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磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設計

文檔作者：張健華黃兆文檔來源： 1．廣東電網公司中山供電局 2．南方電網超高壓輸電公司廣州局，		點擊數：	更新時間： 2024年07月26日
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上一篇：大電流空心電抗器接線端子過熱原因分析

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第26卷第9期
2013年9月
廣東電力
GUANGD0NG ELECTRIC pOW ER
Vo1．26 NO．9
Sep．2013
doi：10．3969／j．issn．1007—290X．2013．09．016
磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設計
張健華 ，黃兆
(1．廣東電網公司中山供電局，廣東中山442000；2．南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405)
摘要：對提高磁閥式可控電抗器(magnetic control reactor，MCR)響應速度進行了研究，提出通過控制MCR的
晶閘管觸發(fā)角來提高響應速度，通過控制續(xù)流二極管的關斷使MCR快速退出運行的方案，并給出具體的設計方
法。模擬實驗結果驗證了該方案可行，具有實際應用價值。
關鍵詞：無功補償；磁閥式可控電抗器；響應時間
中圖分類號：TM714．3 文獻標志碼：B 文章編號：1007—29OX(2叭3)09-0077-03
Optimization Design for M agnetic Valve Controllable Reactor
ZHANG Jianhua ．HUANG Zha02
(1．Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhongshan，Guangdong 442000，China；
2．Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou，Guangdong 510405，China)
Abstract：This paper studies improvement of response speed of magnetic valve controllable reactor and proposes to control
firing angle of thyristor of MCR for realizing improve the response speed．Meanwhile，it proposes scheme of controlling
turn—off of freewheel diode to realize rapid quit running of MCR and provides specified design method．Simulated experiment
verifies feasibility and practical application value of this scheme．
Key words：reactive compensation；magnetic valve controllable reactor；response time
隨著電力系統(tǒng)負荷的日益增加和電壓等級的逐
漸提高，電力系統(tǒng)對無功補償設備的要求也越來越
高[1]。為了滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，人們研制了
多種新型的無功補償調節(jié)裝置來適應電力系統(tǒng)的變
化，如晶閘管控制的高阻抗變壓器、晶閘管控制的
電抗器、晶閘管投切電容器、開關投切電抗器、自
飽和電抗器和靜止無功發(fā)生器等。晶閘管控制的高
阻抗變壓器和晶閘管投切電容器存在噪聲大、制作
成本高等缺點，晶閘管控制的電抗器和靜止無功發(fā)
生器存在控制難度大、制作成本高、運行維護復雜
等缺點，因而限制了這些無功補償調節(jié)裝置的進一
步推廣。而磁閥式可控電抗器(magnetic control
reactor，MCR)的制作成本低，控制簡單，研究
收稿Et期：2013—05．09
MCR的性能優(yōu)化具有非常現實的意義l2—73。
1 提高MCR響應速度的研究
不同的應用場合對無功補償的性能要求不同，
一些特殊的應用場合對無功補償裝置的響應速度要
求很高，要求無功補償系統(tǒng)能夠快速跟蹤負載的變
化。
1．1 增大直流控制電壓
圖1為MCR等效電路，設T1在系統(tǒng)電源電
壓的正半波時導通，則電磁方程為l8]：
fdB1一E sin wt． aE sin wt
J dt < NA 。(1—3)NA’ (t 1l )J
f dB2一Emsin cot Emsin cot
l dt— NA (1一 )NA‘
式中：B 、B 分別為電抗器兩個鐵心的磁感應強
度；E 為工作電壓的振幅； 為工作電壓的角頻
廣東電力 第26卷
率；t為時間；N 為電抗器的匝數；A 為電抗器
鐵心的截面積； 為電抗器的抽頭比。
T1
T2
圖1 MCR等效電路
根據電抗器的對稱性，T2在系統(tǒng)電源電壓的
負半波時導通，電磁方程為：
fdB1一Emsin cot sin cot
I dt NA (1一 )NA’ (
2)
l dB2一Emsin cot msin oot
dt — NA ’(1一 )NA ‘
設P(t)=(B 一B )／2，由式(1)和式(2)得
P(t) 一 28t ，¨
2B 一(1一 )丁‘
式中：B 為鐵心磁化曲線的飽和值；T為系統(tǒng)電
源電壓的周期。
令P(t)=P (t)／2B ， 當電抗器工作在額定
容量時，B 中的直流分量Ba=2B ，即P (t)=
1．0，設工頻周期數 =t／丁，推導得出[9]
1 一
n = ． (4)
0
由式(4)可知n與 成反比，因此可以通過增
大 來提高MCR的響應速度。
以額定容量20 kvar、額定電壓400 V的MCR
為例，對 分別為3％和8％的直流控制電壓 。進
行比較(如圖2所示)，分析響應時間的變化。
“ “
(a)當 =3％時 (b)當 =3％時
圖2 不同5值對應的u。
由圖2可得： =3％ 時U。的響應時間為
20T， =8％時M。的響應時間為10丁，增大 可
以提高系統(tǒng)的響應速度，實驗結果與理論分析基本
一致。但是，考慮到晶閘管的耐壓有限，增大 。
無法滿足電力系統(tǒng)的要求，為此需要研究新的方法
來提高MCR的響應速度。
1．2 強勵磁實驗
。不僅與 有關，還與晶閘管的觸發(fā)角a有
關，通過軟件調節(jié) ，可以改變電抗器的直流電流
， ，進而改變電抗器的工作電流。其關系式
為 ]
，．： ± ． f )
(1+ )丁【尺 、
式中R為電抗器1／4繞組的電阻。
以額定容量為20 kvar、額定電壓為400 V的
MCR為例，制定系統(tǒng)控制響應時間的實驗方案。
實驗流程為：首先通過手動觸發(fā)，記錄a與基本
電流的關系；然后進行系統(tǒng)采樣，判斷系統(tǒng)是否需
要補償，如果需要補償，則控制系統(tǒng)發(fā)出2倍額定
電流對應的觸發(fā)角a ，迅速提高 。，經過，z(通過
實驗來確定)個周期后，發(fā)出額定電流對應的觸發(fā)
角a；如果負載系統(tǒng)無需大容量補償，則可以直接
通過比例積分(proportional plus integral，PI)調
節(jié)來補償系統(tǒng)。
由實驗結果(如圖3所示)可得：3倍額定電流
下的響應時間為8T，2倍額定電流下的響應時間
為12 71，實驗數據和理論分析基本一致。實驗結果
說明通過控制程序來改變電抗器上電后的觸發(fā)角，
可以改變系統(tǒng)的響應速度。
“~ , 12T “
(a)2倍額定電流下 (b)3倍額定電流下
圖3 強勵磁響應波形比較
1．3 電抗器的優(yōu)化設計
提高MCR響應速度的方法有：
a)在電抗器的繞組上加助磁繞組，當晶閘管
導通時，助磁繞組開始工作，工作幾個周期后將其
斷開。這種方法雖然可以提高電抗器的響應速度，
但電抗器的結構變得復雜，增加了加工工藝的難
度。
b)改進主電路結構，使勵磁電壓產生正、負
極性，達到快速勵磁和去磁的目的。
c)在電抗器控制電壓不變的情況下，改變電
抗器直流回路中電感的大小，使電感的減緩作用減
弱。將事先儲備有一定初始電壓的電容器串聯到電
第9期 張健華，等：磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設計
抗器控制回路中，與控制回路構成LC串聯振蕩電
路，起到控制電流、提高響應速度的作用_1 。
2 MCR快速退出運行的研究
將MCR應用于風電場，當風電場母線電壓跌
落時，MCR型無功補償裝置可以快速響應，在盡
可能短的時間內輸出最大的容性無功功率，給予母
線電壓足夠的支撐。因此在電壓恢復的暫態(tài)期間，
要求MCR從系統(tǒng)中快速切除，工作于空載運行狀
態(tài)，這樣才能向系統(tǒng)提供最大的容性無功功率。
2．1 實驗
以容量20 kvar、額定電壓400 V的MCR作
為樣機進行實驗。在400 V 的額定電壓下，通過
調整 來改變電抗器的工作電流 ，使電抗器工作
于額定電流(28．9 A)的狀態(tài)，然后停止對晶閘管
的觸發(fā)，將MCR快速退出，使其運行在空載狀
態(tài)。用示波器記錄從額定工作狀態(tài)至空載暫態(tài)期間
W 相線電流 的暫態(tài)過程，如圖4所示。由圖4
可得MCR退出系統(tǒng)時的響應時間大約為30丁。
O t
圖4 MCR從額定運行到空載運行期間的電流波形
MCR的響應時間過長主要是晶閘管停止觸發(fā)
后，直流偏磁電流經過二極管續(xù)流回路時衰減得比
較慢。因此要提高MCR的響應速度，就應當減少
直流偏磁電流的衰減時間。
2．2 優(yōu)化設計
可以通過兩種方法來提高MCR退出運行的響
應速度。方法一：外加直流電源，當需要MCR退
出運行時，外加直流電源給電抗器注入與直流偏磁
電流相反的直流電流，以抵消直流偏磁電流，從而
提高MCR從額定運行到退出運行的響應速度。這
種控制方法比較復雜，可靠性不高，而且成本比較
高，不利于MCR的市場化。方法二：在二極管續(xù)
流回路中串聯一個電阻，并在電阻兩端并聯一個晶
閘管(如圖5所示)，利用電阻來減少直流偏磁電流
的能量消耗時間，從而提高MCR退出運行的響應
速度。
Tl
T2
圖5 改進后的MCR等效電路
由于電抗器相當于一個大電感，電感電流不能
躍變，不能立刻從額定電流減小至空載電流，二極
管D和電阻R將作為續(xù)流通道完成直流偏磁電流
的續(xù)流，利用附加串聯的電阻來消耗直流偏磁電流
的能量，從而減少直流偏磁電流的續(xù)流時間，使
MCR快速退出運行。
通過實驗對比得出結論：續(xù)流二極管的串聯電
阻為3 Q(約為MCR直流電阻的1／3)時，MCR退
出運行的響應時間最短。
3 結束語
本文提出了通過軟件控制電抗器觸發(fā)角來提高
MCR響應速度，通過控制續(xù)流二極管的關斷來使
MCR快速退出系統(tǒng)運行的方案。以現場模擬實驗
驗證方案的可行性，得出該優(yōu)化方案具有實際應用
價值的結論。
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作者簡介：
何振翔(1986)，男，廣東河源人。助理工程師，工學學士，從
事一次設備變電檢修5-作。
伍國興(1979)，男，廣東順德人。工程師，工學碩士，從事一
次設備變電檢修及技術管理工作。
張繁(1985)，男，湖北廣水人。助理工程師，工學學士，從事
一次設備變電檢修工作。
(編輯鐘美玲)
(上接第79頁)
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作者簡介：
張健華(1985)，男，山西晉州人，助理工程師，工學碩士，
從事變電運行工作。
黃兆(1985)，女，湖南瀏陽人。助理工程師，工學碩士，從事
變電運行工作。

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