新型磁控电抗器的分析与比较

李晓明

（山东大学电气工程学院，济南　250061）



新型磁控电抗器的分析与比较

李晓明

（山东大学电气工程学院，济南250061）

论文提出一种新型磁控电抗器。用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱构建磁控电抗器仿真模型，对新型磁控电抗器进行仿真分析。分析表明：新型磁控电抗器结构简单、可用于超高压电力系统的优点明显。缺点是，暂态响应时间比现有磁控电抗器的长。

磁控电抗器；仿真分析；性能比较；暂态时间

电抗器在电力系统中有广泛的应用。在一部分应用领域，电抗器的电抗值固定不变；在许多应用领域，需要电抗值能随着电力系统运行方式的变化而改变。磁控电抗器（Magnetically Controllable Reactor，MCR）是一种电抗值可以连续调节的电抗器［1］。磁控电抗器通过连续调节闭环铁心上直流线圈中直流电流的大小，连续调节闭环铁心的饱和程度，实现连续调节闭环铁心上交流线圈（电抗线圈）电抗值的大小。前苏联科学家A. M. Bryantsev 1986年提出的磁控电抗器方案［2］，有里程碑的意义。我国的科研人员投入很大热情对磁控电抗器进行研究［3-6］。磁控电抗器的研究结果已经有许多发表［7-8］。但是，现有实际应用的磁控电抗器，与1986年提出的磁控电抗器没有太大的差别。共同的特征是，自励式磁控电抗器的两个晶闸管都处在线圈的中间位置，自励式磁控电抗器线圈不论是三角形连接，还是星形连接，两个晶闸管对地电压都很高。对地电压等于额定电压的一半以上。目前现有的各种自励式磁控电抗器都不适合应用于超高压电力系统。当前，用于超高压、特高压的磁控电抗器都是他励式磁控电抗器。他励式磁控电抗器的运行管理不方便。

本文提出一种新型的、可应用于超高压、特高压电力系统的自励式磁控电抗器，并对这种新型的磁控电抗器进行仿真分析与性能比较。

1　新型磁控电抗器结构与工作原理

新型磁控电抗器结构如图1（a）、（b）所示。先描述图1（a）所示新型磁控电抗器。图1（a）中的1、2是磁控电抗器的两端子。3是闭环铁心，闭环铁心有 4根铁心柱，4根铁心柱两端有磁轭，铁心柱与磁轭构成磁通闭环。D1、D2是晶闸管。晶闸管由控制电路4控制。L1、L2是两只匝数相等的线圈，线圈匝数等于同等电压等级变压器的线圈的匝数。R1、R2是两只电阻值相等的电阻。

如果磁控电抗器的两端子加额定交流电压，且晶闸管 D1、D2截止。线圈 L1、L2分别有励磁电流流过。励磁电流分别流过电阻R1、R2。可整定电阻R1、R2的电阻值，使电阻R1、R2流过励磁电流时，电阻 R1、R2两端有1%额定电压的交流电压。电阻R1、R2分别与晶闸管 D1、D2并联，这样，晶闸管D1、D2截止时，两端也有1%额定电压的交流电压。线圈L1、L2有励磁电流流过时，两只线圈所在铁心柱的交流磁通都向上，分别经最外的两个边柱形成交流磁通闭环。磁控电抗器呈现最大电抗Zmax。

图1　新型磁控电抗器结构图

如果晶闸管D1、D2全导通。晶闸管D1、D2构成半波整流电路。线圈 L1的直流电流与线圈 L2的直流电流量值相等，方向相反。由于，线圈L1的直流电流与线圈L2的直流电流量值相等，方向相反；直流电流在铁心中产生的磁通在线圈 L1、线圈 L2所在的两铁心柱之间形成闭环。线圈 L1、线圈 L2所在的两铁心柱有直流磁通，铁心出现饱和，线圈L1、线圈L2产生较大的过励磁电流。磁控电抗器呈现最小电抗Zmin。

调节晶闸管 D1、D2导通量的大小，调节线圈L1、线圈L2中直流电流的大小，调节线圈L1、线圈L2所在铁心柱的饱和程度，磁控电抗器电抗值即可在Zmin～Zmax之间调节、变化。实现磁控电抗器电抗值的连续调节变化。

图1（a）所示新型磁控电抗器的特点是：交流磁通与直流磁通在中间两铁心柱有重合，直流磁通产生的饱和只在中间两铁心柱对交流磁通产生影响。在两边柱，直流磁通产生的饱和不会对交流磁通产生影响。

下面分析图1（b）所示新型磁控电抗器。把图1（a）所示四柱式磁控电抗器铁心分解为两个两柱式变压器铁心，其余结构、连接方式、参数不变，即构成图1（b）所示新型磁控电抗器。图1（b）所示新型磁控电抗器的工作原理与分析方法与图1（a）相同。

图1（b）所示新型磁控电抗器的特点是：线圈L1产生的直流磁通路径长度与交流磁通路径长度相等，线圈L2产生的直流磁通路径长度与交流磁通路径长度相等。图1（b）所示新型磁控电抗器的直流磁通路径长度大于图1（a）所示新型磁控电抗器的直流磁通路径长度。线圈L1、L2同等直流电流条件下，图1（b）所示新型磁控电抗器的直流磁通小于图1（a）所示新型磁控电抗器的直流磁通路。

由于图1（b）所示新型磁控电抗器的直流磁通路径与交流磁通路径完全重迭，由于图1（a）所示新型磁控电抗器的直流磁通路径与交流磁通路径只在部分路径重迭；所以，图1（b）所示新型磁控电抗器直流磁通对交流磁通的影响大于图1（a）所示新型磁控电抗器直流磁通对交流磁通的影响。

综合效果是，线圈L1、L2同等直流电流条件下，图1（b）所示新型磁控电抗器的直流磁通对交流磁通的影响与图1（a）所示新型磁控电抗器直流磁通对交流磁通的影响，不差上下，没有太大差别。为此，选择图1（b）所示结构的磁控电抗器进行仿真分析。

2　磁控电抗器的仿真分析

2.1暂态响应时间仿真

新型磁控电抗器首先需要在 10kV电力系统获得使用，积累经验后再提高电压等级，所以，对10kV新型磁控电抗器进行研究、对比。

用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱，构建图1（b）所示磁控电抗器仿真模型和工作平台如图2所示。具体参数如下：AC Voltage Source=10000V；T1变压器容量=577kV·A。T2变压器参数与T1变压器相同。

选择电阻 R1=R2=88Ω，以保证晶闸管 D1、D2截止条件下，晶闸管D1、D2两端交流电压等于1%额定电压，即晶闸管D1、D2两端交流电压等于100V。

为了研究方便，也为了突出主要问题，本文研究晶闸管D1、D2全导通条件下，磁控电抗器的特性。这样，图2所示磁控电抗器中的晶闸管D1、D2用二极管D1、D2代替。

对图2新型磁控电抗器Simulink仿真模型进行仿真实验，Measurement1电流测量仪表显示的电流波形如图3所示。从图3可以观察到，新型磁控电抗器的暂态响应时间3.5s。

图2　新型磁控电抗器Simulink仿真模型

图3　新型磁控电抗器仿真实验电流波形

我国现有的磁控电抗器结构如图4所示。用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱，构建图4所示磁控电抗器仿真模型如图5所示。具体参数如下：AC Voltage Source=10000V；T1变压器容量=577kV·A，线圈电压 UL1=4900V，UL2=100V，UL3=100V，UL4=4900V。T2变压器参数与T1变压器相同。

图4　现有磁控电抗器结构图

图5　现有磁控电抗器Simulink仿真模型

图4所示现有磁控电抗器晶闸管D1、D2两端交流额定电压等于100V。这样，图1所示新型磁控电抗器与图4所示现有磁控电抗器晶闸管D1、D2两端交流额定电压都是100V。这样，两者有可比性。

对图5现有磁控电抗器Simulink仿真模型进行仿真实验，Measurement1电流测量仪表显示的电流波形如图6所示。从图6可以观察到，现有磁控电抗器的暂态响应时间1.4s。

图6　现有磁控电抗器仿真试验电流波形

2.2电阻功耗分析

对图2新型磁控电抗器Simulink仿真模型进行仿真实验，Measurement2电流测量仪表显示电阻的电流波形如图7（a）所示。从图7（a）可以观察到，新型磁控电抗器流过电阻的电流最大峰值1.6A。电阻R1=R2=88Ω，电阻R1、R2的功耗Wmax等于115W。

随着无功电流的增大，流过电阻的电流峰值逐渐下降至1.42A。对流过电阻的电流波形进行放大，如图7（b）所示。可见，晶闸管 D1、D2导通条件下，流过电阻的电流不再是正弦波，而是比正弦波窄的电流，电阻R1、R2的功耗比Wmax小很多。

新型磁控电抗器在晶闸管D1、D2截止条件下，电阻R1、R2有最大功耗Wmax，新型磁控电抗器在晶闸管 D1、D2触发条件下，电阻 R1、R2的功耗小于Wmax。

2.3综合分析

1）新型磁控电抗器与现有磁控电抗器一样，都是通过低电压电力电子器件控制高压磁控电抗器。

2）新型磁控电抗器只有两个线圈，线圈没有抽头。现有磁控电抗器有四个线圈，线圈有抽头。因此，新型磁控电抗器结构比现有磁控电抗器简单，制作工艺要求低，经济。

3）新型磁控电抗器两晶闸管位置在线圈一端。如果新型磁控电抗器线圈采用星形连接，端子2接地，两晶闸管公共一端对地电压等于零，两晶闸管整体对地电压很低。降低两晶闸管对地绝缘要求，降低制作成本。由于两晶闸管公共一端对地电压等于零，新型磁控电抗器可用于超高压、特高压电力系统领域。

4）新型磁控电抗器比现有磁控电抗器增加两电阻，电阻将产生功耗。理论上，这是缺点。由于磁控电抗器铁心的功耗达数千瓦，通过散热管散热。电阻产生的功耗就不算大。该缺点不会阻碍 10kV新型磁控电抗器的应用。更高电压等级的新型磁控电抗器可研究降低电阻功耗的措施。

5）新型磁控电抗器的暂态响应时间大于现有磁控电抗器。这是新型磁控电抗器的缺点。新型磁控电抗器新的结构，可以为减低新型磁控电抗器的暂态响应时间提供新思路。随着研究深入，在新型磁控电抗器基础上，可以有进一步的改进措施。

3　结论

新型磁控电抗器结构简单、可用于超高压、特高压电力系统的优点明显。缺点是，暂态响应时间比现有磁控电抗器的长。

［1］ 蔡宣三，高越农. 可控饱和电抗器原理、设计与应用［M］. 北京︰中国水利水电出版社，2008.

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

［3］ 陈柏超，陈维贤. 新型可控电抗器大幅度限制操作过电压功能的研究［J］. 武汉水利电力大学学报，1993，26（1）︰46-56.

［4］ 陈柏超，陈维贤. 磁阀式可控电抗器的数学模型及特性［J］. 武汉水利电力大学学报，1995，28（3）︰293-298.

［5］ 陈柏超，陈维贤. 超高压可控电抗器限压特性及谐波分析［J］. 中国电机工程学报，1997，17（2）︰122-125.

［6］ 陈柏超. 新型可控饱和电抗器原理及应用［M］. 武汉︰武汉水利电力大学出版社，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］ 田铭兴，杨雪凇，顾生杰，等. 基于 MATLAB的磁饱和式可控电抗器的仿真模型参数及过渡时间分析［J］. 电力自动化设备，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

李晓明（1956-），男，山东省淄博市人，山东大学副教授，主要从事电力系统控制与保护、电力系统及其自动化的教学与研究工作。