风电场用快速反应型磁控电抗器的研究

刘益初，　朴在林

(沈阳农业大学 信息与电气工程学院　辽宁 沈阳 110866)



风电场用快速反应型磁控电抗器的研究

刘益初，朴在林

(沈阳农业大学 信息与电气工程学院辽宁 沈阳 110866)

摘要：针对目前风电场使用的磁控电抗器的反应速度较慢，不能满足风电场快速无功补偿要求的现状，提出了一种快速反应型高压磁控电抗器的技术方案.给出了该磁控电抗器的铁芯与绕组结构以及快速跟踪原理，并对电抗器的稳态工作过程及其稳态运行参数进行了分析，提出了其快速跟踪时间的表达式.仿真结果表明，该快速反应型磁控电抗器具有很快的电流跟踪速度，可以满足风电场快速无功动态补偿装置的跟踪时间要求.

关键词：磁控电抗器； 快速反应； 风电场

0引言

风电场使用大量的异步电动机，这些异步电动机会为系统输入大量无功功率，造成系统的功率损耗增加，因此风电场必须装设无功补偿装置.同时为了能够适应风电场的风力及风向随时变化的补偿需求，风电场通常装设的都是动态无功补偿装置.

当前能够应用在风电场的动态无功补偿装置有TCR型、MCR型、SVG型.TCR型动态无功补偿装置采用晶闸管投切空心电抗器，这种无功补偿装置虽然反应速度很快(20 ms)，但占地面积大，设备会产生大量的谐波，需要配备多组单调谐滤波器来滤除设备产生的谐波，有逐渐被淘汰的趋势；MCR型动态无功补偿装置[1—5]产生的谐波含量很小，通常为3%左右，设备占地面积小，制造成本低，抗冲击电压能力强，但设备的跟踪速度较慢，根据设备的容量大小，其跟踪速度通常为200～500 ms；SVG型动态无功补偿装置采用链式单相逆变桥模块级联而成，设备反应速度快，产生的谐波含量小，占地面积小，正在逐渐地被风电场大量采用，但该设备的安全性较差，制造成本高.其中，低成本、高安全性的MCR型动态无功补偿装置由于其跟踪速度的限制，无法满足风电场快速动态无功补偿的要求，需要对其反应速度进行提升改进，该改进应该集中在高压磁控电抗器跟踪速度的提升改造上[6]，但目前该方面的研究文献极少.

为解决高压磁控电抗器的跟踪速度问题，本文提出了一种快速反应型高压磁控电抗器的技术方案,给出了磁控电抗器的铁芯与绕组结构，对该磁控电抗器的快速跟踪原理进行了理论分析，同时也分析了该磁控电抗器的稳态工作过程，讨论了其暂态、稳态参数的计算方法.对该快速反应型高压磁控电抗器进行了仿真分析，仿真结果表明，该磁控电抗器的电流跟踪速度很快，可以满足风电场快速无功动态补偿装置的跟踪时间要求.

1快速反应型高压磁控电抗器的结构

快速反应型磁控电抗器的单相铁芯结构与绕组结构如图1所示.

图1　快速反应型磁控电抗器的铁芯结构和绕组结构Fig.1　Structure of iron core and winding of quick response magnetically controlled reactor

快速反应型磁控电抗器的单相铁芯结构与常见的磁控电抗器的单相铁芯结构相同，其在绕有线圈的两个铁芯柱上都有面积较小的一段，即所谓的“磁阀”，该磁阀结构可以保证磁控电抗器铁芯在工作时只有磁阀部分饱和，其他部分不饱和，这样可以减少磁控电抗器的铁芯损耗，同时减少电抗器的谐波电流的含量.快速反应型磁控电抗器的单相绕组结构是对当前磁控电抗器的绕组结构进行了改进，即在原单相磁控电抗器绕组的回流二极管D的两端并联了一个可关断晶闸管K3(GTO)，控制电容C的支路，该支路会在其相连接的两个并联绕组的两端点电位不相等时控制该晶闸管K3导通，使电容C充电，电容充电完成时自动关闭，在磁控电抗器需要快速跟踪电流时再触发晶闸管K3导通，使得暂态过程中在磁控电抗器的电感支路中串入一个带有一定初始电压的充电电容，利用该充电电容可以加速该暂态过程的快速实现，迅速地建立起控制电流.

2快速跟踪原理

快速反应型磁控电抗器在暂态过程中的快速跟踪原理,是基于将事先充有一定初始电压的电容器对可控电抗器的控制回路进行放电，使其在电抗器控制回路与放电电容器之间构成L、C串联振荡电路，利用电容来消减磁控绕组的电感作用，从而迅速地建立起控制电流，提高其跟随响应速度.其暂态过程的简化分析电路可以参考电路中的RLC暂态分析方法进行分析.

设L代表磁控电抗器的暂态电感，R代表磁控电抗器线圈电阻，K代表晶闸管(图1(b)中的晶闸管K3)，C代表经晶闸管接通的预充电电容(图1(b)中的电容C).假定L为线性电感，开关K闭合(晶闸管K3导通)后的电路方程为

(1)

(2)

从磁控电抗器电流的表达式可以看出，磁控电抗器的电流为按指数规律衰减的振荡波形，在振荡过程中磁控电抗器的电流可以很快地达到所需的值，通过改变电容器的电容值及电容器上的电压可以调整达到峰值所需的时间.

在实际应用中的暂态过程控制电路原理图如图2所示.在暂态过程中将初始时充有电压的电容器投入，即将G3导通，G1暂时处于关断状态，此时电容C向电抗器控制回路进行迅速放电，放电过程中的振荡频率取决于电容C与磁控电抗器控制回路的电感与电阻值，该放电过程可以使控制电流迅速增加，对应的电抗器的电流也迅速增加，当达到所需的值后，关断G3,隔离开电容支路，同时触发G1以开通稳态控制的可控直流控制电源Ek(该电压大小取决于触发角)，使得电容放电过程中所建立的控制电流得以延续，并维持磁控电抗器的稳定工作状态.在稳态需要给电容C充电时只需触发G3使其导通即可.

3稳态工作过程

快速反应型高压磁控电抗器在稳定工作状态下可关断晶闸管K3不导通，与二极管并联的可控放电电容支路处于断开状态.如图3所示，此时其稳态工作过程与普通的单相磁控电抗器的原理相同.每柱上、下两绕组的中间抽头通过G1、G2两只晶闸管相连，而且连接方向相反，二极管D跨接在交叉端点，作用是提供续流通道，有利于G1、G2关断和提高整流效率.

图2　暂态过程控制电路原理图Fig.2　Schematic diagram of control circuit for transient process

图3　单相磁控电抗器稳态工作过程Fig.3　Steady-state process of single phase magnetically controlled reactor

工作原理分析如下：若G1、G2不导通，磁控电抗器处于空载状态，由绕组结构的对称性知磁控电抗器与空载变压器无异.当外加电压e(t)为正极性时，4个中间抽头的电压降Δe(t)也是正极性，晶闸管G1承受正向电压，G2承受反向电压.此时，如果G1被触发导通，上、下绕组内将分别产生直流电流，在它们的作用下使右铁芯柱去磁而左铁芯柱增磁，从而使左铁芯柱饱和，降低了总的电感量，增加了电抗器容量，如图4(a)所示.当外加电压e(t)为负极性时，4个中间抽头的电压降Δe(t)也是负极性，晶闸管G1承受反向电压，G2承受正向电压.此时，如果G2被触发导通，上、下绕组内将分别产生直流电流，在它们的作用下使右铁芯柱增磁而左铁芯柱去磁，从而使右铁芯柱饱和，降低了总的电感量，增加了电抗器容量，得到与正极性工作状态相同的结果,如图4(b)所示.

图4　磁控电抗器在不同极性电压下的工作情况Fig.4　Working condition of magnetically controlled reactor in different polarity voltage

在交流电压的作用下，使G1、G2轮流导通，形成了一个全波整流电路.此时，改变G1、G2导通角的大小，便调整了励磁电流的大小，进一步改变了电抗器铁芯的饱和程度，从而达到平滑调节电抗器容量的目的.

4主要参数分析

磁控电抗器工作特性的分析需要借助于其铁芯的磁化曲线以及磁路的安培环路定理来进行.铁芯的磁化曲线可以利用小斜率理想磁化曲线模型，即

(3)

定义铁芯的磁饱和度(即半铁芯在一个工频周期内铁芯的饱和时间)为β，当触发角α=0°时，β=2π，电抗器容量最大.β与铁芯的饱和磁密Bs及直流磁密Bd之间的关系为

(4)

考虑到磁化曲线正负半周的对称性，省略推导过程，可以得到磁控电抗器稳态时工作电流的表达式为

式中：其各次谐波分量幅值可以表示为

磁控电抗器基波电流的标幺值可以表示为

(5)

磁控电抗器的偶数次谐波电流可以忽略，其奇数次谐波电流的标幺值可以表示为

磁控电抗器晶闸管的触发角α和铁芯的磁饱和度β的关系表达式为

(6)

磁控电抗器的控制电流与触发角的关系表达式为

快速反应型磁控电抗器的暂态特性主要用其电流跟踪上升时间来表示，该电流跟踪上升时间可以由二阶系统的欠阻尼单位阶跃响应的上升时间推出，其表达式为

(7)

5仿真分析

快速反应型磁控电抗器的仿真电路可按图2所示的暂态过程控制电路原理图进行分析.仿真过程中，为了方便对比，取t=0.02 s作为放电电容C投入以及晶闸管G1触发的时刻，设触发前磁控电抗器处于空载状态(即初始电流为0)，触发导通后使其追踪额定工作电流.

在t=0.02 s由空载投入充电电容，使其追踪额定工作电流，在达到额定电流后关断G3，同时导通G1维持稳定电流，在G3导通前后得到的快速反应磁控电抗器的工作电流变化情况(跟踪状态1)如图5(a)所示；而在t=0.02 s由空载直接触发晶闸管G1使其导通，追踪额定工作电流，在G1导通前后得到的快速反应磁控电抗器的工作电流变化情况(跟踪状态2)如图5(b)所示.从图5中所得到的磁控电抗器的工作电流跟踪波形可以看出，通过投入预充电电容参与暂态过程,可以大大提高磁控电抗器的电流跟踪速度，将原来需要接近0.2 s才能完成的电流跟踪过程提升到20 ms左右即可完成.

图5　快速反应型磁控电抗器的工作电流追踪变化情况Fig.5　The working current tracking waveform of quick response magnetically controlled reactor

对应于图5的两种跟踪状态下的直流控制电流变化情况如图6所示.比较这两种状态下的直流控制电流追踪变化波形，可以看出,通过投入预充电电容参与暂态过程，可以大大提升磁控电抗器的直流控制电流跟踪速度，将原来需要接近0.2 s才能实现的直流电流跟踪过程提升到20 ms左右实现.

图6　快速反应型磁控电抗器的直流控制电流追踪变化情况Fig.6　The DC control current tracking waveform of quick response magnetically controlled reactor

图7　稳态工作电流标幺值与其触发角的关系Fig.7　The relationship between steady state operating current with trigger angle

快速反应型磁控电抗器的稳态工作电流标幺值与其触发角之间的关系如图7所示.可以看出，快速反应型磁控电抗器的工作电流标幺值与其触发角之间的关系仍然是余弦关系，快速反应型磁控电抗器并没有改变磁控电抗器的稳态电流特性.

6结论

提出了一种适用于风电场的快速反应型高压磁控电抗器，介绍了该磁控电抗器的铁芯与绕组结构，分析了该快速反应型磁控电抗器的快速跟踪原理，对该电抗器稳态时的工作原理及稳态运行参数进行了分析计算，同时提出了该磁控电抗器的跟踪时间表达式.对该快速反应型高压磁控电抗器的暂态、稳态特性进行了仿真分析，分析结果表明，该磁控电抗器具有很快的电流跟踪速度，可以满足风电场快速无功动态补偿装置的跟踪时间要求.

参考文献：

[1]王庆杰.500 kV磁饱和式可控电抗器电气特性及其保护研究[D].北京：华北电力大学,2008.

[2]孙彬,余长厅,宋萌,等.超导可控电抗器暂态特性研究[J].武汉大学学报(工学版)，2015，48(4):489—494.

[3]田铭兴,原东昇,安潇,等.变压器式可控电抗器绕组电流分析[J].高电压技术,2014，40(1):269—274.

[4]赵国生,孙可钦,程子霞,等.新型三相磁控电抗器的研究[J].郑州大学学报(理学版),2013,45(1)：95—99.

[5]宋江保.三相磁阀式可控电抗器的研究与设计[D].郑州：郑州大学,2009.

[6]邢海瀛,陈柏超,张亚迪,等.快速响应磁控电抗器抑制特高压操作过电压研究[J].电力自动化设备，2009,29(1):15—18.

(责任编辑：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

基金项目:国家科技支撑计划项目(2012BAJ26B01).

作者简介:刘益初(1989—)，女，河南周口人，硕士研究生，主要从事风电场动态无功补偿技术研究，E-mail: 20990259@qq.com；朴在林(1955—)，男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师，主要从事电力系统及自动化的理论和技术研究，E-mail: piaozl@china.com.

中图分类号：TM47

文献标志码：A

文章编号：1671-6841(2016)01-0096-06

DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.201509036

引用本文：刘益初，朴在林. 风电场用快速反应型磁控电抗器的研究[J]. 郑州大学学报(理学版)，2016，48(1)：96—101.