磁控电抗器响应速度的提高方案

许晖+尹忠东

摘 要：磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其灵活的控制性、安全的可靠性和高压适用性受到越来越多的关注。但是其响应速度慢的缺点限制了其应用范围。为了应对这一问题，文章提出了一种利用斩波电路配合电容来实现MCR的快速励磁与去磁的新型方案。经试验验证了理论分析的结论，证明了新的方案能够显著提高MCR的响应速度。

关键词：磁控电抗器；快速励磁；响应速度；工作绕组

1 引言

超/特高压交流输电线路的发展和建设，使得电网中出现了巨大的充电功率，这给系统的无功调节和过高压抑制提出了更高的要求。磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其灵活的控制性、低廉的成本，在电力系统的无功补偿方面有着广泛的应用前景[1]。响应速度慢则成为了限制其应用的主要原因。在无功调节时，响应速度慢会导致系统稳定性下降，增大系统震荡的风险[2-3]。

针对这一问题，文献4、5提出了通过电容的谐振放电来提高MCR响应速度的方法。但此方法在不同的场合和工况下，需要不同的电容电压和电容值，对其参数有精确的要求，实现起来并不方便。

通过数学分析，本文得到导致MCR响应速度慢的根本原因在于直流偏置电流回路。在MCR本体改造方面，提出了一种合理配置工作绕组与控制绕组的方法，这种方法去除了在快速励磁时工作绕组中的直流偏置电流的流通回路。很大程度提高了MCR的响应速度。在控制算法优化方面，本文在控制绕组中加入了快速励磁控制策略。进一步把响应速度提高到了半个工频周期以内。

2 传统的MCR响应速度提高方法

传统的MCR响应速度提高方法有如下几类：

2.1 增加直流控制电压

MCR容量与铁芯磁感应强度的直流分量成正比。而铁芯磁感强度直流分量的变化速度与控制电压大小成正比。在较高控制电压下，磁感应强度直流分量上升到一定值的时间较短。这种办法通过加大直流控制电压能够将MCR的响应速度提高到20ms之内。但是提高控制电压需要大容量直流控制电源，这在工程应用中是不可能任意满足的，因此只适合在小容量的场合应用。

2.2 加入励磁电容

MCR的稳态激磁由晶闸管控制。改变晶闸管的触发角可以调节电容的储能，在MCR运行方式转换的瞬间控制IGBT导通，使充电电容对控制绕组放电，实现快速励磁的目的。实验证明，当没有加快速励磁支路时，改变直流励磁工作电流需要经过7个周期才能达到稳态，而当采取了快速励磁的时，经过2个周期就可以达到稳态。但是此方法在电抗器容量变化时，需要重新校验励磁电容和电压初始值，不能满足工程实际需求。

2.3 直流预偏磁

在对MCR加入工作电压之前，预先加入直流偏磁，之后再加入工作电压，MCR的响应速度可以大大提高。这种快速响应的功率称为瞬时暂态功率。这种响应速度提高的方法主要应用在动态消弧线圈，因为只有接在中性点的消弧线圈可以在工作时突然施加工作电压。但是这种响应速度优化方法对突然加入工作电压这一点要求比较苛刻。对于MCR来说，这一工作条件显然不具备。并且这种方法仅仅对于容量单向（增大）调节速度有提高作用。

2.4 增大控制绕组

由控制直流偏置电流公式：

3 集快速去磁与励磁一体的新型方案

本文提出了一种MCR快速去磁等效电路，如图1所示：

此电路根据MCR具体的应用电压等级场合，来确定升压斩波电路中的电压源值，并调节其内部IGBT的导通占空比，使电容C满足在控制电源电压值最大时，它的放电时间不少于20ms。

电路工作过程如下：（1）电力系统稳定并且无需无功功率补偿时，IGBT1、IGBT2和IGBT4处于断开状态，IGBT3闭合，此时斩波电路给电容充电，电容电压锁定在设定好的电压值；（2）电力系统有波动需要无功补偿时候，IGBT2和IGBT3导通，IGBT1和IGBT4关断，此时给励磁电路充磁，加快响应速度。稳定后，IGBT2、IGBT4关断，IGBT1和IGBT3导通，此时给系统提供稳定无功；（3）MCR退出系统，使IGBT4导通，投入快速去磁回路，延时5ms后切断IGBT3，防止IGBT3先断开时对电路造成大的冲击。根据仿真结果可以看到励磁速度很快，并且退出系统的时间也很短，在20ms以内便可以实现。

控制方面，在工作绕组正向串联与控制绕组反向串联的基础上，控制回路中加入适当的快速励磁控制则可以进一步加快响应速度。在容量发生正向突变时令直流控制电压持续一定时间的峰值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压运行；在容量发生负方向突变时令直流控制电压持续一定时间为极低值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压。

容量增减的快速励磁关键参数主要有快速励磁持续时间tf与快速励磁电压Vf。为了把响应速度控制在半个工频周期以内，必须保证tf小于等于10ms，考虑到控制电源采用晶闸管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在选取快速励磁参数时可以把tf取为10ms，通过控制Vf的大小来实现不同容量调节的快速励磁。Vf过大则导致过励磁，工作电流会出现尖峰波动，Vf过小则导致欠励磁，工作电流上升速度偏慢。

经过试验验证，发现采用优化绕组配置并加入快速励磁后，容量双向变化的响应速度明显提升，可以缩短到半个工频周期以内。这从事实上证明了本文提出的工作绕组结构设计方案与快速励磁控制方法的正确性。

3 结束语

经过理论分析，并进行了仿真与实验结果的验证，表明MCR的响应速度（双向调节）可达到半个周期以内（10ms）。本文提出的MCR响应速度优化方案可显著提高MCR响应速度，具有广阔应用前景。

参考文献

[1]余梦泽，陈柏超，曹志煌，等.110kV并联可控电抗器及其应用[J].电力系统自动化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠华，陈柏超.磁控电抗器在750kV系统中的应用[J].电工技术学报，2005，20（1）：31-37.

[3]周丽霞.大容量输电长线可控并联补偿与潜供电弧抑制的研究[D].华北电力大学，2009.

[4]孔宁.基于MCR的特高压交流输电系统的无功电压控制[D].华北电力大学，2011.

[5]田铭兴，励庆孚.磁饱和式可控电抗器的等效电路及仿真分析[J].电工技术学报，2003，18（6）：64-67.endprint

摘 要：磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其灵活的控制性、安全的可靠性和高压适用性受到越来越多的关注。但是其响应速度慢的缺点限制了其应用范围。为了应对这一问题，文章提出了一种利用斩波电路配合电容来实现MCR的快速励磁与去磁的新型方案。经试验验证了理论分析的结论，证明了新的方案能够显著提高MCR的响应速度。

关键词：磁控电抗器；快速励磁；响应速度；工作绕组

1 引言

超/特高压交流输电线路的发展和建设，使得电网中出现了巨大的充电功率，这给系统的无功调节和过高压抑制提出了更高的要求。磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其灵活的控制性、低廉的成本，在电力系统的无功补偿方面有着广泛的应用前景[1]。响应速度慢则成为了限制其应用的主要原因。在无功调节时，响应速度慢会导致系统稳定性下降，增大系统震荡的风险[2-3]。

针对这一问题，文献4、5提出了通过电容的谐振放电来提高MCR响应速度的方法。但此方法在不同的场合和工况下，需要不同的电容电压和电容值，对其参数有精确的要求，实现起来并不方便。

通过数学分析，本文得到导致MCR响应速度慢的根本原因在于直流偏置电流回路。在MCR本体改造方面，提出了一种合理配置工作绕组与控制绕组的方法，这种方法去除了在快速励磁时工作绕组中的直流偏置电流的流通回路。很大程度提高了MCR的响应速度。在控制算法优化方面，本文在控制绕组中加入了快速励磁控制策略。进一步把响应速度提高到了半个工频周期以内。

2 传统的MCR响应速度提高方法

传统的MCR响应速度提高方法有如下几类：

2.1 增加直流控制电压

MCR容量与铁芯磁感应强度的直流分量成正比。而铁芯磁感强度直流分量的变化速度与控制电压大小成正比。在较高控制电压下，磁感应强度直流分量上升到一定值的时间较短。这种办法通过加大直流控制电压能够将MCR的响应速度提高到20ms之内。但是提高控制电压需要大容量直流控制电源，这在工程应用中是不可能任意满足的，因此只适合在小容量的场合应用。

2.2 加入励磁电容

MCR的稳态激磁由晶闸管控制。改变晶闸管的触发角可以调节电容的储能，在MCR运行方式转换的瞬间控制IGBT导通，使充电电容对控制绕组放电，实现快速励磁的目的。实验证明，当没有加快速励磁支路时，改变直流励磁工作电流需要经过7个周期才能达到稳态，而当采取了快速励磁的时，经过2个周期就可以达到稳态。但是此方法在电抗器容量变化时，需要重新校验励磁电容和电压初始值，不能满足工程实际需求。

2.3 直流预偏磁

在对MCR加入工作电压之前，预先加入直流偏磁，之后再加入工作电压，MCR的响应速度可以大大提高。这种快速响应的功率称为瞬时暂态功率。这种响应速度提高的方法主要应用在动态消弧线圈，因为只有接在中性点的消弧线圈可以在工作时突然施加工作电压。但是这种响应速度优化方法对突然加入工作电压这一点要求比较苛刻。对于MCR来说，这一工作条件显然不具备。并且这种方法仅仅对于容量单向（增大）调节速度有提高作用。

2.4 增大控制绕组

由控制直流偏置电流公式：

3 集快速去磁与励磁一体的新型方案

本文提出了一种MCR快速去磁等效电路，如图1所示：

此电路根据MCR具体的应用电压等级场合，来确定升压斩波电路中的电压源值，并调节其内部IGBT的导通占空比，使电容C满足在控制电源电压值最大时，它的放电时间不少于20ms。

电路工作过程如下：（1）电力系统稳定并且无需无功功率补偿时，IGBT1、IGBT2和IGBT4处于断开状态，IGBT3闭合，此时斩波电路给电容充电，电容电压锁定在设定好的电压值；（2）电力系统有波动需要无功补偿时候，IGBT2和IGBT3导通，IGBT1和IGBT4关断，此时给励磁电路充磁，加快响应速度。稳定后，IGBT2、IGBT4关断，IGBT1和IGBT3导通，此时给系统提供稳定无功；（3）MCR退出系统，使IGBT4导通，投入快速去磁回路，延时5ms后切断IGBT3，防止IGBT3先断开时对电路造成大的冲击。根据仿真结果可以看到励磁速度很快，并且退出系统的时间也很短，在20ms以内便可以实现。

控制方面，在工作绕组正向串联与控制绕组反向串联的基础上，控制回路中加入适当的快速励磁控制则可以进一步加快响应速度。在容量发生正向突变时令直流控制电压持续一定时间的峰值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压运行；在容量发生负方向突变时令直流控制电压持续一定时间为极低值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压。

容量增减的快速励磁关键参数主要有快速励磁持续时间tf与快速励磁电压Vf。为了把响应速度控制在半个工频周期以内，必须保证tf小于等于10ms，考虑到控制电源采用晶闸管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在选取快速励磁参数时可以把tf取为10ms，通过控制Vf的大小来实现不同容量调节的快速励磁。Vf过大则导致过励磁，工作电流会出现尖峰波动，Vf过小则导致欠励磁，工作电流上升速度偏慢。

经过试验验证，发现采用优化绕组配置并加入快速励磁后，容量双向变化的响应速度明显提升，可以缩短到半个工频周期以内。这从事实上证明了本文提出的工作绕组结构设计方案与快速励磁控制方法的正确性。

3 结束语

经过理论分析，并进行了仿真与实验结果的验证，表明MCR的响应速度（双向调节）可达到半个周期以内（10ms）。本文提出的MCR响应速度优化方案可显著提高MCR响应速度，具有广阔应用前景。

参考文献

[1]余梦泽，陈柏超，曹志煌，等.110kV并联可控电抗器及其应用[J].电力系统自动化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠华，陈柏超.磁控电抗器在750kV系统中的应用[J].电工技术学报，2005，20（1）：31-37.

[3]周丽霞.大容量输电长线可控并联补偿与潜供电弧抑制的研究[D].华北电力大学，2009.

[4]孔宁.基于MCR的特高压交流输电系统的无功电压控制[D].华北电力大学，2011.

[5]田铭兴，励庆孚.磁饱和式可控电抗器的等效电路及仿真分析[J].电工技术学报，2003，18（6）：64-67.endprint

摘 要：磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）以其灵活的控制性、安全的可靠性和高压适用性受到越来越多的关注。但是其响应速度慢的缺点限制了其应用范围。为了应对这一问题，文章提出了一种利用斩波电路配合电容来实现MCR的快速励磁与去磁的新型方案。经试验验证了理论分析的结论，证明了新的方案能够显著提高MCR的响应速度。

关键词：磁控电抗器；快速励磁；响应速度；工作绕组

1 引言

超/特高压交流输电线路的发展和建设，使得电网中出现了巨大的充电功率，这给系统的无功调节和过高压抑制提出了更高的要求。磁控电抗器（magnetically controlled reactor，MCR）因其灵活的控制性、低廉的成本，在电力系统的无功补偿方面有着广泛的应用前景[1]。响应速度慢则成为了限制其应用的主要原因。在无功调节时，响应速度慢会导致系统稳定性下降，增大系统震荡的风险[2-3]。

针对这一问题，文献4、5提出了通过电容的谐振放电来提高MCR响应速度的方法。但此方法在不同的场合和工况下，需要不同的电容电压和电容值，对其参数有精确的要求，实现起来并不方便。

通过数学分析，本文得到导致MCR响应速度慢的根本原因在于直流偏置电流回路。在MCR本体改造方面，提出了一种合理配置工作绕组与控制绕组的方法，这种方法去除了在快速励磁时工作绕组中的直流偏置电流的流通回路。很大程度提高了MCR的响应速度。在控制算法优化方面，本文在控制绕组中加入了快速励磁控制策略。进一步把响应速度提高到了半个工频周期以内。

2 传统的MCR响应速度提高方法

传统的MCR响应速度提高方法有如下几类：

2.1 增加直流控制电压

MCR容量与铁芯磁感应强度的直流分量成正比。而铁芯磁感强度直流分量的变化速度与控制电压大小成正比。在较高控制电压下，磁感应强度直流分量上升到一定值的时间较短。这种办法通过加大直流控制电压能够将MCR的响应速度提高到20ms之内。但是提高控制电压需要大容量直流控制电源，这在工程应用中是不可能任意满足的，因此只适合在小容量的场合应用。

2.2 加入励磁电容

MCR的稳态激磁由晶闸管控制。改变晶闸管的触发角可以调节电容的储能，在MCR运行方式转换的瞬间控制IGBT导通，使充电电容对控制绕组放电，实现快速励磁的目的。实验证明，当没有加快速励磁支路时，改变直流励磁工作电流需要经过7个周期才能达到稳态，而当采取了快速励磁的时，经过2个周期就可以达到稳态。但是此方法在电抗器容量变化时，需要重新校验励磁电容和电压初始值，不能满足工程实际需求。

2.3 直流预偏磁

在对MCR加入工作电压之前，预先加入直流偏磁，之后再加入工作电压，MCR的响应速度可以大大提高。这种快速响应的功率称为瞬时暂态功率。这种响应速度提高的方法主要应用在动态消弧线圈，因为只有接在中性点的消弧线圈可以在工作时突然施加工作电压。但是这种响应速度优化方法对突然加入工作电压这一点要求比较苛刻。对于MCR来说，这一工作条件显然不具备。并且这种方法仅仅对于容量单向（增大）调节速度有提高作用。

2.4 增大控制绕组

由控制直流偏置电流公式：

3 集快速去磁与励磁一体的新型方案

本文提出了一种MCR快速去磁等效电路，如图1所示：

此电路根据MCR具体的应用电压等级场合，来确定升压斩波电路中的电压源值，并调节其内部IGBT的导通占空比，使电容C满足在控制电源电压值最大时，它的放电时间不少于20ms。

电路工作过程如下：（1）电力系统稳定并且无需无功功率补偿时，IGBT1、IGBT2和IGBT4处于断开状态，IGBT3闭合，此时斩波电路给电容充电，电容电压锁定在设定好的电压值；（2）电力系统有波动需要无功补偿时候，IGBT2和IGBT3导通，IGBT1和IGBT4关断，此时给励磁电路充磁，加快响应速度。稳定后，IGBT2、IGBT4关断，IGBT1和IGBT3导通，此时给系统提供稳定无功；（3）MCR退出系统，使IGBT4导通，投入快速去磁回路，延时5ms后切断IGBT3，防止IGBT3先断开时对电路造成大的冲击。根据仿真结果可以看到励磁速度很快，并且退出系统的时间也很短，在20ms以内便可以实现。

控制方面，在工作绕组正向串联与控制绕组反向串联的基础上，控制回路中加入适当的快速励磁控制则可以进一步加快响应速度。在容量发生正向突变时令直流控制电压持续一定时间的峰值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压运行；在容量发生负方向突变时令直流控制电压持续一定时间为极低值，达到目标容量后再恢复到目标容量对应的控制电压。

容量增减的快速励磁关键参数主要有快速励磁持续时间tf与快速励磁电压Vf。为了把响应速度控制在半个工频周期以内，必须保证tf小于等于10ms，考虑到控制电源采用晶闸管全控整流，其控制速度也在4ms以上，所以在选取快速励磁参数时可以把tf取为10ms，通过控制Vf的大小来实现不同容量调节的快速励磁。Vf过大则导致过励磁，工作电流会出现尖峰波动，Vf过小则导致欠励磁，工作电流上升速度偏慢。

经过试验验证，发现采用优化绕组配置并加入快速励磁后，容量双向变化的响应速度明显提升，可以缩短到半个工频周期以内。这从事实上证明了本文提出的工作绕组结构设计方案与快速励磁控制方法的正确性。

3 结束语

经过理论分析，并进行了仿真与实验结果的验证，表明MCR的响应速度（双向调节）可达到半个周期以内（10ms）。本文提出的MCR响应速度优化方案可显著提高MCR响应速度，具有广阔应用前景。

参考文献

[1]余梦泽，陈柏超，曹志煌，等.110kV并联可控电抗器及其应用[J].电力系统自动化，2008，32（3）：87-91.

[2]田翠华，陈柏超.磁控电抗器在750kV系统中的应用[J].电工技术学报，2005，20（1）：31-37.

[3]周丽霞.大容量输电长线可控并联补偿与潜供电弧抑制的研究[D].华北电力大学，2009.

[4]孔宁.基于MCR的特高压交流输电系统的无功电压控制[D].华北电力大学，2011.

[5]田铭兴，励庆孚.磁饱和式可控电抗器的等效电路及仿真分析[J].电工技术学报，2003，18（6）：64-67.endprint