朱青山，方瑞明

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

磁閥式可控電抗器MCR （MagneticallyControlled Reactor）型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）作為近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、適用電壓范圍廣、產(chǎn)生諧波小和成本較低等顯著優(yōu)點(diǎn)[1-2]，很好地克服了晶閘管控制電抗器（TCR）型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的諸多缺點(diǎn)。作為MCR型SVC的核心部分，磁閥式可控電抗器本身的性能很大程度上決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能[3]，相比于TCR的直接控制晶閘管導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電抗器容量的技術(shù)，磁閥式可控電抗器采用的是磁飽和技術(shù)控制電抗器容量的變化，受磁飽和響應(yīng)時(shí)間的影響，整個(gè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間就成為了一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

1 磁閥式可控電抗器的電路分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理和等效電路

圖1為MCR的結(jié)構(gòu)原理圖，關(guān)于MCR的結(jié)構(gòu)原理，參考文獻(xiàn)[4]和[5]中都有詳細(xì)說(shuō)明。

圖1 MCR結(jié)構(gòu)原理圖

在MCR工作過(guò)程中，只有小截面段鐵芯處于磁飽和狀態(tài)，其余段均處于未飽和的線性狀態(tài)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管K1和K2，產(chǎn)生直流控制電流，控制鐵芯的飽和程度，從而達(dá)到控制電抗器容量的目的。

1.2 響應(yīng)時(shí)間

磁閥式可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間指的是電抗器容量從空載變化到額定值時(shí)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間?？煽仉娍蛊鞯捻憫?yīng)時(shí)間由下式確定[6]：

其中，n為可控電抗器容量從空載到額定值的工頻周期數(shù)，δ為抽頭比。可以看出n與δ近似成反比。

1.3 有功損耗

由于磁閥式可控電抗器的品質(zhì)因數(shù)在100以上，因此其繞組電阻值相對(duì)來(lái)說(shuō)很小。大量的計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，磁閥式可控電抗器的有功損耗與無(wú)功功率的比值只與其抽頭比δ有關(guān)：

其中，無(wú)功功率Q為電抗器額定功率?？梢钥闯鯬和δ近似成正比。

2 提高響應(yīng)時(shí)間

由式（1）可以看出，可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間和抽頭比δ近似成反比關(guān)系，但并不意味著將抽頭比增加得越大越好。一方面，根據(jù)式（2），抽頭比δ的增加會(huì)引起有功損耗的增加，使電抗器的發(fā)熱加劇，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，增加抽頭比會(huì)使晶閘管K1和K2所承受的電壓增大，需重新選用大功率的晶閘管，造成成本增加。因此，實(shí)際中一般選取δ在0.015～0.05的范圍內(nèi)，可以計(jì)算出可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間約為9.5～33個(gè)工頻周期。圖2為磁閥式可控電抗器從空載到額定值的電流仿真波形圖，其中δ取0.05。從圖2可以看出，電流過(guò)渡過(guò)程約經(jīng)10個(gè)周期完成，與理論分析相吻合。

但是，在某些應(yīng)用中（如抑制沖擊負(fù)荷引起的電壓閃變和波動(dòng)、自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈等）要求動(dòng)補(bǔ)裝置具有很快的響應(yīng)速度，要在幾個(gè)甚至1個(gè)工頻周期內(nèi)達(dá)到額定工作狀態(tài)。而磁閥式可控電抗器的最快響應(yīng)時(shí)間為10個(gè)工頻周期，難以達(dá)到控制要求，因此必須縮短響應(yīng)時(shí)間。

3 縮短響應(yīng)時(shí)間的方法

3.1 增加直流控制電壓

磁閥式可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間雖然與δ成反比，但實(shí)際上影響響應(yīng)時(shí)間的直接因素是鐵芯飽和度（或鐵芯磁導(dǎo)率μ）達(dá)到定值的時(shí)間，即控制回路直流電流達(dá)到定值的時(shí)間?？煽仉娍蛊魅萘侩S著磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量的增減而增減，控制回路中直流電流越大，鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的直流分量到達(dá)定值的時(shí)間就越短，可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間就越短。而在控制回路中增加直流電流最直接的方法就是增加直流控制電壓。

3.1.1 增大抽頭比來(lái)增加直流控制電壓

顯然，磁閥式可控電抗器在空載時(shí)相當(dāng)于自耦變壓器，增加抽頭比就可以增加控制電壓。當(dāng)然，增加抽頭比會(huì)導(dǎo)致電抗器有功損耗的增加，然而通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間可以有效地減少有功損耗。

U變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，由于磁阻增大I保持不變，積分時(shí)間由0→π變?yōu)?，T不變，因此有功損耗P不變。

假設(shè)抽頭比δ變?yōu)轭~定值的2倍時(shí)，在晶閘管完全導(dǎo)通的情況下讓電抗器磁飽和度迅速達(dá)到所需飽和度，再將晶閘管的導(dǎo)通角由0°增大到90°，根據(jù)有功功率公式：

由此可知，在增加抽頭比的同時(shí)減少晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間可以提高響應(yīng)時(shí)間，也能保證有功損耗不增加，但這對(duì)電抗器的控制精度提出了更高的要求。抽頭比增加得越高，導(dǎo)通時(shí)間就越短，對(duì)控制精度要求就越高。

3.1.2 添加外部直流控制電壓源

在不改變抽頭比的情況下，通過(guò)添加外部直流電壓源來(lái)提高控制電壓，如在晶閘管上直接串聯(lián)電壓源，這樣外部直流電壓源和自耦控制電壓共同為控制回路提供直流控制電壓，且同開(kāi)同斷，控制較為方便。但這不僅增加了外部電壓源，使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而且加大的電抗器的有功損耗也需要通過(guò)減少晶閘管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)減小。圖3為在2倍額定控制電壓下，磁閥式可控電抗器的響應(yīng)仿真波形圖，通過(guò)和圖2比較可以看出，響應(yīng)時(shí)間縮短了約4～5個(gè)工頻周期。

3.2 利用充電電容放電提高響應(yīng)速度

當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合后，得出如下回路方程：

設(shè)電抗器L為線性電感，有：

可以看出，B（t）是按指數(shù)規(guī)律衰減的振蕩波，B（t）仿真波形圖如圖5所示。選擇適當(dāng)?shù)碾娙輩?shù)和初始電壓U0，可以調(diào)整振蕩頻率和幅值，使 B（t）在一個(gè)甚至半個(gè)工頻周期內(nèi)迅速達(dá)到所需值，使電抗器迅速響應(yīng)。然而由于 B（t）是振蕩衰減的，需要直流電壓源在 B（t）衰減到所需值時(shí)立即提供所需電壓來(lái)維持勵(lì)磁效果，否則B（t）將衰減至0，達(dá)不到激勵(lì)效果。

采用圖 6（a）所示的帶二極管的電路圖，可以達(dá)到持續(xù)勵(lì)磁的效果。其中U0＞＞Ey，當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，帶有初始電壓的電容器C對(duì)L放電，達(dá)到快速勵(lì)磁效果，當(dāng)Uc衰減到所需值Ey時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2關(guān)斷，由Ey維持勵(lì)磁。圖6（b）為在充電電容器放電的作用下磁閥式可控電抗器從空載到額定的電流仿真波形圖，此時(shí)U0≈3Ey，可見(jiàn)，達(dá)到額定值的時(shí)間縮短到了 2個(gè)周期左右，再進(jìn)行參數(shù)調(diào)整可使響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短。

但是，利用電容放電提高響應(yīng)速度存在著明顯的缺點(diǎn)：（1）充電電容器和可控電抗器控制繞組的連接問(wèn)題；（2）充電電容器的初始電壓要很大，如何充電的問(wèn)題；（3）充電電容器放電只適合電抗器一開(kāi)始的響應(yīng)，在負(fù)載無(wú)功功率變化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不能夠靠電容器放電來(lái)提高；（4）外加直流電源、晶閘管等使線路和控制變得更加復(fù)雜。因此，目前來(lái)看，該方法并不能應(yīng)用于實(shí)際電抗器當(dāng)中。

3.3 外加直流勵(lì)磁繞組

外加直流勵(lì)磁繞組即在響應(yīng)時(shí)間段加入直流勵(lì)磁繞組來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間，這和增加直流控制電壓來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間的方法在原理上是類似的?？煽仉娍蛊鞯膹?fù)勵(lì)式結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中，直流勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通可在兩鐵芯內(nèi)閉合，無(wú)需第3個(gè)鐵芯構(gòu)成閉合回路。直流勵(lì)磁控制系統(tǒng)一方面在K1和K2導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生相同方向的助磁，另一方面，當(dāng) K1和 K2的導(dǎo)通角調(diào)整時(shí)也要產(chǎn)生相應(yīng)的助磁或去磁，要求直流勵(lì)磁控制電路能夠及時(shí)地通斷，能對(duì)勵(lì)磁程度和方向進(jìn)行快速地調(diào)整和改變，這對(duì)檢測(cè)回路和控制回路都有很高的要求。此外，由于外加了直流勵(lì)磁繞組，使得電抗器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

磁閥式可控電抗器在動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中起到了越來(lái)越重要的作用，然而在某些需要快速無(wú)功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合，磁閥式可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間是制約其應(yīng)用的主要因素。本文根據(jù)影響磁閥式可控電抗器響應(yīng)時(shí)間的直接因素，提出了幾種提高響應(yīng)速度的方法，并通過(guò)仿真探討了這些方法的優(yōu)劣性和可行性。

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