李曉明

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南　250061）

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新型磁控電抗器的分析與比較

李曉明

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

論文提出一種新型磁控電抗器。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱構(gòu)建磁控電抗器仿真模型，對(duì)新型磁控電抗器進(jìn)行仿真分析。分析表明：新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可用于超高壓電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)明顯。缺點(diǎn)是，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間比現(xiàn)有磁控電抗器的長(zhǎng)。

磁控電抗器；仿真分析；性能比較；暫態(tài)時(shí)間

電抗器在電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。在一部分應(yīng)用領(lǐng)域，電抗器的電抗值固定不變；在許多應(yīng)用領(lǐng)域，需要電抗值能隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而改變。磁控電抗器（Magnetically Controllable Reactor，MCR）是一種電抗值可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電抗器［1］。磁控電抗器通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心上直流線圈中直流電流的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心的飽和程度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)鐵心上交流線圈（電抗線圈）電抗值的大小。前蘇聯(lián)科學(xué)家A. M. Bryantsev 1986年提出的磁控電抗器方案［2］，有里程碑的意義。我國(guó)的科研人員投入很大熱情對(duì)磁控電抗器進(jìn)行研究［3-6］。磁控電抗器的研究結(jié)果已經(jīng)有許多發(fā)表［7-8］。但是，現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用的磁控電抗器，與1986年提出的磁控電抗器沒(méi)有太大的差別。共同的特征是，自勵(lì)式磁控電抗器的兩個(gè)晶閘管都處在線圈的中間位置，自勵(lì)式磁控電抗器線圈不論是三角形連接，還是星形連接，兩個(gè)晶閘管對(duì)地電壓都很高。對(duì)地電壓等于額定電壓的一半以上。目前現(xiàn)有的各種自勵(lì)式磁控電抗器都不適合應(yīng)用于超高壓電力系統(tǒng)。當(dāng)前，用于超高壓、特高壓的磁控電抗器都是他勵(lì)式磁控電抗器。他勵(lì)式磁控電抗器的運(yùn)行管理不方便。

本文提出一種新型的、可應(yīng)用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)的自勵(lì)式磁控電抗器，并對(duì)這種新型的磁控電抗器進(jìn)行仿真分析與性能比較。

1　新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)與工作原理

新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)如圖1（a）、（b）所示。先描述圖1（a）所示新型磁控電抗器。圖1（a）中的1、2是磁控電抗器的兩端子。3是閉環(huán)鐵心，閉環(huán)鐵心有 4根鐵心柱，4根鐵心柱兩端有磁軛，鐵心柱與磁軛構(gòu)成磁通閉環(huán)。D1、D2是晶閘管。晶閘管由控制電路4控制。L1、L2是兩只匝數(shù)相等的線圈，線圈匝數(shù)等于同等電壓等級(jí)變壓器的線圈的匝數(shù)。R1、R2是兩只電阻值相等的電阻。

如果磁控電抗器的兩端子加額定交流電壓，且晶閘管 D1、D2截止。線圈 L1、L2分別有勵(lì)磁電流流過(guò)。勵(lì)磁電流分別流過(guò)電阻R1、R2。可整定電阻R1、R2的電阻值，使電阻R1、R2流過(guò)勵(lì)磁電流時(shí)，電阻 R1、R2兩端有1%額定電壓的交流電壓。電阻R1、R2分別與晶閘管 D1、D2并聯(lián)，這樣，晶閘管D1、D2截止時(shí)，兩端也有1%額定電壓的交流電壓。線圈L1、L2有勵(lì)磁電流流過(guò)時(shí)，兩只線圈所在鐵心柱的交流磁通都向上，分別經(jīng)最外的兩個(gè)邊柱形成交流磁通閉環(huán)。磁控電抗器呈現(xiàn)最大電抗Zmax。

圖1　新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)圖

如果晶閘管D1、D2全導(dǎo)通。晶閘管D1、D2構(gòu)成半波整流電路。線圈 L1的直流電流與線圈 L2的直流電流量值相等，方向相反。由于，線圈L1的直流電流與線圈L2的直流電流量值相等，方向相反；直流電流在鐵心中產(chǎn)生的磁通在線圈 L1、線圈 L2所在的兩鐵心柱之間形成閉環(huán)。線圈 L1、線圈 L2所在的兩鐵心柱有直流磁通，鐵心出現(xiàn)飽和，線圈L1、線圈L2產(chǎn)生較大的過(guò)勵(lì)磁電流。磁控電抗器呈現(xiàn)最小電抗Zmin。

調(diào)節(jié)晶閘管 D1、D2導(dǎo)通量的大小，調(diào)節(jié)線圈L1、線圈L2中直流電流的大小，調(diào)節(jié)線圈L1、線圈L2所在鐵心柱的飽和程度，磁控電抗器電抗值即可在Zmin～Zmax之間調(diào)節(jié)、變化。實(shí)現(xiàn)磁控電抗器電抗值的連續(xù)調(diào)節(jié)變化。

圖1（a）所示新型磁控電抗器的特點(diǎn)是：交流磁通與直流磁通在中間兩鐵心柱有重合，直流磁通產(chǎn)生的飽和只在中間兩鐵心柱對(duì)交流磁通產(chǎn)生影響。在兩邊柱，直流磁通產(chǎn)生的飽和不會(huì)對(duì)交流磁通產(chǎn)生影響。

下面分析圖1（b）所示新型磁控電抗器。把圖1（a）所示四柱式磁控電抗器鐵心分解為兩個(gè)兩柱式變壓器鐵心，其余結(jié)構(gòu)、連接方式、參數(shù)不變，即構(gòu)成圖1（b）所示新型磁控電抗器。圖1（b）所示新型磁控電抗器的工作原理與分析方法與圖1（a）相同。

圖1（b）所示新型磁控電抗器的特點(diǎn)是：線圈L1產(chǎn)生的直流磁通路徑長(zhǎng)度與交流磁通路徑長(zhǎng)度相等，線圈L2產(chǎn)生的直流磁通路徑長(zhǎng)度與交流磁通路徑長(zhǎng)度相等。圖1（b）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑長(zhǎng)度大于圖1（a）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑長(zhǎng)度。線圈L1、L2同等直流電流條件下，圖1（b）所示新型磁控電抗器的直流磁通小于圖1（a）所示新型磁控電抗器的直流磁通路。

由于圖1（b）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑與交流磁通路徑完全重迭，由于圖1（a）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑與交流磁通路徑只在部分路徑重迭；所以，圖1（b）所示新型磁控電抗器直流磁通對(duì)交流磁通的影響大于圖1（a）所示新型磁控電抗器直流磁通對(duì)交流磁通的影響。

綜合效果是，線圈L1、L2同等直流電流條件下，圖1（b）所示新型磁控電抗器的直流磁通對(duì)交流磁通的影響與圖1（a）所示新型磁控電抗器直流磁通對(duì)交流磁通的影響，不差上下，沒(méi)有太大差別。為此，選擇圖1（b）所示結(jié)構(gòu)的磁控電抗器進(jìn)行仿真分析。

2　磁控電抗器的仿真分析

2.1暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間仿真

新型磁控電抗器首先需要在 10kV電力系統(tǒng)獲得使用，積累經(jīng)驗(yàn)后再提高電壓等級(jí)，所以，對(duì)10kV新型磁控電抗器進(jìn)行研究、對(duì)比。

用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構(gòu)建圖1（b）所示磁控電抗器仿真模型和工作平臺(tái)如圖2所示。具體參數(shù)如下：AC Voltage Source=10000V；T1變壓器容量=577kV·A。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

選擇電阻 R1=R2=88Ω，以保證晶閘管 D1、D2截止條件下，晶閘管D1、D2兩端交流電壓等于1%額定電壓，即晶閘管D1、D2兩端交流電壓等于100V。

為了研究方便，也為了突出主要問(wèn)題，本文研究晶閘管D1、D2全導(dǎo)通條件下，磁控電抗器的特性。這樣，圖2所示磁控電抗器中的晶閘管D1、D2用二極管D1、D2代替。

對(duì)圖2新型磁控電抗器Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Measurement1電流測(cè)量?jī)x表顯示的電流波形如圖3所示。從圖3可以觀察到，新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間3.5s。

圖2　新型磁控電抗器Simulink仿真模型

圖3　新型磁控電抗器仿真實(shí)驗(yàn)電流波形

我國(guó)現(xiàn)有的磁控電抗器結(jié)構(gòu)如圖4所示。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構(gòu)建圖4所示磁控電抗器仿真模型如圖5所示。具體參數(shù)如下：AC Voltage Source=10000V；T1變壓器容量=577kV·A，線圈電壓 UL1=4900V，UL2=100V，UL3=100V，UL4=4900V。T2變壓器參數(shù)與T1變壓器相同。

圖4　現(xiàn)有磁控電抗器結(jié)構(gòu)圖

圖5　現(xiàn)有磁控電抗器Simulink仿真模型

圖4所示現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1、D2兩端交流額定電壓等于100V。這樣，圖1所示新型磁控電抗器與圖4所示現(xiàn)有磁控電抗器晶閘管D1、D2兩端交流額定電壓都是100V。這樣，兩者有可比性。

對(duì)圖5現(xiàn)有磁控電抗器Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Measurement1電流測(cè)量?jī)x表顯示的電流波形如圖6所示。從圖6可以觀察到，現(xiàn)有磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間1.4s。

圖6　現(xiàn)有磁控電抗器仿真試驗(yàn)電流波形

2.2電阻功耗分析

對(duì)圖2新型磁控電抗器Simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，Measurement2電流測(cè)量?jī)x表顯示電阻的電流波形如圖7（a）所示。從圖7（a）可以觀察到，新型磁控電抗器流過(guò)電阻的電流最大峰值1.6A。電阻R1=R2=88Ω，電阻R1、R2的功耗Wmax等于115W。

隨著無(wú)功電流的增大，流過(guò)電阻的電流峰值逐漸下降至1.42A。對(duì)流過(guò)電阻的電流波形進(jìn)行放大，如圖7（b）所示?？梢?jiàn)，晶閘管 D1、D2導(dǎo)通條件下，流過(guò)電阻的電流不再是正弦波，而是比正弦波窄的電流，電阻R1、R2的功耗比Wmax小很多。

新型磁控電抗器在晶閘管D1、D2截止條件下，電阻R1、R2有最大功耗Wmax，新型磁控電抗器在晶閘管 D1、D2觸發(fā)條件下，電阻 R1、R2的功耗小于Wmax。

2.3綜合分析

1）新型磁控電抗器與現(xiàn)有磁控電抗器一樣，都是通過(guò)低電壓電力電子器件控制高壓磁控電抗器。

2）新型磁控電抗器只有兩個(gè)線圈，線圈沒(méi)有抽頭。現(xiàn)有磁控電抗器有四個(gè)線圈，線圈有抽頭。因此，新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有磁控電抗器簡(jiǎn)單，制作工藝要求低，經(jīng)濟(jì)。

3）新型磁控電抗器兩晶閘管位置在線圈一端。如果新型磁控電抗器線圈采用星形連接，端子2接地，兩晶閘管公共一端對(duì)地電壓等于零，兩晶閘管整體對(duì)地電壓很低。降低兩晶閘管對(duì)地絕緣要求，降低制作成本。由于兩晶閘管公共一端對(duì)地電壓等于零，新型磁控電抗器可用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)領(lǐng)域。

4）新型磁控電抗器比現(xiàn)有磁控電抗器增加兩電阻，電阻將產(chǎn)生功耗。理論上，這是缺點(diǎn)。由于磁控電抗器鐵心的功耗達(dá)數(shù)千瓦，通過(guò)散熱管散熱。電阻產(chǎn)生的功耗就不算大。該缺點(diǎn)不會(huì)阻礙 10kV新型磁控電抗器的應(yīng)用。更高電壓等級(jí)的新型磁控電抗器可研究降低電阻功耗的措施。

5）新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間大于現(xiàn)有磁控電抗器。這是新型磁控電抗器的缺點(diǎn)。新型磁控電抗器新的結(jié)構(gòu)，可以為減低新型磁控電抗器的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間提供新思路。隨著研究深入，在新型磁控電抗器基礎(chǔ)上，可以有進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

3　結(jié)論

新型磁控電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)明顯。缺點(diǎn)是，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間比現(xiàn)有磁控電抗器的長(zhǎng)。

［1］ 蔡宣三，高越農(nóng). 可控飽和電抗器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］. 北京︰中國(guó)水利水電出版社，2008.

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Analysis and Comparison of New Magnetically Controllable Reactor

Li Xiaoming
（School of Electrical Engineering，Shandong Univesity，Ji’nan250061）

A new magnetically Controllable reactor （MCR） is proposed in this paper. A simulation model based on Matlab/simulink is built and the new MCR are simulated. The results show︰New MCR structure is simple and can be used for EHV power system advantage is obvious. The disadvantage is that the transient response time is longer than the existing MCR.

magnetically controllable reactor；simulation analysis；performance comparison；transient time

李曉明（1956-），男，山東省淄博市人，山東大學(xué)副教授，主要從事電力系統(tǒng)控制與保護(hù)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化的教學(xué)與研究工作。