快速励磁磁控电抗器补偿系统设计

快速励磁 磁控电抗器补偿 系统设计

施苗根 冯姗姗

国网浙江杭州市余杭区供电有限公司 311100

摘要：论文以高压输电系统和各类电网运行中必不可少的无功补偿装置磁控电抗器为研究对象，针对磁控电抗器响应时间和调节时间过长的问题，研究磁控电抗器的快速励磁机制，改进现有磁控电抗器系统架构和控制方法，设计新型磁控电抗器系统装置，提高了现有磁控电抗器的性能。

关键词：磁控电抗器；快速励磁机制；外励磁补偿；BH特性曲线；伏安特性曲线；

0 引言

电力系统电压、无功、谐波三大指标对全网经济效益和改善供电质量至关重要。根据电力工业的现状和发展，新型无功补偿装置的研制和应用是我国电网系统解决电能质量的重大关键技术课题。电网中现有的自动无功补偿装置主要为同步调相机、开关投切电容器组、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)、静止无功补偿器(STATCOM)等[1]。同步调相机响应速度慢，运行维护困难；而具有机械开关的补偿设备在应用中会遇到许多问题，比如：开关故障频率高、响应速度慢等，且由于开关的合闸涌流容易产生过电压和谐振现象。TSC造价高，控制复杂，不能连续调节。TCR会产生较大的谐波电流，因而需添加辅助滤波装置；高压晶闸管的价格颇为昂贵。这些具有技术先进性的无功补偿设备造价高昂、维护复杂，在超(特)高压系统中被广泛应用还不现实。因此有必要寻求更为经济可靠的可调无功电源。

磁阀式可控电抗器能随着传输功率的变化自动平滑地调节自身容量，在线路传输大功率时，运行在小容量范围内；当线路轻载或空载时，它会增大容量而呈现出深度的补偿效应，能够起到降低工频电压升高的作用。论文[2]对磁控电抗器型静止无功补偿装置应用前后的宏山变电站无功功率情况进行对比，确认应用磁控电抗器型静止无功补偿装置后提高了系统的稳定性，改善了地区电网的电压和功率因数质量。

虽然磁阀式可控电抗器有着许多的优点，诸如容量可以平滑调节、谐波小、结构简单、成本低等，但其响应时间与抽头比成反比，其响应时间相较TCR和TSC要长很多，这极大地影响了电网的性能和电能质量，因此提高电抗器的响应时间便是当务之急。在磁控电抗器模型分析方面，论文[3]引入Simplorer与Maxwell联合实现场路耦合多物理域仿真的新方法，对3种不同磁阀结构可控电抗器的谐波特性和响应特性进行仿真分析对。结果表明，在相同工作电流下，双级磁阀磁控电抗器的电流谐波含量更低，响应速度也更快，性能更为优越。论文[4]分析了磁阀式可控电抗器铁心损耗的主要来源，得出在工程上磁滞损耗与涡流损耗的计算公式。设计的新磁阀结构采用圆弧面作为磁场缓冲面，减少了磁阀处磁场的发散量，使磁阀处磁通密度分布更加均匀，进而大大降低了磁阀处的漏磁损耗。在励磁控制机制方面，论文[5]提出了一种基于IGBT全控桥的新型磁控电抗器结构来控制放电电流的大小，以此来迅速改变铁心饱和度，实现快速响应负载无功变化的目标。论文[6]设计了一种适用于弱系统的磁控电抗器，一次绕组连接到PS，二次绕组连接到电压控制，通过调节直流改变磁通量，从而改变等效阻抗。该方案在秘鲁低短路和无功电网的案例研究中得到验证。论文[7]利用SMCR自身结构和内部磁通的流通特点，提出在旁路增加辅助绕组构成辅助励磁回路的SMCR快速性改善新措施，独立辅助励磁回路可以连接在SMCR的控制绕组或工作绕组上，通过建模分析了两种连接方式各自的等效电路并进行了仿真验证。论文[8]提出了一种新的多抽头MCR结构并设计了切换方法，带多抽头的MCR可根据运行条件切换其抽头。高抽头比用于调节无功功率，低抽头比适用于稳定的电网。在控制策略研究方面，论文[9]采用模糊控制策略，实现无功补偿的连续可调，在更加精准快速地实现系统电压及无功控制方面更具优势。

本文设计了自励磁与外励磁电方式的快速励磁装置及其控制策略，通过仿真和试验来分析比较其对系统响应时间和调节时间的影响以及对谐波水平、有功损耗、可靠性、经济性等方面的影响，为进一步提高现有磁控电抗器的性能提供可行方案。并将该控制装置样机在相关试验平台上进行各项指标测试，降低有功损耗并达到节能降耗、提高电网系统的安全可靠性能，减少安全、环保事故发生。

1 磁阀式可控电抗器工作原理

磁阀式可控电抗器采用直流助磁式可控电抗器，其原理是利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。在可控电抗器的工作铁心柱上分别对称地绕有匝数为 的两个线圈，其上有抽头比为 的抽头，它们之间接有可控硅 、 ，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管接在两个线圈的中间。

图1 磁控电抗器原理接线图

当电抗器绕组接至电源电压时, 在可控硅 、 两端感应出 左右电源电压的电压。电源电压正半周触发导通可控硅

，电源电压负半周期触发导通可控硅 。一个工频周期轮流导通 和 ，产生的直流控制电流 和 ，使电抗器工作铁心饱和，输出电流增加。可控电抗器输出电流大小取决于晶闸管控制角 ， 越小，产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁心磁饱和程度越高，输出电流越大。因此，改变晶闸管控制角，可平滑调节电抗器容量。

2 系统设计

由于磁控电抗器的高端电压可达35KV.以上、低压端电压有500V以上，而嵌入式控制系统以及采集系统都属于低电压的小信号系统，所以需要良好的强弱电系统隔离功能。论文所设计的控制系统主要由CPU主控单元、电流电压参数检测单元、光电隔离单元、电抗器外励补偿线圈4个单元组成。其中电流电压参数检测单元实现对系统电流和电压的检测功能，具有电磁隔离保护设置。光电隔离单元主要包括PWM驱动隔离和QEP/CAP隔离，具有强弱电系统隔离功能。饱和电抗器的辅助他励线圈采用PWM方式调节励磁电流，要有较高频率的开关加电气隔离功能。

图2 磁控电抗器回路

为实现快速励磁的主控系统，提高快速励磁装置的响应速度。论文在系统电压突变时通过导通低压外励磁补偿结构，补偿变压器磁通，从而提高系统响应速度。充分利用系统BH特性曲线和伏安特性曲线的非线性特性，采用非饱和工作点预测控制方式，在提高系统功率因素的同时，减小电压波动。当系统电压有较大突变时，通过晶闸管和二级管的导通，硬件系统切换的同时，控制策略亦切换为二级控制，采用外励磁补偿结构的正、反向励磁、消磁方法，达到快速改变系统磁通，从而提高系统响应速度。

3 实验结果

3.1 电流上升的控制仿真结果

（1）磁通变化对比结果

通过辅助线圈的控制，可以使磁通在10毫秒内达到饱和值；而无辅助线圈的系统需要用90毫秒左右时间达到饱和。

（2）电流变化对比结果

有辅助线圈控制的系统，经过60毫秒左右可以使得电流波形稳定；而无辅助线圈的系统却需要将近190毫秒的时间才能稳定。

3.2 电流下降的控制仿真结果

（1）磁通变化对比结果

通过调整磁通，使得磁通下降，则工作电流也相应下降。在0.4秒时刻开始试图向下调整磁通，使得磁通退出饱和。在有辅助线圈的情况下，磁通由饱和状态进入线性状态的时间段大致为80毫秒，而无辅助线圈时这个时间需要300毫秒。

（2）电流变化对比结果

在有辅助线圈的情况下，电流经过大致20毫秒后稳定，而无辅助线圈时电流需要经过70毫秒后才稳定。

4 结束语

论文设计的磁控电抗器控制系统的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几的水平上，由于是控制磁阀的饱和度，所以无需很大的控制功率，晶闸管工作在低电压小电流的工况下，大大提高了系统的稳定运行系数。由于可控硅部分工作在支流运行方式，所以不会产生谐波电压。此外论文设计的磁控电抗器的快速励磁机制，在自励方式下，基于系统BH特性曲线和伏安特性曲线，通过调节可控硅导通角和系统工作点来改变系统时间常数，提高了系统响应速度；在系统电压突变时通过导通低压外励磁补偿结构，补偿变压器磁通，改变系统阻抗，改善了系统响应时间。从仿真结果看，论文设计的快速励磁主控系统提高了系统响应时间，可适用于电力无功变化迅速，电压、无功、谐波需控制或综合治理的供用电场所。

参考文献

1. 纪延超,魏晓霞．可控电抗器现状及其发展[J]．电气应用,2006,25(4),1-4．

2. 于彪,王德强.磁控电抗器型静止无功补偿装置的应用[J].上海电气技术,2020,13(02),16-19+56.

3. 赵国生,孙彬,李培,原峰.基于Simplorer与Maxwell的磁控电抗器特性仿真分析[J].电气传动,2019,49(10):91-95.

4. 陈磊磊,谢卫,王文会,纪律.新磁阀结构磁控电抗器磁损特性研究[J].电源学报,2021,19(03):195-202.

5. 姜鹏,李中元,魏连波,李方恺,李凤云,刘天宇.基于IGBT全控桥的磁控电抗器快速响应研究[J].变压器,2021,58(06):27-32.

6. Arias Velásquez Ricardo Manuel;Mejía Lara Jennifer Vanessa.Magnetically controlled reactors design for weak grids[J].Ain Shams Engineering Journal,2021,12(2),1183-1195

7. 敬佩,田铭兴,张慧英.他励式磁控电抗器的响应速度改善研究[J].电力电容器与无功补偿,2020,41(03):94-98.

8. Liu M ,Li Y ,Gao H , et al. A Fast Adjustment Method of Magnetically Controlled Reactor with Multi-taps[J]. Journal of Magnetics, 2018,23(4):669-674.

9. 郭磊,张道乾,寇晓适,郝建国,阎吉,程晓晓,魏巍.基于模糊神经网络控制的磁控电抗器的应用分析[J].电力电容器与无功补偿,2017,38(06):28-32+38.

4