田銘興，陳華泰，楊秀川，安海軍

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.白銀供電公司，甘肅白銀730900；3.寧夏電力公司培訓(xùn)中心，寧夏銀川750002；4.蘭州供電公司，甘肅蘭州730070)

基于飽和變壓器的磁飽和式可控電抗器分析

田銘興1，陳華泰2，楊秀川3，安海軍4

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.白銀供電公司，甘肅白銀730900；3.寧夏電力公司培訓(xùn)中心，寧夏銀川750002；4.蘭州供電公司，甘肅蘭州730070)

概述了磁飽和式可控電抗器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了磁飽和式可控電抗器在超/特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用。以Matlab提供的電力系統(tǒng)模塊集(PSB)為平臺(tái)，利用飽和變壓器的模型，建立了磁飽和式可控電抗器的仿真模型，計(jì)算了模型中的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析。實(shí)例仿真結(jié)果說明本文的分析和仿真方法簡捷有效，并且能夠反映磁飽和式可控電抗器工作過程中半導(dǎo)體器件的參數(shù)，為其實(shí)際應(yīng)用或者生產(chǎn)制造提供了一定的理論依據(jù)。

磁飽和；可控電抗器；仿真

我國用電需求正在持續(xù)高速增長。按照新的更高輸電電壓等級(jí)引入的一般規(guī)律，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)用電增長達(dá)到現(xiàn)有輸電網(wǎng)電壓等級(jí)引入的4倍時(shí)，開始建設(shè)更高電壓等級(jí)的輸電工程是經(jīng)濟(jì)合理的[1]。因此，選擇合適的線路路徑著手建設(shè)超/特高壓工程是合適的。另外一方面，我國能源產(chǎn)地和需求地分布極不均衡，需要發(fā)展超/特高壓電網(wǎng)，將就地生產(chǎn)的電能輸送到距離比較遠(yuǎn)的電能需求地。

發(fā)展超/特高壓電網(wǎng)，關(guān)鍵技術(shù)問題是輸電線路過電壓與無功補(bǔ)償問題。為了提高輸電線路傳輸能力，減小電壓損耗，其分布電阻和電感較小，而分布電容較大，由于電壓等級(jí)高，導(dǎo)致其單位長度充電功率很大，在系統(tǒng)輕載或空載時(shí)，由于法蘭梯效應(yīng)會(huì)在線路末端或中部產(chǎn)生電壓升高現(xiàn)象。為了限制工頻過電壓以及在此基礎(chǔ)上形成的操作過電壓和補(bǔ)償線路充電功率，需要在長距離超/特高壓輸電線路上裝設(shè)高補(bǔ)償度的并聯(lián)電抗器。而在重載時(shí)，并聯(lián)電抗器成為多余的裝置，使線路電壓過分降低，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生附加的有功損耗，經(jīng)濟(jì)性降低。

理論研究和實(shí)踐表明，磁飽和式可控電抗器對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行性能有顯著作用，它可以平滑地改變補(bǔ)償功率，隨著傳輸功率的增加，其容量可相應(yīng)的從額定值減小到接近于零，而當(dāng)線路發(fā)生暫態(tài)過程，它會(huì)急劇增大容量從而有效降低操作過電壓，進(jìn)而減少電網(wǎng)損耗，提高供電質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

文獻(xiàn)[3]根據(jù)磁飽和式可控電抗器兩個(gè)鐵心及繞組的結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱以及它們工作狀態(tài)在正負(fù)半周里呈鏡像對(duì)稱的特點(diǎn)，利用傅里葉級(jí)數(shù)分析方法分析了各支路電流諧波分量及其關(guān)系，得到了磁飽和式可控電抗器的一種比較簡單的等效物理模型。文獻(xiàn)[4]用等效電流的概念得到了磁飽和式可控電抗器比較簡明的數(shù)學(xué)模型，得到了其等效電路并做了相應(yīng)的仿真，由于該模型是根據(jù)等效電路搭建的，只能對(duì)電抗器工作電流進(jìn)行相應(yīng)的分析，而不能對(duì)電抗器晶閘管和二極管的電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[5]提出了復(fù)雜磁路建模新方法，即磁路分解法，在PSCAD/EMTDC中建立了10 kV磁飽和式可控電抗器原理樣機(jī)的仿真模型，但是該模型針對(duì)的是四鐵芯電抗器，對(duì)其它電抗器模型不能直接使用。文獻(xiàn)[6]中也建立了磁控電抗器等效模型，但由于其僅為原理示意模型，并未對(duì)磁路進(jìn)行精確分解與計(jì)算，所以仿真精度不高，對(duì)工程實(shí)用價(jià)值不大。

本文首先分析磁飽和式可控電抗器在超/特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用，分析磁飽和式可控電抗器的工作原理及特點(diǎn)，然后在Matlab中，用四個(gè)飽和變壓器模型構(gòu)建磁飽和式可控電抗器的仿真模型，并計(jì)算其仿真參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。

1 MCSR在超/特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用

磁飽和式可控電抗器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景和潛力是十分廣闊和巨大的。下面列出其可能的應(yīng)用范圍和功能。

(1)在超/特高壓電網(wǎng)中作調(diào)相調(diào)壓設(shè)備。目前，我國電網(wǎng)缺少的調(diào)相容量相當(dāng)大，新建的坑口電站和大型水電站，為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和減少輸電損耗，有功電源很少送出無功，則受端系統(tǒng)必須自我補(bǔ)償，調(diào)相容量將更加缺乏。磁飽和式可控電抗器可以解決這一矛盾。

(2)抑制系統(tǒng)過電壓。長距離輸電線路，由于法蘭梯效應(yīng)的存在，會(huì)在線路末端產(chǎn)生電壓升高現(xiàn)象。如果送端系統(tǒng)較弱，則送端電壓也會(huì)有所升高。這種穩(wěn)態(tài)工頻過電壓對(duì)超/特高壓系統(tǒng)的絕緣裕度造成了嚴(yán)重威脅。磁飽和式可控電抗器可以限制工頻過電壓，也能大幅度限制操作過電壓。

(3)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大輸電能力。磁飽和式可控電抗器具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，在系統(tǒng)受到大擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)保持端點(diǎn)電壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)抑制系統(tǒng)功率振蕩。在電網(wǎng)系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)線上，當(dāng)?shù)貐^(qū)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、切機(jī)、拉開重要線路等一些干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生功率振蕩。由于大系統(tǒng)的阻尼很弱，一旦出現(xiàn)振蕩，便難以抑制。為了避免這種危害，被迫減少聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率。磁飽和式可控電抗器能快速補(bǔ)償無功，穩(wěn)定電壓，因此是抑制系統(tǒng)功率振蕩的有效設(shè)備。

另外，磁飽和式可控電抗器在直流輸電系統(tǒng)中也有很多應(yīng)用，在此不再贅述。綜上所述，磁飽和式可控電抗器能夠解決限制過電壓和無功補(bǔ)償之間的矛盾，因此，是未來超/特高壓輸電系統(tǒng)中很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N電氣設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行研究，可以為其以后的實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

2 MCSR的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1為磁飽和式可控電抗器的結(jié)構(gòu)原理圖。電抗器由兩個(gè)等截面、等長度的主鐵心1、2組成。為了保證工作時(shí)磁壓降大部分降落于兩個(gè)主鐵心柱上，使其容易達(dá)到飽和狀態(tài)，兩個(gè)旁軛的截面積要略大于主鐵心的截面積。每個(gè)鐵心上繞有總匝數(shù)為的上、下兩個(gè)繞組，每個(gè)繞組各有一個(gè)抽頭分別與晶閘管VT1、VT2相連。抽頭比為。不同鐵心上的上、下兩個(gè)繞組交叉順連后并聯(lián)至電網(wǎng)，續(xù)流二極管VD跨接在兩個(gè)繞組的交叉處。鐵心1與旁軛1、鐵心2與旁軛2分別構(gòu)成交流磁路，鐵心1與鐵心2構(gòu)成直流磁路。

圖1 MCSR結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 工作原理

如圖2所示的鐵芯飽和原理，把鐵芯的磁化曲線設(shè)為理想的小斜率曲線，斜率為真空磁導(dǎo)率。當(dāng)不施加直流勵(lì)磁時(shí)，工作狀態(tài)如圖2(a)，鐵芯一直工作在不飽和狀態(tài)，電抗器的磁場強(qiáng)度很小，根據(jù)安匝平衡原理工作電流也就很小，電抗器容量也很小。按照?qǐng)D2所加的直流激磁會(huì)對(duì)于左右兩個(gè)芯柱分別產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)方向的磁密平移，也就是會(huì)讓左右兩個(gè)芯柱輪流達(dá)到飽和狀態(tài)，從而得到對(duì)稱交流的飽和工作電流。工作狀態(tài)如圖2(b)所示。

圖2 鐵心飽和工作原理

磁飽和式可控電抗器的工作原理就是通過改變直流勵(lì)磁的大小，改變鐵芯的磁飽和度，進(jìn)而改變等效磁導(dǎo)率從而平滑地改變電抗值，改變了電抗器容量。

根據(jù)磁飽和式可控電抗器中晶閘管和二極管可能導(dǎo)通情況，列出下列5種工作狀態(tài)：

狀態(tài)1：VT1導(dǎo)通，VT2、VD關(guān)斷；

狀態(tài)2：VT1、VD導(dǎo)通，VT2關(guān)斷；

狀態(tài)3：VD導(dǎo)通，VT1、VT2關(guān)斷；

狀態(tài)4：VT2導(dǎo)通，VT1、VD關(guān)斷；

狀態(tài)5：VT2、VD導(dǎo)通，VT1關(guān)斷。

晶閘管與二極管所承受的電壓、電流及觸發(fā)脈沖信號(hào)，決定了電抗器的各種工作狀態(tài)。設(shè)電網(wǎng)電壓為，每一電源半周開始到晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電角度(觸發(fā)角)為，則上述各種狀態(tài)與和晶閘管觸發(fā)角之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 工作狀態(tài)示意圖

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

磁飽和式可控電抗器是根據(jù)磁飽和原理來工作的，在Matlab/SPS中，提供了飽和變壓器的模型，沒有磁飽和式可控電抗器的相關(guān)模型。文獻(xiàn)[4]根據(jù)電抗器的物理模型，推導(dǎo)了其等效電路，由等效電路搭建了電抗器的仿真模型，但是該仿真模型只能對(duì)電抗器的工作電流進(jìn)行仿真和分析。在該模型建立過程中，半導(dǎo)體器件是按理想元件處理的，即晶閘管和二極管是瞬時(shí)導(dǎo)通的，也即電抗器的工作過程中缺少了狀態(tài)2和狀態(tài)5兩種情況，與電抗器的實(shí)際工作情況有一定的誤差。本文利用Matlab/PSB中提供的飽和變壓器的模型，搭建了電抗器的模型，該模型可以對(duì)電抗器的工作電流進(jìn)行詳細(xì)分析，而且仿真波形更接近電抗器的實(shí)際工作電流，尤其是對(duì)流過晶閘管、二極管的電流以及它們兩端的電壓都可以仿真，在電抗器的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)晶閘管、二極管型號(hào)的選擇有一定的指導(dǎo)作用。

電抗器的仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真參數(shù)計(jì)算

抽頭比δ的計(jì)算公式如下：

飽和變壓器器的參數(shù)設(shè)置如下：

圖4 仿真模型

以上的參數(shù)除了額定容量、額定頻率、原副繞組額定電壓為國際單位以外，其余參數(shù)可以是國際單位制單位，也可以是標(biāo)幺值。用標(biāo)幺值表示的變壓器的磁化特性如下：

4 仿真實(shí)例

圖5為電抗器工作電流波形，與文獻(xiàn)[4]中的結(jié)果相比，該波形在波峰處有一定跌落，是由于晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷或者導(dǎo)通不是瞬時(shí)完成的，有一個(gè)很小的過渡過程，更符合電抗器的實(shí)際工作過程。圖6～8分別為晶閘管和二極管的電流波形。圖9為晶閘管和二極管的換流過程波形。

圖5 的波形

圖6 的波形

圖7 的波形

圖8 的波形

圖9 半導(dǎo)體器件換流電流

5 結(jié)論

(1)根據(jù)磁飽和式可控電抗器的本體結(jié)構(gòu)，利用飽和變壓器的模型搭建的磁飽和式可控電抗器的仿真模型，簡捷有效，其仿真結(jié)果正確反映了電抗器的工作過程。

(2)相比文獻(xiàn)[4]中對(duì)半導(dǎo)體器件做理想化處理的結(jié)果，該仿真模型更接近于電抗器的實(shí)際工作過程。對(duì)半導(dǎo)體器件的電流等參數(shù)的仿真，可以為電抗器的實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)半導(dǎo)體器件的選擇提供一定的理論依據(jù)。

[1]金明成，劉繼成.建設(shè)特高壓電網(wǎng)的必要性[J].東北電力技術(shù)，2006,12:37-39.

[2]周元清.磁控電抗器在特高壓交流輸電線路中的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2007:23-30.

[3]田銘興，勵(lì)慶孚，王曙鴻.磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數(shù)學(xué)模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002,17(4):18-21.

[4]田銘興，勵(lì)慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003,18(6):64-67.

[5]鄧占鋒，王軒，周飛等.超高壓磁控式并聯(lián)電抗器仿真建模方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008,28(36):108-113.

[6]陳柏超.新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用[M].武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999:97-136.

Analysis of magnetically-saturated controllable reactor based on saturation transformer

The basic structure and the principle of magnetically-saturated controllable reactor(MC-SR) were described.The application of MCSR in EHV and UHV was introduced.Based on the power system blockset(PSB)of Matlab,the model of saturation transformer was used,a simulation model for a magnetically-saturated controllable reactor was constructed.The relevant parameters of the model were calculated.Subsequently,a simulation analysis was demonstrated.The results illustrate the analysis and simulation method is simple and effective.It could reflect the process parameters of the semiconductor devices of MCSR,and provide the theoretical basis for its practical application or manufacturing.

magnetically-saturated;controllable reactors;simulation

TM 47

A

1002-087 X(2016)03-0705-04

2015-08-23

國家自然科學(xué)基金(51167009)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1112RJZA038)

田銘興(1968—)，男，甘肅省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)電器的設(shè)計(jì)控制。