo)率，從而達(dá)到改變磁控電抗器等效電感的目的。

圖2為磁控電抗器鐵芯飽和調(diào)節(jié)的原理圖，各參數(shù)定義詳見文獻(xiàn)［1-2］。

圖2 磁控電抗器鐵芯磁飽和原理圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic saturation of MCR iron core

由圖可知，直流勵(lì)磁電流實(shí)際上控制的是通過鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的直流分量Bd，該可控的直流分量與鐵芯中流過的交流磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加，可精確調(diào)節(jié)鐵芯中通過的總磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，進(jìn)而改變磁控電抗器容量［8］。

在磁控電抗器的工作中，特別是在動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)惹闆r下，調(diào)節(jié)改變磁控電抗器容量的響應(yīng)時(shí)間極為重要。經(jīng)研究推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，磁控式電抗器容量從空載到額定的響應(yīng)周期數(shù)估算為：

即磁控電抗器的響應(yīng)時(shí)間與抽頭比δ成反比。對(duì)大容量的磁控電抗器而言，一般抽頭比δ取值較小，因而其容量由空載到額定所需時(shí)間過長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間約在0.19～0.66s。在抑制電壓波動(dòng)閃變等情況下，這是絕對(duì)不會(huì)被允許的，無(wú)法滿足工程實(shí)際的需要，必須采取有效措施提高磁控電抗器在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)的情況下的響應(yīng)速度。

圖3為磁控電抗器工作原理圖。根據(jù)直流勵(lì)磁電流控制容量的原理可知，快速改變磁控電抗器容量的方法在于快速改變鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量，可通過提高直流控制電壓等方法來實(shí)現(xiàn)。

圖3 磁控電抗器工作原理圖Fig.3 Working principle of MCR

圖3中，控制回路由直流電壓源串聯(lián)阻抗提供所需直流勵(lì)磁電流，通過公式推導(dǎo)直流控制電壓大小與勵(lì)磁速度的關(guān)系。

直流控制回路方程為：

其中，Rk為控制繞組電阻；ik為控制繞組電流；Nk為控制繞組匝數(shù)；Ab為鐵芯截面積；B1、B2分別為鐵芯Ⅰ和Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的直流分量Bd=B1-B2，整理可得：

可知磁控電抗器鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量的變化速度與控制電壓大小有關(guān)，采用較高直流控制電壓即可快速增大直流勵(lì)磁電流，提高勵(lì)磁速度。

同理，對(duì)于去磁過程而言，如何快速降低直流勵(lì)磁電流的大小直接影響到退磁速度，考慮采用在滿容量情況下加入反向勵(lì)磁電源的方法加速去磁。則去磁過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量Bd下降速度的回路方程可表示為：

可知在需要去磁時(shí)，通過接入較高直流反向控制電壓，利用消磁作用即可提高去磁速度。

2 快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)

由于大容量直流源成本較高且不方便實(shí)現(xiàn)，通常采用交流電壓源整流提供直流勵(lì)磁電流。在傳統(tǒng)磁控電抗器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本文提出一種新型的快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖4所示。

圖4 快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic diagram of fast response structure

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于采用由IGBT組成的全控整流橋電路作為磁控電抗器的直流勵(lì)磁電路。該全控整流電路可以為系統(tǒng)控制部分提供所需的直流勵(lì)磁電流，通過調(diào)節(jié)控制繞組直流勵(lì)磁電流的大小，即可達(dá)到快速調(diào)節(jié)電抗器輸出容量的目的。由于IGBT通常會(huì)內(nèi)置反并聯(lián)二極管保護(hù)反壓，因而采用IGBT串聯(lián)二極管的方式來完成整流過程并起到保護(hù)作用。

通過控制IGBT的占空比，在需要快速勵(lì)磁時(shí)設(shè)置為高占空比，利用整流電路為控制回路輸出大的直流控制電流，快速增大直流分量，加快勵(lì)磁速度；在正常運(yùn)行時(shí)，使IGBT工作在較低占空比下，控制相應(yīng)的PWM脈沖寬度，提供維持磁控電抗器工作所需的直流控制電流即可；需要快速去磁降低容量時(shí)，可通過改變IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷情況，將IGBT調(diào)至高占空比狀態(tài)，使勵(lì)磁繞組通過反向逆變電路向交流側(cè)輸送能量，進(jìn)而快速降低勵(lì)磁電流。

2.1 快速勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)過程

當(dāng)系統(tǒng)需要快速增大磁控電抗器容量時(shí)，即需要提高磁控電抗器的直流勵(lì)磁電流，使磁控電抗器鐵芯盡可能快地達(dá)到飽和，直流勵(lì)磁電流越大，其響應(yīng)速度也越快。

勵(lì)磁過程相當(dāng)于一個(gè)整流過程。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到需要增大容量的信號(hào)后，利用PWM使IGBT轉(zhuǎn)換為高占空比狀態(tài)，并控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，使其通過整流過程輸入大的正向直流控制電流，快速增大磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量，以實(shí)現(xiàn)快速勵(lì)磁作用。

圖5所示為快速勵(lì)磁過程中電流的流向圖。該過程中IGBT處于高占空比狀態(tài)，輸出較大直流勵(lì)磁電流。由于IGBT響應(yīng)速度快，可迅速導(dǎo)通關(guān)斷。當(dāng)交流電壓源輸入正向電壓時(shí)，控制VT1、VT4導(dǎo)通；當(dāng)交流電壓源輸入反向電壓時(shí)，控制VT2、VT3導(dǎo)通。

圖5 勵(lì)磁過程電路圖（整流）Fig.5 Excitation process（rectification）

2.2 穩(wěn)態(tài)過程

在磁控電抗器達(dá)到所需容量時(shí)，利用PWM控制調(diào)節(jié)IGBT至低占空比，開關(guān)管導(dǎo)通情況與勵(lì)磁過程相同。根據(jù)所需容量對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流大小，控制相應(yīng)PWM的脈沖寬度，使整流電路輸出所需的正向直流勵(lì)磁電流，在考慮維持電路損耗的基礎(chǔ)上，使磁控電抗器的輸出容量維持在系統(tǒng)所需的某個(gè)穩(wěn)定數(shù)值上。

2.3 快速去磁實(shí)現(xiàn)過程

當(dāng)系統(tǒng)需要快速減小磁控電抗器的工作容量時(shí)，迅速改變IGBT導(dǎo)通關(guān)斷情況，并且將IGBT調(diào)至高占空比狀態(tài)，通過PWM控制使勵(lì)磁繞組中儲(chǔ)存的能量經(jīng)反向逆變電路向交流側(cè)傳輸，進(jìn)而快速降低直流勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)快速退磁。

圖6所示為去磁過程中2種導(dǎo)通模式下的電流流向圖。對(duì)于去磁狀態(tài)而言，與勵(lì)磁狀態(tài)相反，相當(dāng)于一個(gè)逆變過程。其中儲(chǔ)存有大量能量的勵(lì)磁繞組相當(dāng)于直流源，當(dāng)交流電壓源輸入正向電壓時(shí)，控制VT2、VT3導(dǎo)通；當(dāng)交流電壓源輸入反向電壓時(shí)，控制 VT1、VT4導(dǎo)通。

圖6 去磁過程電路圖（逆變）Fig.6 Demagnetization process（inversion）

整個(gè)去磁過程中，逆變產(chǎn)生的交流電壓的方向與交流電壓源的方向相反，使原有直流勵(lì)磁電流快速下降。該過程也可看作是磁控電抗器向電源側(cè)反向輸送能量，與利用串入大電阻實(shí)現(xiàn)快速退磁相比，這種方法可使退磁速度更快，且不損耗能量。

可知該IGBT組成的整流電路能滿足電能的雙向流動(dòng)，不僅可以在需要?jiǎng)?lì)磁時(shí)通過整流輸入直流控制電流，還可以在需要去磁時(shí)通過逆變向交流側(cè)輸送電能，實(shí)現(xiàn)環(huán)保利用。

3 仿真試驗(yàn)分析

為了對(duì)磁控電抗器的響應(yīng)特性進(jìn)行分析，本文根據(jù)磁控電抗器的等效電路模型建立仿真模型。

磁控電抗器快速響應(yīng)特性仿真模型見圖7，主要包括兩部分：左邊部分采用了2個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的飽和變壓器來模擬其鐵芯的飽和特性［9］，右邊部分為1個(gè)由IGBT構(gòu)成的全控整流橋?qū)崿F(xiàn)的直流控制回路，提供各種運(yùn)行狀態(tài)下所需的直流控制電流。

圖7 快速響應(yīng)的磁控電抗器仿真模型Fig.7 Simulation model of MCR with fast response structure

磁控電抗器仿真模型的工作電源電壓為380 V，容量為4 kW。通過仿真模擬磁控電抗器從空載加到滿載，并在穩(wěn)定工作一定時(shí)間后由滿載降為空載的運(yùn)行過程。

圖8（a）、（b）分別為未采用、采用快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)，普通外勵(lì)磁電抗器的工作電流響應(yīng)波形，以及勵(lì)磁及去磁時(shí)的局部放大波形。

圖8 采用和不采用快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)，磁控電抗器的工作電流波形Fig.8 Simulative waveform of working current for MCR with and without fast response structure

由圖8可見，磁控電抗器在0.1s時(shí)從空載加負(fù)荷，并在達(dá)到滿容量后于0.6s從滿容量降至空載的響應(yīng)波形；加入快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)的磁控電抗器工作電流Ig在0.05s時(shí)從0正向增大到額定容量?jī)H需20ms，且從額定容量降為0所需時(shí)間也在30ms以內(nèi)。

為了對(duì)所提出方法及仿真進(jìn)行驗(yàn)證，建立了相應(yīng)的小容量磁控電抗器快速響應(yīng)模型，模型電抗器的額定電壓及容量與仿真一致，為380V/4kW。利用示波器對(duì)磁控電抗器容量調(diào)節(jié)過程進(jìn)行測(cè)量記錄，得到工作電流響應(yīng)波形如圖9所示（圖中電流轉(zhuǎn)化為電壓表示）。

圖9 采用快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)，磁控電抗器的試驗(yàn)工作電流波形Fig.9 Experimental waveform of working current for MCR with fast response structure

由試驗(yàn)波形可知，加入快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)的磁控電抗器勵(lì)磁與去磁過程耗時(shí)均在30 ms以內(nèi)，與仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了所提出結(jié)構(gòu)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的基于IGBT控制的快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高磁控電抗器響應(yīng)速度有著很明顯的提高作用，可將響應(yīng)時(shí)間限制在30ms以內(nèi)，有效地彌補(bǔ)了磁控電抗器的響應(yīng)缺陷。

對(duì)于電壓等級(jí)更高的情況下，可利用多組IGBT串聯(lián)分壓的形式提高直流勵(lì)磁回路的耐壓能力，以適應(yīng)磁控電抗器在特高壓領(lǐng)域的推廣。

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