王慧麗,王春雨
(1.東北電力大學電氣工程學院,吉林吉林132012;2.東北電力大學自動化工程學院,吉林吉林132012)
隨著現代工業(yè)的發(fā)展,可控電抗器不僅在高壓電網中作為電壓控制和無功補償的主要元件,而且在配電網中也作為消弧系統(tǒng)的主要元件。傳統(tǒng)機械式可控電抗器結構簡單、成本較低,但是調節(jié)速度慢,同時伴隨機械運動,使用壽命低;傳統(tǒng)調磁式可控電抗器響應速度快、調節(jié)范圍寬,但是結構復雜,控制也比較復雜,而且會帶來大量的諧波污染。因此,為了解決可控電抗器現存的問題,本文介紹一種磁飽和式可控電抗器,它是通過改變晶閘管的導通角來改變直流控制電流的大小,從而改變鐵心的飽和程度,達到平滑調節(jié)電感量的目的。
圖1為單相磁飽和式可控電抗器的拓撲結構圖,圖2為其結構電路圖。可控電抗器由兩個等截面(截面積為S)、等長度(長度為l)的主鐵心Ⅰ、Ⅱ和為使電抗器電流正負半波對稱的兩個等截面、等長度的旁軛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的回路,鐵心Ⅰ和鐵心Ⅱ組成直流磁通ΦD的回路。每個鐵心柱上繞有總匝數為N的上、下兩個繞組,每個繞組各有一個抽頭,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、下兩個繞組交叉聯(lián)接后并聯(lián)至電網,續(xù)流二極管VD跨接在兩個繞組的交叉處。
若VT1、VT2不導通,根據繞組結構的對稱性可知,此時電抗器與空載變壓器沒有差別。當電源處于正半周時,晶閘管VT1承受正向電壓,VT2承受反向電壓,若VT1被觸發(fā)導通(即a,b兩點等電位),電源經變比為δ的線圈自耦變壓后,由匝數為N2的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。同理,若VT2在電源負半周時被觸發(fā)導通,也將產生直流控制電壓和電流,而且,控制電流的方向與VT1導通時一致。在電源的一個工頻周期內,晶閘管VT1、VT2的輪流導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)地調節(jié)電抗器的容量。
假設晶閘管VT1、VT2以及二極管VD都為理想開關器件,電抗器有5種工作狀態(tài):
圖3 可控電抗器的工作狀態(tài)圖
設鐵芯Ⅰ、Ⅱ的磁勢分別為F1、F2,磁路長度為l。根據圖2的結構電路圖,可得可控電抗器的磁勢方程為
設鐵心電阻為R,截面積為S??煽仉娍蛊髟跔顟B(tài)1的電磁方程如式(1)所示,其它幾種狀態(tài)同理可推出。
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
根據磁飽和式可控電抗器的原理制作的消弧線圈,可應用于中性點經消弧線圈接地的配電網中。如果忽略電導的影響,以A相電壓為參考向量,則中性點位移電壓為
其有效值為
式中:Uφ為系統(tǒng)對地電壓有效值;IC為三相總電容電流有效值;IN為流經消弧線圈電流有效值;UN為系統(tǒng)中性點電壓有效值。
通過改變晶閘管的觸發(fā)角來調節(jié)可控電抗器的電感,可得兩組節(jié)點方程,將兩式相除則有:
由式(4)-式(6)可見,只要測得兩組UN、IN的值,就可計算出三相總電容電流。當晶閘管觸發(fā)角α=180°時,電抗器的感抗很大,中性點位移電壓不大,故可忽略電感電流,消弧線圈上的電壓可認為就是系統(tǒng)不對稱電壓,記為UC,則式(6)可寫為
根據上式,只要在可控電抗器空載狀態(tài)下測得其兩端電壓UC,再增加激磁,測得1組UN、IN,即可計算出IC。
為了進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進行仿真研究。根據前面推導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
設定磁飽和式可控電抗器的參數如下: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載過渡過程的工作電流波形,自耦比δ為0.015時,過渡時間約為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,可控電抗器的調節(jié)特性近似余弦關系。
圖8 可控電抗器的調節(jié)特性
本文介紹的磁飽和式可控電抗器,是通過調節(jié)晶閘管的導通角來改變控制電流產生的直流磁通大小,使鐵心的工作點隨之改變,從而達到平滑調節(jié)電抗值的目的。通過對可控電抗器工作原理與數學模型的詳細分析,在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型,并進行模擬實驗,結果表明:磁飽和式可控電抗器具有調節(jié)性能好、原理簡單、技術易于實現等特點。
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