風電場用快速反應型磁控電抗器的研究

劉益初，　樸在林

(沈陽農業大學 信息與電氣工程學院　遼寧 沈陽 110866)

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風電場用快速反應型磁控電抗器的研究

劉益初，樸在林

(沈陽農業大學 信息與電氣工程學院遼寧 沈陽 110866)

摘要：針對目前風電場使用的磁控電抗器的反應速度較慢，不能滿足風電場快速無功補償要求的現狀，提出了一種快速反應型高壓磁控電抗器的技術方案.給出了該磁控電抗器的鐵芯與繞組結構以及快速跟蹤原理，并對電抗器的穩態工作過程及其穩態運行參數進行了分析，提出了其快速跟蹤時間的表達式.仿真結果表明，該快速反應型磁控電抗器具有很快的電流跟蹤速度，可以滿足風電場快速無功動態補償裝置的跟蹤時間要求.

關鍵詞：磁控電抗器； 快速反應； 風電場

0引言

風電場使用大量的異步電動機，這些異步電動機會為系統輸入大量無功功率，造成系統的功率損耗增加，因此風電場必須裝設無功補償裝置.同時為了能夠適應風電場的風力及風向隨時變化的補償需求，風電場通常裝設的都是動態無功補償裝置.

當前能夠應用在風電場的動態無功補償裝置有TCR型、MCR型、SVG型.TCR型動態無功補償裝置采用晶閘管投切空心電抗器，這種無功補償裝置雖然反應速度很快(20 ms)，但占地面積大，設備會產生大量的諧波，需要配備多組單調諧濾波器來濾除設備產生的諧波，有逐漸被淘汰的趨勢；MCR型動態無功補償裝置[1—5]產生的諧波含量很小，通常為3%左右，設備占地面積小，制造成本低，抗沖擊電壓能力強，但設備的跟蹤速度較慢，根據設備的容量大小，其跟蹤速度通常為200～500 ms；SVG型動態無功補償裝置采用鏈式單相逆變橋模塊級聯而成，設備反應速度快，產生的諧波含量小，占地面積小，正在逐漸地被風電場大量采用，但該設備的安全性較差，制造成本高.其中，低成本、高安全性的MCR型動態無功補償裝置由于其跟蹤速度的限制，無法滿足風電場快速動態無功補償的要求，需要對其反應速度進行提升改進，該改進應該集中在高壓磁控電抗器跟蹤速度的提升改造上[6]，但目前該方面的研究文獻極少.

為解決高壓磁控電抗器的跟蹤速度問題，本文提出了一種快速反應型高壓磁控電抗器的技術方案,給出了磁控電抗器的鐵芯與繞組結構，對該磁控電抗器的快速跟蹤原理進行了理論分析，同時也分析了該磁控電抗器的穩態工作過程，討論了其暫態、穩態參數的計算方法.對該快速反應型高壓磁控電抗器進行了仿真分析，仿真結果表明，該磁控電抗器的電流跟蹤速度很快，可以滿足風電場快速無功動態補償裝置的跟蹤時間要求.

1快速反應型高壓磁控電抗器的結構

快速反應型磁控電抗器的單相鐵芯結構與繞組結構如圖1所示.

圖1　快速反應型磁控電抗器的鐵芯結構和繞組結構Fig.1　Structure of iron core and winding of quick response magnetically controlled reactor

快速反應型磁控電抗器的單相鐵芯結構與常見的磁控電抗器的單相鐵芯結構相同，其在繞有線圈的兩個鐵芯柱上都有面積較小的一段，即所謂的“磁閥”，該磁閥結構可以保證磁控電抗器鐵芯在工作時只有磁閥部分飽和，其他部分不飽和，這樣可以減少磁控電抗器的鐵芯損耗，同時減少電抗器的諧波電流的含量.快速反應型磁控電抗器的單相繞組結構是對當前磁控電抗器的繞組結構進行了改進，即在原單相磁控電抗器繞組的回流二極管D的兩端并聯了一個可關斷晶閘管K3(GTO)，控制電容C的支路，該支路會在其相連接的兩個并聯繞組的兩端點電位不相等時控制該晶閘管K3導通，使電容C充電，電容充電完成時自動關閉，在磁控電抗器需要快速跟蹤電流時再觸發晶閘管K3導通，使得暫態過程中在磁控電抗器的電感支路中串入一個帶有一定初始電壓的充電電容，利用該充電電容可以加速該暫態過程的快速實現，迅速地建立起控制電流.

2快速跟蹤原理

快速反應型磁控電抗器在暫態過程中的快速跟蹤原理,是基于將事先充有一定初始電壓的電容器對可控電抗器的控制回路進行放電，使其在電抗器控制回路與放電電容器之間構成L、C串聯振蕩電路，利用電容來消減磁控繞組的電感作用，從而迅速地建立起控制電流，提高其跟隨響應速度.其暫態過程的簡化分析電路可以參考電路中的RLC暫態分析方法進行分析.

設L代表磁控電抗器的暫態電感，R代表磁控電抗器線圈電阻，K代表晶閘管(圖1(b)中的晶閘管K3)，C代表經晶閘管接通的預充電電容(圖1(b)中的電容C).假定L為線性電感，開關K閉合(晶閘管K3導通)后的電路方程為

(1)

(2)

從磁控電抗器電流的表達式可以看出，磁控電抗器的電流為按指數規律衰減的振蕩波形，在振蕩過程中磁控電抗器的電流可以很快地達到所需的值，通過改變電容器的電容值及電容器上的電壓可以調整達到峰值所需的時間.

在實際應用中的暫態過程控制電路原理圖如圖2所示.在暫態過程中將初始時充有電壓的電容器投入，即將G3導通，G1暫時處于關斷狀態，此時電容C向電抗器控制回路進行迅速放電，放電過程中的振蕩頻率取決于電容C與磁控電抗器控制回路的電感與電阻值，該放電過程可以使控制電流迅速增加，對應的電抗器的電流也迅速增加，當達到所需的值后，關斷G3,隔離開電容支路，同時觸發G1以開通穩態控制的可控直流控制電源Ek(該電壓大小取決于觸發角)，使得電容放電過程中所建立的控制電流得以延續，并維持磁控電抗器的穩定工作狀態.在穩態需要給電容C充電時只需觸發G3使其導通即可.

3穩態工作過程

快速反應型高壓磁控電抗器在穩定工作狀態下可關斷晶閘管K3不導通，與二極管并聯的可控放電電容支路處于斷開狀態.如圖3所示，此時其穩態工作過程與普通的單相磁控電抗器的原理相同.每柱上、下兩繞組的中間抽頭通過G1、G2兩只晶閘管相連，而且連接方向相反，二極管D跨接在交叉端點，作用是提供續流通道，有利于G1、G2關斷和提高整流效率.

圖2　暫態過程控制電路原理圖Fig.2　Schematic diagram of control circuit for transient process

圖3　單相磁控電抗器穩態工作過程Fig.3　Steady-state process of single phase magnetically controlled reactor

工作原理分析如下：若G1、G2不導通，磁控電抗器處于空載狀態，由繞組結構的對稱性知磁控電抗器與空載變壓器無異.當外加電壓e(t)為正極性時，4個中間抽頭的電壓降Δe(t)也是正極性，晶閘管G1承受正向電壓，G2承受反向電壓.此時，如果G1被觸發導通，上、下繞組內將分別產生直流電流，在它們的作用下使右鐵芯柱去磁而左鐵芯柱增磁，從而使左鐵芯柱飽和，降低了總的電感量，增加了電抗器容量，如圖4(a)所示.當外加電壓e(t)為負極性時，4個中間抽頭的電壓降Δe(t)也是負極性，晶閘管G1承受反向電壓，G2承受正向電壓.此時，如果G2被觸發導通，上、下繞組內將分別產生直流電流，在它們的作用下使右鐵芯柱增磁而左鐵芯柱去磁，從而使右鐵芯柱飽和，降低了總的電感量，增加了電抗器容量，得到與正極性工作狀態相同的結果,如圖4(b)所示.

圖4　磁控電抗器在不同極性電壓下的工作情況Fig.4　Working condition of magnetically controlled reactor in different polarity voltage

在交流電壓的作用下，使G1、G2輪流導通，形成了一個全波整流電路.此時，改變G1、G2導通角的大小，便調整了勵磁電流的大小，進一步改變了電抗器鐵芯的飽和程度，從而達到平滑調節電抗器容量的目的.

4主要參數分析

磁控電抗器工作特性的分析需要借助于其鐵芯的磁化曲線以及磁路的安培環路定理來進行.鐵芯的磁化曲線可以利用小斜率理想磁化曲線模型，即

(3)

定義鐵芯的磁飽和度(即半鐵芯在一個工頻周期內鐵芯的飽和時間)為β，當觸發角α=0°時，β=2π，電抗器容量最大.β與鐵芯的飽和磁密Bs及直流磁密Bd之間的關系為

(4)

考慮到磁化曲線正負半周的對稱性，省略推導過程，可以得到磁控電抗器穩態時工作電流的表達式為

式中：其各次諧波分量幅值可以表示為

磁控電抗器基波電流的標幺值可以表示為

(5)

磁控電抗器的偶數次諧波電流可以忽略，其奇數次諧波電流的標幺值可以表示為

磁控電抗器晶閘管的觸發角α和鐵芯的磁飽和度β的關系表達式為

(6)

磁控電抗器的控制電流與觸發角的關系表達式為

快速反應型磁控電抗器的暫態特性主要用其電流跟蹤上升時間來表示，該電流跟蹤上升時間可以由二階系統的欠阻尼單位階躍響應的上升時間推出，其表達式為

(7)

5仿真分析

快速反應型磁控電抗器的仿真電路可按圖2所示的暫態過程控制電路原理圖進行分析.仿真過程中，為了方便對比，取t=0.02 s作為放電電容C投入以及晶閘管G1觸發的時刻，設觸發前磁控電抗器處于空載狀態(即初始電流為0)，觸發導通后使其追蹤額定工作電流.

在t=0.02 s由空載投入充電電容，使其追蹤額定工作電流，在達到額定電流后關斷G3，同時導通G1維持穩定電流，在G3導通前后得到的快速反應磁控電抗器的工作電流變化情況(跟蹤狀態1)如圖5(a)所示；而在t=0.02 s由空載直接觸發晶閘管G1使其導通，追蹤額定工作電流，在G1導通前后得到的快速反應磁控電抗器的工作電流變化情況(跟蹤狀態2)如圖5(b)所示.從圖5中所得到的磁控電抗器的工作電流跟蹤波形可以看出，通過投入預充電電容參與暫態過程,可以大大提高磁控電抗器的電流跟蹤速度，將原來需要接近0.2 s才能完成的電流跟蹤過程提升到20 ms左右即可完成.

圖5　快速反應型磁控電抗器的工作電流追蹤變化情況Fig.5　The working current tracking waveform of quick response magnetically controlled reactor

對應于圖5的兩種跟蹤狀態下的直流控制電流變化情況如圖6所示.比較這兩種狀態下的直流控制電流追蹤變化波形，可以看出,通過投入預充電電容參與暫態過程，可以大大提升磁控電抗器的直流控制電流跟蹤速度，將原來需要接近0.2 s才能實現的直流電流跟蹤過程提升到20 ms左右實現.

圖6　快速反應型磁控電抗器的直流控制電流追蹤變化情況Fig.6　The DC control current tracking waveform of quick response magnetically controlled reactor

圖7　穩態工作電流標幺值與其觸發角的關系Fig.7　The relationship between steady state operating current with trigger angle

快速反應型磁控電抗器的穩態工作電流標幺值與其觸發角之間的關系如圖7所示.可以看出，快速反應型磁控電抗器的工作電流標幺值與其觸發角之間的關系仍然是余弦關系，快速反應型磁控電抗器并沒有改變磁控電抗器的穩態電流特性.

6結論

提出了一種適用于風電場的快速反應型高壓磁控電抗器，介紹了該磁控電抗器的鐵芯與繞組結構，分析了該快速反應型磁控電抗器的快速跟蹤原理，對該電抗器穩態時的工作原理及穩態運行參數進行了分析計算，同時提出了該磁控電抗器的跟蹤時間表達式.對該快速反應型高壓磁控電抗器的暫態、穩態特性進行了仿真分析，分析結果表明，該磁控電抗器具有很快的電流跟蹤速度，可以滿足風電場快速無功動態補償裝置的跟蹤時間要求.

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(責任編輯：孔薇)

The Research of Quick Response Magnetically Controlled Reactor in the Wind Farm

LIU Yichu， PIAO Zailin

(CollegeofInformationandElectricalEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)

Abstract:The magnetically controlled reactor in the wind farm had a slow reaction speed, it could not meet the requirements of fast reactive power compensation in the wind farm. In order to solve the problem, a scheme of quick response magnetically controlled reactor which took advantage of improved winding structure as well as the quick response principle was presented. The steady state operation process and steady state parameters were analyzed, and the quick response time expression was given. The simulation results showed that the current tracking speed of the quick response magnetically controlled reactor was quick, it could meet tracking time requirements of the fast reactive power dynamic compensation device in the wind farm.

Key words:magnetically controlled reactor； quick response； wind farm

收稿日期:2015-08-22

基金項目:國家科技支撐計劃項目(2012BAJ26B01).

作者簡介:劉益初(1989—)，女，河南周口人，碩士研究生，主要從事風電場動態無功補償技術研究，E-mail: 20990259@qq.com；樸在林(1955—)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師，主要從事電力系統及自動化的理論和技術研究，E-mail: piaozl@china.com.

中圖分類號：TM47

文獻標志碼：A

文章編號：1671-6841(2016)01-0096-06

DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.201509036

引用本文：劉益初，樸在林. 風電場用快速反應型磁控電抗器的研究[J]. 鄭州大學學報(理學版)，2016，48(1)：96—101.