磁控電抗器響應速度的提高方案

許暉+尹忠東

摘 要：磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其靈活的控制性、安全的可靠性和高壓適用性受到越來越多的關注。但是其響應速度慢的缺點限制了其應用范圍。為了應對這一問題，文章提出了一種利用斬波電路配合電容來實現MCR的快速勵磁與去磁的新型方案。經試驗驗證了理論分析的結論，證明了新的方案能夠顯著提高MCR的響應速度。

關鍵詞：磁控電抗器；快速勵磁；響應速度；工作繞組

1 引言

超/特高壓交流輸電線路的發展和建設，使得電網中出現了巨大的充電功率，這給系統的無功調節和過高壓抑制提出了更高的要求。磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其靈活的控制性、低廉的成本，在電力系統的無功補償方面有著廣泛的應用前景[1]。響應速度慢則成為了限制其應用的主要原因。在無功調節時，響應速度慢會導致系統穩定性下降，增大系統震蕩的風險[2-3]。

針對這一問題，文獻4、5提出了通過電容的諧振放電來提高MCR響應速度的方法。但此方法在不同的場合和工況下，需要不同的電容電壓和電容值，對其參數有精確的要求，實現起來并不方便。

通過數學分析，本文得到導致MCR響應速度慢的根本原因在于直流偏置電流回路。在MCR本體改造方面，提出了一種合理配置工作繞組與控制繞組的方法，這種方法去除了在快速勵磁時工作繞組中的直流偏置電流的流通回路。很大程度提高了MCR的響應速度。在控制算法優化方面，本文在控制繞組中加入了快速勵磁控制策略。進一步把響應速度提高到了半個工頻周期以內。

2 傳統的MCR響應速度提高方法

傳統的MCR響應速度提高方法有如下幾類：

2.1 增加直流控制電壓

MCR容量與鐵芯磁感應強度的直流分量成正比。而鐵芯磁感強度直流分量的變化速度與控制電壓大小成正比。在較高控制電壓下，磁感應強度直流分量上升到一定值的時間較短。這種辦法通過加大直流控制電壓能夠將MCR的響應速度提高到20ms之內。但是提高控制電壓需要大容量直流控制電源，這在工程應用中是不可能任意滿足的，因此只適合在小容量的場合應用。

2.2 加入勵磁電容

MCR的穩態激磁由晶閘管控制。改變晶閘管的觸發角可以調節電容的儲能，在MCR運行方式轉換的瞬間控制IGBT導通，使充電電容對控制繞組放電，實現快速勵磁的目的。實驗證明，當沒有加快速勵磁支路時，改變直流勵磁工作電流需要經過7個周期才能達到穩態，而當采取了快速勵磁的時，經過2個周期就可以達到穩態。但是此方法在電抗器容量變化時，需要重新校驗勵磁電容和電壓初始值，不能滿足工程實際需求。

2.3 直流預偏磁

在對MCR加入工作電壓之前，預先加入直流偏磁，之后再加入工作電壓，MCR的響應速度可以大大提高。這種快速響應的功率稱為瞬時暫態功率。這種響應速度提高的方法主要應用在動態消弧線圈，因為只有接在中性點的消弧線圈可以在工作時突然施加工作電壓。但是這種響應速度優化方法對突然加入工作電壓這一點要求比較苛刻。對于MCR來說，這一工作條件顯然不具備。并且這種方法僅僅對于容量單向（增大）調節速度有提高作用。

2.4 增大控制繞組

由控制直流偏置電流公式：

3 集快速去磁與勵磁一體的新型方案

本文提出了一種MCR快速去磁等效電路，如圖1所示：

此電路根據MCR具體的應用電壓等級場合，來確定升壓斬波電路中的電壓源值，并調節其內部IGBT的導通占空比，使電容C滿足在控制電源電壓值最大時，它的放電時間不少于20ms。

電路工作過程如下：（1）電力系統穩定并且無需無功功率補償時，IGBT1、IGBT2和IGBT4處于斷開狀態，IGBT3閉合，此時斬波電路給電容充電，電容電壓鎖定在設定好的電壓值；（2）電力系統有波動需要無功補償時候，IGBT2和IGBT3導通，IGBT1和IGBT4關斷，此時給勵磁電路充磁，加快響應速度。穩定后，IGBT2、IGBT4關斷，IGBT1和IGBT3導通，此時給系統提供穩定無功；（3）MCR退出系統，使IGBT4導通，投入快速去磁回路，延時5ms后切斷IGBT3，防止IGBT3先斷開時對電路造成大的沖擊。根據仿真結果可以看到勵磁速度很快，并且退出系統的時間也很短，在20ms以內便可以實現。

控制方面，在工作繞組正向串聯與控制繞組反向串聯的基礎上，控制回路中加入適當的快速勵磁控制則可以進一步加快響應速度。在容量發生正向突變時令直流控制電壓持續一定時間的峰值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓運行；在容量發生負方向突變時令直流控制電壓持續一定時間為極低值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓。

容量增減的快速勵磁關鍵參數主要有快速勵磁持續時間tf與快速勵磁電壓Vf。為了把響應速度控制在半個工頻周期以內，必須保證tf小于等于10ms，考慮到控制電源采用晶閘管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在選取快速勵磁參數時可以把tf取為10ms，通過控制Vf的大小來實現不同容量調節的快速勵磁。Vf過大則導致過勵磁，工作電流會出現尖峰波動，Vf過小則導致欠勵磁，工作電流上升速度偏慢。

經過試驗驗證，發現采用優化繞組配置并加入快速勵磁后，容量雙向變化的響應速度明顯提升，可以縮短到半個工頻周期以內。這從事實上證明了本文提出的工作繞組結構設計方案與快速勵磁控制方法的正確性。

3 結束語

經過理論分析，并進行了仿真與實驗結果的驗證，表明MCR的響應速度（雙向調節）可達到半個周期以內（10ms）。本文提出的MCR響應速度優化方案可顯著提高MCR響應速度，具有廣闊應用前景。

參考文獻

[1]余夢澤，陳柏超，曹志煌，等.110kV并聯可控電抗器及其應用[J].電力系統自動化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠華，陳柏超.磁控電抗器在750kV系統中的應用[J].電工技術學報，2005，20（1）：31-37.

[3]周麗霞.大容量輸電長線可控并聯補償與潛供電弧抑制的研究[D].華北電力大學，2009.

[4]孔寧.基于MCR的特高壓交流輸電系統的無功電壓控制[D].華北電力大學，2011.

[5]田銘興，勵慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術學報，2003，18（6）：64-67.endprint

摘 要：磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其靈活的控制性、安全的可靠性和高壓適用性受到越來越多的關注。但是其響應速度慢的缺點限制了其應用范圍。為了應對這一問題，文章提出了一種利用斬波電路配合電容來實現MCR的快速勵磁與去磁的新型方案。經試驗驗證了理論分析的結論，證明了新的方案能夠顯著提高MCR的響應速度。

關鍵詞：磁控電抗器；快速勵磁；響應速度；工作繞組

1 引言

超/特高壓交流輸電線路的發展和建設，使得電網中出現了巨大的充電功率，這給系統的無功調節和過高壓抑制提出了更高的要求。磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其靈活的控制性、低廉的成本，在電力系統的無功補償方面有著廣泛的應用前景[1]。響應速度慢則成為了限制其應用的主要原因。在無功調節時，響應速度慢會導致系統穩定性下降，增大系統震蕩的風險[2-3]。

針對這一問題，文獻4、5提出了通過電容的諧振放電來提高MCR響應速度的方法。但此方法在不同的場合和工況下，需要不同的電容電壓和電容值，對其參數有精確的要求，實現起來并不方便。

通過數學分析，本文得到導致MCR響應速度慢的根本原因在于直流偏置電流回路。在MCR本體改造方面，提出了一種合理配置工作繞組與控制繞組的方法，這種方法去除了在快速勵磁時工作繞組中的直流偏置電流的流通回路。很大程度提高了MCR的響應速度。在控制算法優化方面，本文在控制繞組中加入了快速勵磁控制策略。進一步把響應速度提高到了半個工頻周期以內。

2 傳統的MCR響應速度提高方法

傳統的MCR響應速度提高方法有如下幾類：

2.1 增加直流控制電壓

MCR容量與鐵芯磁感應強度的直流分量成正比。而鐵芯磁感強度直流分量的變化速度與控制電壓大小成正比。在較高控制電壓下，磁感應強度直流分量上升到一定值的時間較短。這種辦法通過加大直流控制電壓能夠將MCR的響應速度提高到20ms之內。但是提高控制電壓需要大容量直流控制電源，這在工程應用中是不可能任意滿足的，因此只適合在小容量的場合應用。

2.2 加入勵磁電容

MCR的穩態激磁由晶閘管控制。改變晶閘管的觸發角可以調節電容的儲能，在MCR運行方式轉換的瞬間控制IGBT導通，使充電電容對控制繞組放電，實現快速勵磁的目的。實驗證明，當沒有加快速勵磁支路時，改變直流勵磁工作電流需要經過7個周期才能達到穩態，而當采取了快速勵磁的時，經過2個周期就可以達到穩態。但是此方法在電抗器容量變化時，需要重新校驗勵磁電容和電壓初始值，不能滿足工程實際需求。

2.3 直流預偏磁

在對MCR加入工作電壓之前，預先加入直流偏磁，之后再加入工作電壓，MCR的響應速度可以大大提高。這種快速響應的功率稱為瞬時暫態功率。這種響應速度提高的方法主要應用在動態消弧線圈，因為只有接在中性點的消弧線圈可以在工作時突然施加工作電壓。但是這種響應速度優化方法對突然加入工作電壓這一點要求比較苛刻。對于MCR來說，這一工作條件顯然不具備。并且這種方法僅僅對于容量單向（增大）調節速度有提高作用。

2.4 增大控制繞組

由控制直流偏置電流公式：

3 集快速去磁與勵磁一體的新型方案

本文提出了一種MCR快速去磁等效電路，如圖1所示：

此電路根據MCR具體的應用電壓等級場合，來確定升壓斬波電路中的電壓源值，并調節其內部IGBT的導通占空比，使電容C滿足在控制電源電壓值最大時，它的放電時間不少于20ms。

電路工作過程如下：（1）電力系統穩定并且無需無功功率補償時，IGBT1、IGBT2和IGBT4處于斷開狀態，IGBT3閉合，此時斬波電路給電容充電，電容電壓鎖定在設定好的電壓值；（2）電力系統有波動需要無功補償時候，IGBT2和IGBT3導通，IGBT1和IGBT4關斷，此時給勵磁電路充磁，加快響應速度。穩定后，IGBT2、IGBT4關斷，IGBT1和IGBT3導通，此時給系統提供穩定無功；（3）MCR退出系統，使IGBT4導通，投入快速去磁回路，延時5ms后切斷IGBT3，防止IGBT3先斷開時對電路造成大的沖擊。根據仿真結果可以看到勵磁速度很快，并且退出系統的時間也很短，在20ms以內便可以實現。

控制方面，在工作繞組正向串聯與控制繞組反向串聯的基礎上，控制回路中加入適當的快速勵磁控制則可以進一步加快響應速度。在容量發生正向突變時令直流控制電壓持續一定時間的峰值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓運行；在容量發生負方向突變時令直流控制電壓持續一定時間為極低值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓。

容量增減的快速勵磁關鍵參數主要有快速勵磁持續時間tf與快速勵磁電壓Vf。為了把響應速度控制在半個工頻周期以內，必須保證tf小于等于10ms，考慮到控制電源采用晶閘管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在選取快速勵磁參數時可以把tf取為10ms，通過控制Vf的大小來實現不同容量調節的快速勵磁。Vf過大則導致過勵磁，工作電流會出現尖峰波動，Vf過小則導致欠勵磁，工作電流上升速度偏慢。

經過試驗驗證，發現采用優化繞組配置并加入快速勵磁后，容量雙向變化的響應速度明顯提升，可以縮短到半個工頻周期以內。這從事實上證明了本文提出的工作繞組結構設計方案與快速勵磁控制方法的正確性。

3 結束語

經過理論分析，并進行了仿真與實驗結果的驗證，表明MCR的響應速度（雙向調節）可達到半個周期以內（10ms）。本文提出的MCR響應速度優化方案可顯著提高MCR響應速度，具有廣闊應用前景。

參考文獻

[1]余夢澤，陳柏超，曹志煌，等.110kV并聯可控電抗器及其應用[J].電力系統自動化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠華，陳柏超.磁控電抗器在750kV系統中的應用[J].電工技術學報，2005，20（1）：31-37.

[3]周麗霞.大容量輸電長線可控并聯補償與潛供電弧抑制的研究[D].華北電力大學，2009.

[4]孔寧.基于MCR的特高壓交流輸電系統的無功電壓控制[D].華北電力大學，2011.

[5]田銘興，勵慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術學報，2003，18（6）：64-67.endprint

摘 要：磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其靈活的控制性、安全的可靠性和高壓適用性受到越來越多的關注。但是其響應速度慢的缺點限制了其應用范圍。為了應對這一問題，文章提出了一種利用斬波電路配合電容來實現MCR的快速勵磁與去磁的新型方案。經試驗驗證了理論分析的結論，證明了新的方案能夠顯著提高MCR的響應速度。

關鍵詞：磁控電抗器；快速勵磁；響應速度；工作繞組

1 引言

超/特高壓交流輸電線路的發展和建設，使得電網中出現了巨大的充電功率，這給系統的無功調節和過高壓抑制提出了更高的要求。磁控電抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其靈活的控制性、低廉的成本，在電力系統的無功補償方面有著廣泛的應用前景[1]。響應速度慢則成為了限制其應用的主要原因。在無功調節時，響應速度慢會導致系統穩定性下降，增大系統震蕩的風險[2-3]。

針對這一問題，文獻4、5提出了通過電容的諧振放電來提高MCR響應速度的方法。但此方法在不同的場合和工況下，需要不同的電容電壓和電容值，對其參數有精確的要求，實現起來并不方便。

通過數學分析，本文得到導致MCR響應速度慢的根本原因在于直流偏置電流回路。在MCR本體改造方面，提出了一種合理配置工作繞組與控制繞組的方法，這種方法去除了在快速勵磁時工作繞組中的直流偏置電流的流通回路。很大程度提高了MCR的響應速度。在控制算法優化方面，本文在控制繞組中加入了快速勵磁控制策略。進一步把響應速度提高到了半個工頻周期以內。

2 傳統的MCR響應速度提高方法

傳統的MCR響應速度提高方法有如下幾類：

2.1 增加直流控制電壓

MCR容量與鐵芯磁感應強度的直流分量成正比。而鐵芯磁感強度直流分量的變化速度與控制電壓大小成正比。在較高控制電壓下，磁感應強度直流分量上升到一定值的時間較短。這種辦法通過加大直流控制電壓能夠將MCR的響應速度提高到20ms之內。但是提高控制電壓需要大容量直流控制電源，這在工程應用中是不可能任意滿足的，因此只適合在小容量的場合應用。

2.2 加入勵磁電容

MCR的穩態激磁由晶閘管控制。改變晶閘管的觸發角可以調節電容的儲能，在MCR運行方式轉換的瞬間控制IGBT導通，使充電電容對控制繞組放電，實現快速勵磁的目的。實驗證明，當沒有加快速勵磁支路時，改變直流勵磁工作電流需要經過7個周期才能達到穩態，而當采取了快速勵磁的時，經過2個周期就可以達到穩態。但是此方法在電抗器容量變化時，需要重新校驗勵磁電容和電壓初始值，不能滿足工程實際需求。

2.3 直流預偏磁

在對MCR加入工作電壓之前，預先加入直流偏磁，之后再加入工作電壓，MCR的響應速度可以大大提高。這種快速響應的功率稱為瞬時暫態功率。這種響應速度提高的方法主要應用在動態消弧線圈，因為只有接在中性點的消弧線圈可以在工作時突然施加工作電壓。但是這種響應速度優化方法對突然加入工作電壓這一點要求比較苛刻。對于MCR來說，這一工作條件顯然不具備。并且這種方法僅僅對于容量單向（增大）調節速度有提高作用。

2.4 增大控制繞組

由控制直流偏置電流公式：

3 集快速去磁與勵磁一體的新型方案

本文提出了一種MCR快速去磁等效電路，如圖1所示：

此電路根據MCR具體的應用電壓等級場合，來確定升壓斬波電路中的電壓源值，并調節其內部IGBT的導通占空比，使電容C滿足在控制電源電壓值最大時，它的放電時間不少于20ms。

電路工作過程如下：（1）電力系統穩定并且無需無功功率補償時，IGBT1、IGBT2和IGBT4處于斷開狀態，IGBT3閉合，此時斬波電路給電容充電，電容電壓鎖定在設定好的電壓值；（2）電力系統有波動需要無功補償時候，IGBT2和IGBT3導通，IGBT1和IGBT4關斷，此時給勵磁電路充磁，加快響應速度。穩定后，IGBT2、IGBT4關斷，IGBT1和IGBT3導通，此時給系統提供穩定無功；（3）MCR退出系統，使IGBT4導通，投入快速去磁回路，延時5ms后切斷IGBT3，防止IGBT3先斷開時對電路造成大的沖擊。根據仿真結果可以看到勵磁速度很快，并且退出系統的時間也很短，在20ms以內便可以實現。

控制方面，在工作繞組正向串聯與控制繞組反向串聯的基礎上，控制回路中加入適當的快速勵磁控制則可以進一步加快響應速度。在容量發生正向突變時令直流控制電壓持續一定時間的峰值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓運行；在容量發生負方向突變時令直流控制電壓持續一定時間為極低值，達到目標容量后再恢復到目標容量對應的控制電壓。

容量增減的快速勵磁關鍵參數主要有快速勵磁持續時間tf與快速勵磁電壓Vf。為了把響應速度控制在半個工頻周期以內，必須保證tf小于等于10ms，考慮到控制電源采用晶閘管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在選取快速勵磁參數時可以把tf取為10ms，通過控制Vf的大小來實現不同容量調節的快速勵磁。Vf過大則導致過勵磁，工作電流會出現尖峰波動，Vf過小則導致欠勵磁，工作電流上升速度偏慢。

經過試驗驗證，發現采用優化繞組配置并加入快速勵磁后，容量雙向變化的響應速度明顯提升，可以縮短到半個工頻周期以內。這從事實上證明了本文提出的工作繞組結構設計方案與快速勵磁控制方法的正確性。

3 結束語

經過理論分析，并進行了仿真與實驗結果的驗證，表明MCR的響應速度（雙向調節）可達到半個周期以內（10ms）。本文提出的MCR響應速度優化方案可顯著提高MCR響應速度，具有廣闊應用前景。

參考文獻

[1]余夢澤，陳柏超，曹志煌，等.110kV并聯可控電抗器及其應用[J].電力系統自動化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠華，陳柏超.磁控電抗器在750kV系統中的應用[J].電工技術學報，2005，20（1）：31-37.

[3]周麗霞.大容量輸電長線可控并聯補償與潛供電弧抑制的研究[D].華北電力大學，2009.

[4]孔寧.基于MCR的特高壓交流輸電系統的無功電壓控制[D].華北電力大學，2011.

[5]田銘興，勵慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術學報，2003，18（6）：64-67.endprint