新型磁控电抗器快速响应技术

袁 剑 ，田翠华 ，田 成 ，陈柏超 ，王 军 ，，聂德鑫 ，蔡 伟 ，袁佳歆

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.国网电力科学研究院 武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

随着电力系统电压等级的不断提高，国内外现有的传统电抗器补偿装置不能很好地抑制电网工频过电压以及电压波动等状况。作为一种新型连续可调型电抗器，磁控电抗器 MCR［1］（Magnetically Controlled Reactor）因其调节灵活、可靠性高等优点，适用于各级电网进行动态无功补偿以及限制系统过电压，具有提高功率因数、降低线路网损、提高输电线传输能力等作用，近年来受到越来越广泛的关注及推广［2-3］。

然而目前的磁控电抗器也有其自身局限性，主要问题之一便是响应速度较慢［4］。特别是在应用于抑制电压闪变和自动调谐消弧线圈等情况时，磁控电抗器响应速度较慢会使控制系统稳定性降低，造成系统振荡。针对这一问题，文献［5］提出了通过加大抽头比来提高磁控电抗器响应速度的方法，但此方案会增大磁控电抗器的有功损耗，并使得晶闸管两端电压升高，降低系统可靠性。文献［6］提出了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的直流斩波快速励磁方案，通过增大IGBT的脉冲宽度调制（PWM）中的脉宽来提高磁控电抗器的响应速度，该方法在一定程度上提高了磁控电抗器的励磁速度，但未能提高去磁速度。文献［7］提出采用并入去磁电阻的方法快速去磁，尽管可以提高去磁速度，但会增大损耗且降低系统可靠性。

针对以上解决方案不同程度的局限性，本文提出基于IGBT的新型快速响应结构，利用IGBT整流电路控制励磁电流的大小及方向，克服现有结构方法的缺陷不足。通过理论分析磁控电抗器的工作原理及响应特性，提出相应的快速响应结构及其工作状态控制。仿真试验结果表明，本文提出的磁控电抗器快速响应结构可将磁控电抗器的响应时间减少到30ms以内，有效提高了磁控电抗器工作性能，为磁控电抗器的应用推广提供帮助。

1 磁控电抗器工作原理分析

图1所示为磁控电抗器的结构原理图，各参数定义详见文献［1-2］。磁控电抗器其结构和外形与普通电力变压器几乎相同，特点在于磁控电抗器的铁芯柱包含一些截面积较小的“磁阀”结构，且其绕组结构具有独特的直流激磁电流回路。

图1 磁控电抗器结构原理图Fig.1 Structural diagram of MCR

当磁控电抗器接入交流系统中，通过外围控制系统控制电抗器绕组环路中的直流励磁电流大小可以改变电抗器铁芯磁导率，从而达到改变磁控电抗器等效电感的目的。

图2为磁控电抗器铁芯饱和调节的原理图，各参数定义详见文献［1-2］。

图2 磁控电抗器铁芯磁饱和原理图Fig.2 Schematic diagram of magnetic saturation of MCR iron core

由图可知，直流励磁电流实际上控制的是通过铁芯中的磁感应强度的直流分量Bd，该可控的直流分量与铁芯中流过的交流磁感应强度叠加，可精确调节铁芯中通过的总磁感应强度大小，进而改变磁控电抗器容量［8］。

在磁控电抗器的工作中，特别是在动态无功补偿等情况下，调节改变磁控电抗器容量的响应时间极为重要。经研究推导发现，磁控式电抗器容量从空载到额定的响应周期数估算为：

即磁控电抗器的响应时间与抽头比δ成反比。对大容量的磁控电抗器而言，一般抽头比δ取值较小，因而其容量由空载到额定所需时间过长，响应时间约在0.19～0.66s。在抑制电压波动闪变等情况下，这是绝对不会被允许的，无法满足工程实际的需要，必须采取有效措施提高磁控电抗器在稳态、暂态的情况下的响应速度。

图3为磁控电抗器工作原理图。根据直流励磁电流控制容量的原理可知，快速改变磁控电抗器容量的方法在于快速改变铁芯磁感应强度直流分量，可通过提高直流控制电压等方法来实现。

图3 磁控电抗器工作原理图Fig.3 Working principle of MCR

图3中，控制回路由直流电压源串联阻抗提供所需直流励磁电流，通过公式推导直流控制电压大小与励磁速度的关系。

直流控制回路方程为：

其中，Rk为控制绕组电阻；ik为控制绕组电流；Nk为控制绕组匝数；Ab为铁芯截面积；B1、B2分别为铁芯Ⅰ和Ⅱ的磁感应强度。

磁感应强度的直流分量Bd=B1-B2，整理可得：

可知磁控电抗器铁芯磁感应强度直流分量的变化速度与控制电压大小有关，采用较高直流控制电压即可快速增大直流励磁电流，提高励磁速度。

同理，对于去磁过程而言，如何快速降低直流励磁电流的大小直接影响到退磁速度，考虑采用在满容量情况下加入反向励磁电源的方法加速去磁。则去磁过程中，磁感应强度直流分量Bd下降速度的回路方程可表示为：

可知在需要去磁时，通过接入较高直流反向控制电压，利用消磁作用即可提高去磁速度。

2 快速响应结构

由于大容量直流源成本较高且不方便实现，通常采用交流电压源整流提供直流励磁电流。在传统磁控电抗器的结构基础上，本文提出一种新型的快速响应结构，其原理图如图4所示。

图4 快速响应结构原理图Fig.4 Schematic diagram of fast response structure

该结构的特点在于采用由IGBT组成的全控整流桥电路作为磁控电抗器的直流励磁电路。该全控整流电路可以为系统控制部分提供所需的直流励磁电流，通过调节控制绕组直流励磁电流的大小，即可达到快速调节电抗器输出容量的目的。由于IGBT通常会内置反并联二极管保护反压，因而采用IGBT串联二极管的方式来完成整流过程并起到保护作用。

通过控制IGBT的占空比，在需要快速励磁时设置为高占空比，利用整流电路为控制回路输出大的直流控制电流，快速增大直流分量，加快励磁速度；在正常运行时，使IGBT工作在较低占空比下，控制相应的PWM脉冲宽度，提供维持磁控电抗器工作所需的直流控制电流即可；需要快速去磁降低容量时，可通过改变IGBT的导通关断情况，将IGBT调至高占空比状态，使励磁绕组通过反向逆变电路向交流侧输送能量，进而快速降低励磁电流。

2.1 快速励磁实现过程

当系统需要快速增大磁控电抗器容量时，即需要提高磁控电抗器的直流励磁电流，使磁控电抗器铁芯尽可能快地达到饱和，直流励磁电流越大，其响应速度也越快。

励磁过程相当于一个整流过程。当系统检测到需要增大容量的信号后，利用PWM使IGBT转换为高占空比状态，并控制IGBT的导通时间，使其通过整流过程输入大的正向直流控制电流，快速增大磁感应强度直流分量，以实现快速励磁作用。

图5所示为快速励磁过程中电流的流向图。该过程中IGBT处于高占空比状态，输出较大直流励磁电流。由于IGBT响应速度快，可迅速导通关断。当交流电压源输入正向电压时，控制VT1、VT4导通；当交流电压源输入反向电压时，控制VT2、VT3导通。

图5 励磁过程电路图（整流）Fig.5 Excitation process（rectification）

2.2 稳态过程

在磁控电抗器达到所需容量时，利用PWM控制调节IGBT至低占空比，开关管导通情况与励磁过程相同。根据所需容量对应的励磁电流大小，控制相应PWM的脉冲宽度，使整流电路输出所需的正向直流励磁电流，在考虑维持电路损耗的基础上，使磁控电抗器的输出容量维持在系统所需的某个稳定数值上。

2.3 快速去磁实现过程

当系统需要快速减小磁控电抗器的工作容量时，迅速改变IGBT导通关断情况，并且将IGBT调至高占空比状态，通过PWM控制使励磁绕组中储存的能量经反向逆变电路向交流侧传输，进而快速降低直流励磁电流，实现快速退磁。

图6所示为去磁过程中2种导通模式下的电流流向图。对于去磁状态而言，与励磁状态相反，相当于一个逆变过程。其中储存有大量能量的励磁绕组相当于直流源，当交流电压源输入正向电压时，控制VT2、VT3导通；当交流电压源输入反向电压时，控制 VT1、VT4导通。

图6 去磁过程电路图（逆变）Fig.6 Demagnetization process（inversion）

整个去磁过程中，逆变产生的交流电压的方向与交流电压源的方向相反，使原有直流励磁电流快速下降。该过程也可看作是磁控电抗器向电源侧反向输送能量，与利用串入大电阻实现快速退磁相比，这种方法可使退磁速度更快，且不损耗能量。

可知该IGBT组成的整流电路能满足电能的双向流动，不仅可以在需要励磁时通过整流输入直流控制电流，还可以在需要去磁时通过逆变向交流侧输送电能，实现环保利用。

3 仿真试验分析

为了对磁控电抗器的响应特性进行分析，本文根据磁控电抗器的等效电路模型建立仿真模型。

磁控电抗器快速响应特性仿真模型见图7，主要包括两部分：左边部分采用了2个结构完全相同的饱和变压器来模拟其铁芯的饱和特性［9］，右边部分为1个由IGBT构成的全控整流桥实现的直流控制回路，提供各种运行状态下所需的直流控制电流。

图7 快速响应的磁控电抗器仿真模型Fig.7 Simulation model of MCR with fast response structure

磁控电抗器仿真模型的工作电源电压为380 V，容量为4 kW。通过仿真模拟磁控电抗器从空载加到满载，并在稳定工作一定时间后由满载降为空载的运行过程。

图8（a）、（b）分别为未采用、采用快速响应结构时，普通外励磁电抗器的工作电流响应波形，以及励磁及去磁时的局部放大波形。

图8 采用和不采用快速响应结构时，磁控电抗器的工作电流波形Fig.8 Simulative waveform of working current for MCR with and without fast response structure

由图8可见，磁控电抗器在0.1s时从空载加负荷，并在达到满容量后于0.6s从满容量降至空载的响应波形；加入快速响应结构的磁控电抗器工作电流Ig在0.05s时从0正向增大到额定容量仅需20ms，且从额定容量降为0所需时间也在30ms以内。

为了对所提出方法及仿真进行验证，建立了相应的小容量磁控电抗器快速响应模型，模型电抗器的额定电压及容量与仿真一致，为380V/4kW。利用示波器对磁控电抗器容量调节过程进行测量记录，得到工作电流响应波形如图9所示（图中电流转化为电压表示）。

图9 采用快速响应结构时，磁控电抗器的试验工作电流波形Fig.9 Experimental waveform of working current for MCR with fast response structure

由试验波形可知，加入快速响应结构的磁控电抗器励磁与去磁过程耗时均在30 ms以内，与仿真结果吻合，验证了所提出结构的有效性。

4 结语

通过仿真及试验验证，本文提出的基于IGBT控制的快速响应结构，对于提高磁控电抗器响应速度有着很明显的提高作用，可将响应时间限制在30ms以内，有效地弥补了磁控电抗器的响应缺陷。

对于电压等级更高的情况下，可利用多组IGBT串联分压的形式提高直流励磁回路的耐压能力，以适应磁控电抗器在特高压领域的推广。

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