新型磁控電抗器的分析與比較

李曉明

（山東大學電氣工程學院，濟南　250061）

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新型磁控電抗器的分析與比較

李曉明

（山東大學電氣工程學院，濟南250061）

論文提出一種新型磁控電抗器。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱構建磁控電抗器仿真模型，對新型磁控電抗器進行仿真分析。分析表明：新型磁控電抗器結構簡單、可用于超高壓電力系統的優點明顯。缺點是，暫態響應時間比現有磁控電抗器的長。

磁控電抗器；仿真分析；性能比較；暫態時間

電抗器在電力系統中有廣泛的應用。在一部分應用領域，電抗器的電抗值固定不變；在許多應用領域，需要電抗值能隨著電力系統運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調節的電抗器［1］。磁控電抗器通過連續調節閉環鐵心上直流線圈中直流電流的大小，連續調節閉環鐵心的飽和程度，實現連續調節閉環鐵心上交流線圈（電抗線圈）電抗值的大小。前蘇聯科學家A. M. Bryantsev 1986年提出的磁控電抗器方案［2］，有里程碑的意義。我國的科研人員投入很大熱情對磁控電抗器進行研究［3-6］。磁控電抗器的研究結果已經有許多發表［7-8］。但是，現有實際應用的磁控電抗器，與1986年提出的磁控電抗器沒有太大的差別。共同的特征是，自勵式磁控電抗器的兩個晶閘管都處在線圈的中間位置，自勵式磁控電抗器線圈不論是三角形連接，還是星形連接，兩個晶閘管對地電壓都很高。對地電壓等于額定電壓的一半以上。目前現有的各種自勵式磁控電抗器都不適合應用于超高壓電力系統。當前，用于超高壓、特高壓的磁控電抗器都是他勵式磁控電抗器。他勵式磁控電抗器的運行管理不方便。

本文提出一種新型的、可應用于超高壓、特高壓電力系統的自勵式磁控電抗器，并對這種新型的磁控電抗器進行仿真分析與性能比較。

1　新型磁控電抗器結構與工作原理

新型磁控電抗器結構如圖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是閉環鐵心，閉環鐵心有 4根鐵心柱，4根鐵心柱兩端有磁軛，鐵心柱與磁軛構成磁通閉環。D1、D2是晶閘管。晶閘管由控制電路4控制。L1、L2是兩只匝數相等的線圈，線圈匝數等于同等電壓等級變壓器的線圈的匝數。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分別有勵磁電流流過。勵磁電流分別流過電阻R1、R2。可整定電阻R1、R2的電阻值，使電阻R1、R2流過勵磁電流時，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，這樣，晶閘管D1、D2截止時，兩端也有1%額定電壓的交流電壓。線圈L1、L2有勵磁電流流過時，兩只線圈所在鐵心柱的交流磁通都向上，分別經最外的兩個邊柱形成交流磁通閉環。磁控電抗器呈現最大電抗Zmax。

圖1　新型磁控電抗器結構圖

如果晶閘管D1、D2全導通。晶閘管D1、D2構成半波整流電路。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生的磁通在線圈 L1、線圈 L2所在的兩鐵心柱之間形成閉環。線圈 L1、線圈 L2所在的兩鐵心柱有直流磁通，鐵心出現飽和，線圈L1、線圈L2產生較大的過勵磁電流。磁控電抗器呈現最小電抗Zmin。

調節晶閘管 D1、D2導通量的大小，調節線圈L1、線圈L2中直流電流的大小，調節線圈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之間調節、變化。實現磁控電抗器電抗值的連續調節變化。

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

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兩柱式變壓器鐵心，其余結構、連接方式、參數不變，即構成圖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是：線圈L1產生的直流磁通路徑長度與交流磁通路徑長度相等，線圈L2產生的直流磁通路徑長度與交流磁通路徑長度相等。圖1（b）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑長度大于圖1（a）所示新型磁控電抗器的直流磁通路徑長度。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交流磁通的影響，不差上下，沒有太大差別。為此，選擇圖1（b）所示結構的磁控電抗器進行仿真分析。

2　磁控電抗器的仿真分析

2.1暫態響應時間仿真

新型磁控電抗器首先需要在 10kV電力系統獲得使用，積累經驗后再提高電壓等級，所以，對10kV新型磁控電抗器進行研究、對比。

用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構建圖1（b）所示磁控電抗器仿真模型和工作平臺如圖2所示。具體參數如下：AC Voltage Source=10000V；T1變壓器容量=577kV·A。T2變壓器參數與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，也為了突出主要問題，本文研究晶閘管D1、D2全導通條件下，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。

對圖2新型磁控電抗器Simulink仿真模型進行仿真實驗，Measurement1電流測量儀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響應時間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驗電流波形

我國現有的磁控電抗器結構如圖4所示。用Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，構建圖4所示磁控電抗器仿真模型如圖5所示。具體參數如下：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變壓器參數與T1變壓器相同。

圖4　現有磁控電抗器結構圖

圖5　現有磁控電抗器Simulink仿真模型

圖4所示現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。

對圖5現有磁控電抗器Simulink仿真模型進行仿真實驗，Measurement1電流測量儀表顯示的電流波形如圖6所示。從圖6可以觀察到，現有磁控電抗器的暫態響應時間1.4s。

圖6　現有磁控電抗器仿真試驗電流波形

2.2電阻功耗分析

對圖2新型磁控電抗器Simulink仿真模型進行仿真實驗，Measurement2電流測量儀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。

隨著無功電流的增大，流過電阻的電流峰值逐漸下降至1.42A。對流過電阻的電流波形進行放大，如圖7（b）所示?？梢?，晶閘管 D1、D2導通條件下，流過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有磁控電抗器一樣，都是通過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線圈，線圈沒有抽頭?，F有磁控電抗器有四個線圈，線圈有抽頭。因此，新型磁控電抗器結構比現有磁控電抗器簡單，制作工藝要求低，經濟。

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地電壓等于零，兩晶閘管整體對地電壓很低。降低兩晶閘管對地絕緣要求，降低制作成本。由于兩晶閘管公共一端對地電壓等于零，新型磁控電抗器可用于超高壓、特高壓電力系統領域。

4）新型磁控電抗器比現有磁控電抗器增加兩電阻，電阻將產生功耗。理論上，這是缺點。由于磁控電抗器鐵心的功耗達數千瓦，通過散熱管散熱。電阻產生的功耗就不算大。該缺點不會阻礙 10kV新型磁控電抗器的應用。更高電壓等級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響應時間大于現有磁控電抗器。這是新型磁控電抗器的缺點。新型磁控電抗器新的結構，可以為減低新型磁控電抗器的暫態響應時間提供新思路。隨著研究深入，在新型磁控電抗器基礎上，可以有進一步的改進措施。

3　結論

新型磁控電抗器結構簡單、可用于超高壓、特高壓電力系統的優點明顯。缺點是，暫態響應時間比現有磁控電抗器的長。

［1］ 蔡宣三，高越農. 可控飽和電抗器原理、設計與應用［M］. 北京︰中國水利水電出版社，2008.

［2］ A. M. Bryantsev. Magnetic biasing ferromagnetic devies with critical saturation of magnetic system section［J］. Electricity，2（1986）.

［3］ 陳柏超，陳維賢. 新型可控電抗器大幅度限制操作過電壓功能的研究［J］. 武漢水利電力大學學報，1993，26（1）︰46-56.

［4］ 陳柏超，陳維賢. 磁閥式可控電抗器的數學模型及特性［J］. 武漢水利電力大學學報，1995，28（3）︰293-298.

［5］ 陳柏超，陳維賢. 超高壓可控電抗器限壓特性及諧波分析［J］. 中國電機工程學報，1997，17（2）︰122-125.

［6］ 陳柏超. 新型可控飽和電抗器原理及應用［M］. 武漢︰武漢水利電力大學出版社，1999.

［7］ Chen Xuan，Chen Baichao，Tian Cuihua，et al. Modeling and harmonic optimization of a Two-Stage saturable magnetically controlled reactor for an arc suppression coil［J］. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2012，59（7）︰2824-2831.

［8］ 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及過渡時間分析［J］. 電力自動化設備，2013，33（6）︰47-51.

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，山東大學副教授，主要從事電力系統控制與保護、電力系統及其自動化的教學與研究工作。