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磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文檔作者：張健華黃兆文檔來源： 1．廣東電網(wǎng)公司中山供電局 2．南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月26日
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第26卷第9期
2013年9月
廣東電力
GUANGD0NG ELECTRIC pOW ER
Vo1．26 NO．9
Sep．2013
doi：10．3969／j．issn．1007—290X．2013．09．016
磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
張健華 ，黃兆
(1．廣東電網(wǎng)公司中山供電局，廣東中山442000；2．南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405)
摘要：對(duì)提高磁閥式可控電抗器(magnetic control reactor，MCR)響應(yīng)速度進(jìn)行了研究，提出通過控制MCR的
晶閘管觸發(fā)角來提高響應(yīng)速度，通過控制續(xù)流二極管的關(guān)斷使MCR快速退出運(yùn)行的方案，并給出具體的設(shè)計(jì)方
法。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案可行，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；磁閥式可控電抗器；響應(yīng)時(shí)間
中圖分類號(hào)：TM714．3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1007—29OX(2叭3)09-0077-03
Optimization Design for M agnetic Valve Controllable Reactor
ZHANG Jianhua ．HUANG Zha02
(1．Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhongshan，Guangdong 442000，China；
2．Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou，Guangdong 510405，China)
Abstract：This paper studies improvement of response speed of magnetic valve controllable reactor and proposes to control
firing angle of thyristor of MCR for realizing improve the response speed．Meanwhile，it proposes scheme of controlling
turn—off of freewheel diode to realize rapid quit running of MCR and provides specified design method．Simulated experiment
verifies feasibility and practical application value of this scheme．
Key words：reactive compensation；magnetic valve controllable reactor；response time
隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的日益增加和電壓等級(jí)的逐
漸提高，電力系統(tǒng)對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)備的要求也越來越
高[1]。為了滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，人們研制了
多種新型的無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置來適應(yīng)電力系統(tǒng)的變
化，如晶閘管控制的高阻抗變壓器、晶閘管控制的
電抗器、晶閘管投切電容器、開關(guān)投切電抗器、自
飽和電抗器和靜止無功發(fā)生器等。晶閘管控制的高
阻抗變壓器和晶閘管投切電容器存在噪聲大、制作
成本高等缺點(diǎn)，晶閘管控制的電抗器和靜止無功發(fā)
生器存在控制難度大、制作成本高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜
等缺點(diǎn)，因而限制了這些無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置的進(jìn)一
步推廣。而磁閥式可控電抗器(magnetic control
reactor，MCR)的制作成本低，控制簡(jiǎn)單，研究
收稿Et期：2013—05．09
MCR的性能優(yōu)化具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義l2—73。
1 提高M(jìn)CR響應(yīng)速度的研究
不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)無功補(bǔ)償?shù)男阅芤蟛煌?
一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度要
求很高，要求無功補(bǔ)償系統(tǒng)能夠快速跟蹤負(fù)載的變
化。
1．1 增大直流控制電壓
圖1為MCR等效電路，設(shè)T1在系統(tǒng)電源電
壓的正半波時(shí)導(dǎo)通，則電磁方程為l8]：
fdB1一E sin wt． aE sin wt
J dt < NA 。(1—3)NA’ (t 1l )J
f dB2一Emsin cot Emsin cot
l dt— NA (1一 )NA‘
式中：B 、B 分別為電抗器兩個(gè)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)
度；E 為工作電壓的振幅； 為工作電壓的角頻
廣東電力 第26卷
率；t為時(shí)間；N 為電抗器的匝數(shù)；A 為電抗器
鐵心的截面積； 為電抗器的抽頭比。
T1
T2
圖1 MCR等效電路
根據(jù)電抗器的對(duì)稱性，T2在系統(tǒng)電源電壓的
負(fù)半波時(shí)導(dǎo)通，電磁方程為：
fdB1一Emsin cot sin cot
I dt NA (1一 )NA’ (
2)
l dB2一Emsin cot msin oot
dt — NA ’(1一 )NA ‘
設(shè)P(t)=(B 一B )／2，由式(1)和式(2)得
P(t) 一 28t ，¨
2B 一(1一 )丁‘
式中：B 為鐵心磁化曲線的飽和值；T為系統(tǒng)電
源電壓的周期。
令P(t)=P (t)／2B ， 當(dāng)電抗器工作在額定
容量時(shí)，B 中的直流分量Ba=2B ，即P (t)=
1．0，設(shè)工頻周期數(shù) =t／丁，推導(dǎo)得出[9]
1 一
n = ． (4)
0
由式(4)可知n與 成反比，因此可以通過增
大 來提高M(jìn)CR的響應(yīng)速度。
以額定容量20 kvar、額定電壓400 V的MCR
為例，對(duì) 分別為3％和8％的直流控制電壓 。進(jìn)
行比較(如圖2所示)，分析響應(yīng)時(shí)間的變化。
“ “
(a)當(dāng) =3％時(shí) (b)當(dāng) =3％時(shí)
圖2 不同5值對(duì)應(yīng)的u。
由圖2可得： =3％ 時(shí)U。的響應(yīng)時(shí)間為
20T， =8％時(shí)M。的響應(yīng)時(shí)間為10丁，增大 可
以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本
一致。但是，考慮到晶閘管的耐壓有限，增大 。
無法滿足電力系統(tǒng)的要求，為此需要研究新的方法
來提高M(jìn)CR的響應(yīng)速度。
1．2 強(qiáng)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)
。不僅與 有關(guān)，還與晶閘管的觸發(fā)角a有
關(guān)，通過軟件調(diào)節(jié) ，可以改變電抗器的直流電流
， ，進(jìn)而改變電抗器的工作電流。其關(guān)系式
為 ]
，．： ± ． f )
(1+ )丁【尺 、
式中R為電抗器1／4繞組的電阻。
以額定容量為20 kvar、額定電壓為400 V的
MCR為例，制定系統(tǒng)控制響應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)方案。
實(shí)驗(yàn)流程為：首先通過手動(dòng)觸發(fā)，記錄a與基本
電流的關(guān)系；然后進(jìn)行系統(tǒng)采樣，判斷系統(tǒng)是否需
要補(bǔ)償，如果需要補(bǔ)償，則控制系統(tǒng)發(fā)出2倍額定
電流對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角a ，迅速提高 。，經(jīng)過，z(通過
實(shí)驗(yàn)來確定)個(gè)周期后，發(fā)出額定電流對(duì)應(yīng)的觸發(fā)
角a；如果負(fù)載系統(tǒng)無需大容量補(bǔ)償，則可以直接
通過比例積分(proportional plus integral，PI)調(diào)
節(jié)來補(bǔ)償系統(tǒng)。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖3所示)可得：3倍額定電流
下的響應(yīng)時(shí)間為8T，2倍額定電流下的響應(yīng)時(shí)間
為12 71，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
說明通過控制程序來改變電抗器上電后的觸發(fā)角，
可以改變系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
“~ , 12T “
(a)2倍額定電流下 (b)3倍額定電流下
圖3 強(qiáng)勵(lì)磁響應(yīng)波形比較
1．3 電抗器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
提高M(jìn)CR響應(yīng)速度的方法有：
a)在電抗器的繞組上加助磁繞組，當(dāng)晶閘管
導(dǎo)通時(shí)，助磁繞組開始工作，工作幾個(gè)周期后將其
斷開。這種方法雖然可以提高電抗器的響應(yīng)速度，
但電抗器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加了加工工藝的難
度。
b)改進(jìn)主電路結(jié)構(gòu)，使勵(lì)磁電壓產(chǎn)生正、負(fù)
極性，達(dá)到快速勵(lì)磁和去磁的目的。
c)在電抗器控制電壓不變的情況下，改變電
抗器直流回路中電感的大小，使電感的減緩作用減
弱。將事先儲(chǔ)備有一定初始電壓的電容器串聯(lián)到電
第9期 張健華，等：磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
抗器控制回路中，與控制回路構(gòu)成LC串聯(lián)振蕩電
路，起到控制電流、提高響應(yīng)速度的作用_1 。
2 MCR快速退出運(yùn)行的研究
將MCR應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)母線電壓跌
落時(shí)，MCR型無功補(bǔ)償裝置可以快速響應(yīng)，在盡
可能短的時(shí)間內(nèi)輸出最大的容性無功功率，給予母
線電壓足夠的支撐。因此在電壓恢復(fù)的暫態(tài)期間，
要求MCR從系統(tǒng)中快速切除，工作于空載運(yùn)行狀
態(tài)，這樣才能向系統(tǒng)提供最大的容性無功功率。
2．1 實(shí)驗(yàn)
以容量20 kvar、額定電壓400 V的MCR作
為樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在400 V 的額定電壓下，通過
調(diào)整 來改變電抗器的工作電流 ，使電抗器工作
于額定電流(28．9 A)的狀態(tài)，然后停止對(duì)晶閘管
的觸發(fā)，將MCR快速退出，使其運(yùn)行在空載狀
態(tài)。用示波器記錄從額定工作狀態(tài)至空載暫態(tài)期間
W 相線電流 的暫態(tài)過程，如圖4所示。由圖4
可得MCR退出系統(tǒng)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間大約為30丁。
O t
圖4 MCR從額定運(yùn)行到空載運(yùn)行期間的電流波形
MCR的響應(yīng)時(shí)間過長主要是晶閘管停止觸發(fā)
后，直流偏磁電流經(jīng)過二極管續(xù)流回路時(shí)衰減得比
較慢。因此要提高M(jìn)CR的響應(yīng)速度，就應(yīng)當(dāng)減少
直流偏磁電流的衰減時(shí)間。
2．2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
可以通過兩種方法來提高M(jìn)CR退出運(yùn)行的響
應(yīng)速度。方法一：外加直流電源，當(dāng)需要MCR退
出運(yùn)行時(shí)，外加直流電源給電抗器注入與直流偏磁
電流相反的直流電流，以抵消直流偏磁電流，從而
提高M(jìn)CR從額定運(yùn)行到退出運(yùn)行的響應(yīng)速度。這
種控制方法比較復(fù)雜，可靠性不高，而且成本比較
高，不利于MCR的市場(chǎng)化。方法二：在二極管續(xù)
流回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，并在電阻兩端并聯(lián)一個(gè)晶
閘管(如圖5所示)，利用電阻來減少直流偏磁電流
的能量消耗時(shí)間，從而提高M(jìn)CR退出運(yùn)行的響應(yīng)
速度。
Tl
T2
圖5 改進(jìn)后的MCR等效電路
由于電抗器相當(dāng)于一個(gè)大電感，電感電流不能
躍變，不能立刻從額定電流減小至空載電流，二極
管D和電阻R將作為續(xù)流通道完成直流偏磁電流
的續(xù)流，利用附加串聯(lián)的電阻來消耗直流偏磁電流
的能量，從而減少直流偏磁電流的續(xù)流時(shí)間，使
MCR快速退出運(yùn)行。
通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出結(jié)論：續(xù)流二極管的串聯(lián)電
阻為3 Q(約為MCR直流電阻的1／3)時(shí)，MCR退
出運(yùn)行的響應(yīng)時(shí)間最短。
3 結(jié)束語
本文提出了通過軟件控制電抗器觸發(fā)角來提高
MCR響應(yīng)速度，通過控制續(xù)流二極管的關(guān)斷來使
MCR快速退出系統(tǒng)運(yùn)行的方案。以現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)
驗(yàn)證方案的可行性，得出該優(yōu)化方案具有實(shí)際應(yīng)用
價(jià)值的結(jié)論。
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張繁(1985)，男，湖北廣水人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，從事
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(編輯鐘美玲)
(上接第79頁)
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變電運(yùn)行工作。

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