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        磁飽和可控電抗器特性研究

        2016-09-07 07:11:19杜占鵬中石化第五建設(shè)有限公司廣州510145
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年14期
        關(guān)鍵詞:磁控工作電壓電抗器

        杜占鵬(中石化第五建設(shè)有限公司,廣州 510145)

        磁飽和可控電抗器特性研究

        杜占鵬
        (中石化第五建設(shè)有限公司,廣州 510145)

        對磁飽和可控電抗器進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型,建立了仿真模型,在Matlab/Simulink中進(jìn)行實(shí)例仿真,仿真結(jié)果表明理論分析的正確性,基于ansys軟件建模分析討論了兩種載荷情況下,對磁飽和可控電抗器的磁閥處鐵芯磁場分布的影響。

        磁飽和可控電抗器;工作電流;ansys;仿真

        1 引言

        電網(wǎng)中的無功平衡對改善全網(wǎng)供電質(zhì)量至關(guān)重要,是電力系統(tǒng)的重要任務(wù)之一,因而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償成為是電力系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題,在高壓線路中安裝可控電抗器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是協(xié)調(diào)過電壓和無功平衡問題的好方法[1-3]。

        在眾多的可控電抗器中,磁飽和式可控電抗器(magnetically saturation controlled reactor,MSCR)以其成本低、性能高,能夠平滑調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率,提高系統(tǒng)的輸電能力和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)[4-5],而受到廣泛的關(guān)注。

        本文基于基本磁化曲線建立了MSCR的數(shù)學(xué)模型,通過仿真分析,探討了MSCR的工作電流狀態(tài),采用ansys分析了MSCR磁閥結(jié)構(gòu)鐵心磁場的分布。

        2 MSCR結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

        MSCR電抗器的結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。其中,繞組匝數(shù)N1+ N2= NA=0.5N,抽頭匝比為δ =2 N2/N,ua為施加的交流工作電壓,i為電抗器的工作電流,RA為NA匝繞組對應(yīng)的電阻值。

        在這里,采用基本磁化曲線表示B與 H的關(guān)系。用簡化的兩段折線表示硅鋼片磁化曲線,設(shè)Bs為鐵芯對應(yīng)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,Hs為此時(shí)對應(yīng)的飽和磁場強(qiáng)度。

        圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

        則可得:設(shè)tanα1= Hs/4Bs,tanα0= 1/μ0,B=f(H)曲線可以用下式描述:

        由于磁閥式可控電抗器可等效為如圖2。

        圖2 等效電路圖

        根據(jù)圖2得到磁勢關(guān)系(NA=N/2):

        通過傅立葉分析,可得工作電流基波幅值為[6-7]:

        分析式(3)可知,當(dāng)β=2π時(shí)I1m可獲得極值I1m max,這說明此時(shí)工作電流基波幅值達(dá)到最大值,由S=UaI1m max發(fā)現(xiàn)此時(shí)電抗器容量也達(dá)到最大。

        根據(jù)磁控電抗器觸發(fā)角α和飽和度β的關(guān)系式:

        當(dāng)β=2π時(shí),觸發(fā)角α為0度。

        又根據(jù)磁控電抗器直流控制電流的計(jì)算關(guān)系式:

        3 實(shí)例及仿真分析

        根據(jù)上述數(shù)學(xué)過程,對電抗器參數(shù)[8]:額定容量 SAN= 60.044 MV·A;額定電壓;額定頻率 fN= 50 Hz;繞組電阻RA= 40Ω。進(jìn)行仿真,設(shè)置在α=0°狀態(tài)下在0 s 時(shí)刻,電抗器由空載突變到滿載。

        根據(jù)圖3建立仿真模型,仿真結(jié)果如圖4所示。圖4表明仿真結(jié)果表明電抗器從開機(jī)到穩(wěn)定需要15個(gè)左右的工頻周期,這與現(xiàn)有理論一致,說明了數(shù)學(xué)模型分析的正確性。

        圖3 MSCR等效仿真電路

        圖4 MSCR工作電流

        4 ansys仿真分析

        MSCR電抗器工作過程中磁閥結(jié)構(gòu)處的磁場分布對電抗器運(yùn)行時(shí)的損耗是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo),因此通過分析鐵心處磁場分布,對設(shè)計(jì)MSCR電抗器具有重要意義[9]。

        ANSYS(analysis system)作為有限元分析軟件,它以 Maxwell 方程組作為電磁分析的出發(fā)點(diǎn),不僅能夠快速進(jìn)行電磁分析,而且更加直觀,可用來求解設(shè)備或某個(gè)部件的磁場分布問題。有限元方法是目前應(yīng)用最廣,最成熟的一種數(shù)值計(jì)算方法,具有通用性強(qiáng),精確度高,計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),有限元方法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元,并在各個(gè)單元中設(shè)定相應(yīng)節(jié)點(diǎn),利用僅在節(jié)點(diǎn)相連單元的集合來模擬整個(gè)連續(xù)體,基本未知量就是場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值,通過求解單元節(jié)點(diǎn)值,單元及整個(gè)集合體上的場函數(shù)便可以通過設(shè)定的插值函數(shù)來確定。當(dāng)今,很多工程實(shí)際問題都可以利用有限元方法進(jìn)行求解,包括熱力學(xué),流體力學(xué),高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)等學(xué)科問題。

        有限元方法計(jì)算的未知量,主要是磁位或電位,其他諸如磁場通量密度、電流密度、能量、力、損耗、電感和電容等參數(shù)可由這些自由度導(dǎo)出。ANSYS 軟件可以進(jìn)行 2-D 及 3-D的穩(wěn)態(tài)、諧波和瞬態(tài)磁場分析等。

        如圖5是建立的MSCR電抗器ANSYS模型。

        圖5 ANSYS模型

        首先,然后對磁閥式可控電抗器的模型賦予材料屬性,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,和施加邊界條件及載荷。如下圖6所示:

        圖6 實(shí)體材料屬性模型

        只施加交流工作電壓時(shí)的鐵心內(nèi)的磁場分布情況如圖7所示。

        圖7 單相MSCR在只施加交流工作電壓的磁場分布

        當(dāng)控制繞組沒有電流時(shí),只給工作繞組施加正弦電壓時(shí),此時(shí)MSCR相當(dāng)于一臺(tái)普通的高阻抗并聯(lián)電抗器??梢钥闯?,在沒有控制繞組磁通的影響下,交流繞組產(chǎn)生的磁通由鐵心柱通過與自己相鄰的旁軛構(gòu)成回路。左鐵心柱與左旁軛構(gòu)成回路,右鐵心柱與右旁軛構(gòu)成回路,只是兩者的方向不一樣,流經(jīng)左鐵心柱的磁通與左旁軛逆時(shí)針構(gòu)成回路,流經(jīng)右鐵心柱的磁通與右旁軛順時(shí)針構(gòu)成回路,在流經(jīng)磁閥處時(shí),磁閥處的磁密會(huì)突然增大,不可避免的會(huì)出現(xiàn)漏磁情況,磁密越大漏磁越嚴(yán)重。

        同時(shí)施加工作電壓和控制電流狀態(tài)下,如圖8所示。

        圖8 單相MSCR在施加工作電壓和控制電流狀態(tài)的磁場分布

        圖8表明,同時(shí)施加工作電壓和控制電流時(shí),由于兩者產(chǎn)生磁勢的疊加作用,鐵心內(nèi)磁場分布情況與之前完全不同。此時(shí),左鐵心柱交流磁密與直流磁密方向相同而起到增磁作用,右鐵心柱交流磁密與直流磁密方向相反而起到消磁作用。

        5 結(jié)論

        作為一種無功補(bǔ)償裝置,MSCR可以連續(xù)調(diào)節(jié)自身容量來輸出無功,使電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文在基本磁化曲線的基礎(chǔ)上,通過磁路和電路理論建立方程,得到了了MSCR的數(shù)學(xué)模型,并建立通過仿真電路,仿真結(jié)果表明了理論分析的正確性。同時(shí)采用ansys分析了MSCR磁閥結(jié)構(gòu)鐵心磁場的分布,探討了只施加交流工作電壓和同時(shí)施加工作電壓和控制電流兩種狀態(tài)下,MSCR磁閥結(jié)構(gòu)鐵心磁場分布的不同。

        [1]姚堯,陳柏超,田翠華. 磁控電抗器在右江500kV線路中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2008,34(05):984-988.

        [2]王軒,鄧占鋒,于坤山等.超高壓磁控式并聯(lián)電抗器穩(wěn)態(tài)特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(33):104-109.

        [3]田翠華,陳柏超. 磁控電抗器在750系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(1):31-37.

        [4]尹忠東.磁閥式可控電抗器的理論研究及應(yīng)用[D].武漢:武漢水利電力大學(xué),1997.

        [5]黃曉勝,史歡,田翠華.基于磁控電抗器的變電站無功電壓控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(08):99-102.

        [6]田銘興,楊雪凇,顧生杰等.基于MATLAB 的磁飽和式可控電抗器的仿真模型參數(shù)及過渡時(shí)間分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(06):47-51

        [7]劉滌塵,陳柏超,田翠華等.新型可控電抗器在電網(wǎng)中的應(yīng)用與選型分析[J].電網(wǎng)技術(shù),1999,23(02):52-58.

        [8]田銘興,勵(lì)慶孚.磁飽和式和變壓器式可控并聯(lián)電抗器[J].高電壓技術(shù),2003,29(07):26-27.

        [9]CHEN Baichao,KOKERNAK J M. Thyristor controlled twostage magnetic-valve reactor for dynamic var-compensation in electric railway power supply systems [C]∥2000 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. New Orleans,LA,USA:IEEE,2000:1066-1071.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.269

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