一种新型磁控电抗器及其性能分析

李晓明

(山东大学 电气工程学院，济南 250061)

0 引言

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，但在许多应用领域，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(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来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.Bry-antsev 1986年提出的磁控电抗器方案有里程碑的意义，我国的科研人员也投入了很大热情对磁控电抗器进行研究［2-4］，已经发表了许多研究结果［1-7］。现有磁控电抗器的共同特征是:自励式磁控电抗器的2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，2个晶闸管对地电压都很高(对地电压等于额定电压的1/2以上)。目前，现有的各种自励式磁控电抗器都不适用于超高压电力系统，而用于超高压、特高压的磁控电抗器都是他励式磁控电抗器，这种磁控电抗器的运行管理十分不方便。本文提出一种新型的、可应用于超高压和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分析。

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所示。图1a中:1，2为磁控电抗器的2个端子;3为闭环铁心，闭环铁心有4根铁心柱，铁心柱两端有磁轭，铁心柱与磁轭构成磁通闭环;D1，D2为晶闸管，由控制电路4控制;L1，L2，L3，L4为4只匝数相等的线圈，线圈匝数等于同电压等级变压器线圈匝数的1/2;L5，L6为2只匝数相等的线圈，线圈匝数比同电压等级变压器线圈的匝数少1%。

图1 新型磁控电抗器结构图

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，L3，L4 有励磁电流流过。由于线圈 L5，L6与线圈 L1，L2，L3，L4绕在同一铁心柱上，且线圈L5，L6匝数比同电压等级变压器线圈的匝数少1%，所以，线圈L5，L6两端电压比磁控电抗器两端额定交流电压小1%。这样，晶闸管D1，D2两端有交流电压，该电压为额定电压的1%。磁控电抗器线圈L1，L2，L3，L4有励磁电流流过时，4只线圈所在铁心柱的交流磁通都向上，分别经最外的两边柱形成交流磁通闭环，磁控电抗器呈现最大电抗Zmax。

如果晶闸管 D1，D2全导通，则晶闸管 D1，D2构成半波整流电路。L5线圈的直流电流向下流，L6线圈的直流电流向上流，2个电流相等，直流电流不会流出磁控电抗器的两端子。L5线圈直流电流在铁心中产生的磁通量等于L6线圈直流电流在铁心中产生的磁通量，2个磁通方向相反，直流磁通在L5，L6线圈所在的2个铁心柱之间形成闭环。由于L5，L6线圈所在的2个铁心柱有直流磁通，铁心出现饱和，L1，L2，L3，L4线圈出现较大的过励磁电流，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L5，L6线圈直流电流的大小，调节L5，L6线圈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，实现磁控电抗器电抗值的连续调节。

图1a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的2个铁心柱有重合，直流磁通产生的饱和只在中间的2个铁心柱对交流磁通产生影响。

图1b所示的新型磁控电抗器是把图1a所示的四柱式磁控电抗器铁心分解为2个两柱式变压器铁心，其余结构、连接方式及参数不变。图1b所示磁控电抗器的工作原理与分析方法与图1a所示磁控电抗器相同。

图1b所示新型磁控电抗器的特点是:线圈L5产生的直流磁通路径长度与线圈L1，L3产生的交流磁通路径长度相等，线圈L6产生的直流磁通路径长度与线圈L2，L4产生的交流磁通路径长度相等。图1b所示磁控电抗器的直流磁通路径长度大于图1a所示磁控电抗器。同等直流电流条件下，图1b所示磁控电抗器线圈L5，L6的直流磁通小于图1a所示磁控电抗器。

由于图1b所示磁控电抗器的直流磁通路径与交流磁通路径完全重迭，而图1a所示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叠，所以，同等直流磁通量的条件下，图1b所示磁控电抗器直流磁通对交流磁通的影响大于图1a所示磁控电抗器。

选择较容易构建仿真模型的图1b所示磁控电抗器进行仿真分析。

图1中，D3为续流二极管，续流二极管的分析是公共知识，不再累赘。可以在忽略续流二极管的条件下，研究磁控电抗器的基本工作原理。

2 磁控电抗器的仿真分析

2.1 暂态响应时间仿真分析

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

用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱构建图1b所示磁控电抗器仿真模型，如图2所示。具体参数如下:交流电压=10 000 V;T1变压器容量=577 kV·A;L1两端电压=5 000 V，L2两端电压=5000V，L3两端电压=5 000 V，L4两端电压=4 900 V。T2变压器参数与T1变压器相同。

图1所示新型磁控电抗器晶闸管D1，D2两端的交流额定电压为100 V。

为了研究方便，也为了突出主要问题，研究晶闸管D1，D2全导通条件下磁控电抗器的特性。这样，在图2所示的磁控电抗器中，晶闸管D1，D2用二极管D1，D2代替。

图2 新型磁控电抗器Simulink仿真模型

对图2所示的新型磁控电抗器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为0.6 s。

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所示磁控电抗器的仿真模型，如图5所示。具体参数如下:交流电压=10000V;T1变压器容量=577kV·A;L1两端电压=4900 V，L2两端电压=100 V，L3两端电压=100V，L4两端电压=4900 V。T2变压器参数与T1变压器相同。

图4所示现有磁控电抗器晶闸管D1，D2两端交流额定电压为100 V，因此，图1所示新型磁控电抗器的暂态响应时间与图4所示现有磁控电抗器有可比性。

图4 现有磁控电抗器结构

图5 现有磁控电抗器Simulink仿真模型

对图5所示现有磁控电抗器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6a所示。从图6a可以观察到，现有磁控电抗器的暂态响应时间为1.4 s，输出电流峰值为470 A。现有磁控电抗器的输出电流峰值如果需要与图3一样，也是270 A，则要降低现有磁控电抗器晶闸管D1，D2两端的交流额定电压，或减小现有磁控电抗器晶闸管D1，D2的导通角。现有磁控电抗器的输出电流峰值为270 A的电流波形如图6b所示。从图6b可以观察到，现有磁控电抗器的暂态响应时间为8 s，暂态响应时间更长。

2.2 综合分析

(1)新型磁控电抗器晶闸管D1，D2的额定交流电压是100 V，现有磁控电抗器晶闸管D1，D2的额定交流电压也是100V，都是通过低电压电力电子器件控制10 kV高压磁控电抗器。

(2)新型磁控电抗器有6个线圈，线圈没有抽头;现有磁控电抗器有4个线圈，其中2个线圈有抽头:因此，新型磁控电抗器结构的复杂程度与现有磁控电抗器相当。

(3)新型磁控电抗器的暂态响应时间比现有磁控电抗器减小1/2以上;新型磁控电抗器与现有磁控电抗器的结构都是各自工作原理的最基本结构，两者的对比分析也是在最基本结构条件下进行的;现有磁控电抗器会在基本结构的基础上增加措施，缩短暂态响应时间:所以，现有磁控电抗器的暂态响应时间比图6显示的短。在现有磁控电抗器上采用的缩短暂态响应时间的措施，也可以应用于新型磁控电抗器，采用了缩短暂态响应时间措施的新型磁控电抗器的暂态响应时间也会比图3短。新型磁控电抗器与现有电抗器都取最基本结构，暂态响应时间是有可比性的。

(4)新型磁控电抗器2个晶闸管的位置在线圈一端，若线圈采用星形连接方式，端子2接地，2个晶闸管公共端子的电压为零，晶闸管的整体对地电压就很低，可减低晶闸管对地绝缘要求且降低制作成本。由于2个晶闸管公共端的对地电压为零，新型磁控电抗器可用于超高压、特高压电力系统领域。

图6 现有磁控电抗器仿真试验电流波形

3 结论

新型磁控电抗器的结构与现有磁控电抗器相当;新型磁控电抗器的暂态响应时间比现有磁控电抗器减小1/2以上;新型磁控电抗器可用于超高压、特高压电力系统。

［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］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.

［3］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.

［4］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.

［5］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.

［6］赵士硕，尹忠东，刘海鹏.快速响应磁控电抗器的新结构与控制方法［J］.中国电机工程学报，2013，33(15):149-155.

［7］雷晰，邓占锋，徐桂芝，等.磁控型可控并联电抗器研究与实践［J］.中国电机工程学报，2014，34(z1):225-231.