基于飽和變壓器的磁飽和式可控電抗器分析

田銘興，陳華泰，楊秀川，安海軍

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070；2.白銀供電公司，甘肅白銀730900；3.寧夏電力公司培訓中心，寧夏銀川750002；4.蘭州供電公司，甘肅蘭州730070)

基于飽和變壓器的磁飽和式可控電抗器分析

田銘興1，陳華泰2，楊秀川3，安海軍4

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070；2.白銀供電公司，甘肅白銀730900；3.寧夏電力公司培訓中心，寧夏銀川750002；4.蘭州供電公司，甘肅蘭州730070)

概述了磁飽和式可控電抗器的基本結構和工作原理，介紹了磁飽和式可控電抗器在超/特高壓電網(wǎng)中的應用。以Matlab提供的電力系統(tǒng)模塊集(PSB)為平臺，利用飽和變壓器的模型，建立了磁飽和式可控電抗器的仿真模型，計算了模型中的相關參數(shù)，并進行了相應的仿真分析。實例仿真結果說明本文的分析和仿真方法簡捷有效，并且能夠反映磁飽和式可控電抗器工作過程中半導體器件的參數(shù)，為其實際應用或者生產(chǎn)制造提供了一定的理論依據(jù)。

磁飽和；可控電抗器；仿真

我國用電需求正在持續(xù)高速增長。按照新的更高輸電電壓等級引入的一般規(guī)律，當電網(wǎng)內(nèi)用電增長達到現(xiàn)有輸電網(wǎng)電壓等級引入的4倍時，開始建設更高電壓等級的輸電工程是經(jīng)濟合理的[1]。因此，選擇合適的線路路徑著手建設超/特高壓工程是合適的。另外一方面，我國能源產(chǎn)地和需求地分布極不均衡，需要發(fā)展超/特高壓電網(wǎng)，將就地生產(chǎn)的電能輸送到距離比較遠的電能需求地。

發(fā)展超/特高壓電網(wǎng)，關鍵技術問題是輸電線路過電壓與無功補償問題。為了提高輸電線路傳輸能力，減小電壓損耗，其分布電阻和電感較小，而分布電容較大，由于電壓等級高，導致其單位長度充電功率很大，在系統(tǒng)輕載或空載時，由于法蘭梯效應會在線路末端或中部產(chǎn)生電壓升高現(xiàn)象。為了限制工頻過電壓以及在此基礎上形成的操作過電壓和補償線路充電功率，需要在長距離超/特高壓輸電線路上裝設高補償度的并聯(lián)電抗器。而在重載時，并聯(lián)電抗器成為多余的裝置，使線路電壓過分降低，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生附加的有功損耗，經(jīng)濟性降低。

理論研究和實踐表明，磁飽和式可控電抗器對于提高電力系統(tǒng)運行性能有顯著作用，它可以平滑地改變補償功率，隨著傳輸功率的增加，其容量可相應的從額定值減小到接近于零，而當線路發(fā)生暫態(tài)過程，它會急劇增大容量從而有效降低操作過電壓，進而減少電網(wǎng)損耗，提高供電質量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

文獻[3]根據(jù)磁飽和式可控電抗器兩個鐵心及繞組的結構完全對稱以及它們工作狀態(tài)在正負半周里呈鏡像對稱的特點，利用傅里葉級數(shù)分析方法分析了各支路電流諧波分量及其關系，得到了磁飽和式可控電抗器的一種比較簡單的等效物理模型。文獻[4]用等效電流的概念得到了磁飽和式可控電抗器比較簡明的數(shù)學模型，得到了其等效電路并做了相應的仿真，由于該模型是根據(jù)等效電路搭建的，只能對電抗器工作電流進行相應的分析，而不能對電抗器晶閘管和二極管的電流等數(shù)據(jù)進行分析。文獻[5]提出了復雜磁路建模新方法，即磁路分解法，在PSCAD/EMTDC中建立了10 kV磁飽和式可控電抗器原理樣機的仿真模型，但是該模型針對的是四鐵芯電抗器，對其它電抗器模型不能直接使用。文獻[6]中也建立了磁控電抗器等效模型，但由于其僅為原理示意模型，并未對磁路進行精確分解與計算，所以仿真精度不高，對工程實用價值不大。

本文首先分析磁飽和式可控電抗器在超/特高壓電網(wǎng)中的應用，分析磁飽和式可控電抗器的工作原理及特點，然后在Matlab中，用四個飽和變壓器模型構建磁飽和式可控電抗器的仿真模型，并計算其仿真參數(shù)，進行相應的仿真分析。

1 MCSR在超/特高壓電網(wǎng)中的應用

磁飽和式可控電抗器在電力系統(tǒng)中的應用前景和潛力是十分廣闊和巨大的。下面列出其可能的應用范圍和功能。

(1)在超/特高壓電網(wǎng)中作調相調壓設備。目前，我國電網(wǎng)缺少的調相容量相當大，新建的坑口電站和大型水電站，為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和減少輸電損耗，有功電源很少送出無功，則受端系統(tǒng)必須自我補償，調相容量將更加缺乏。磁飽和式可控電抗器可以解決這一矛盾。

(2)抑制系統(tǒng)過電壓。長距離輸電線路，由于法蘭梯效應的存在，會在線路末端產(chǎn)生電壓升高現(xiàn)象。如果送端系統(tǒng)較弱，則送端電壓也會有所升高。這種穩(wěn)態(tài)工頻過電壓對超/特高壓系統(tǒng)的絕緣裕度造成了嚴重威脅。磁飽和式可控電抗器可以限制工頻過電壓，也能大幅度限制操作過電壓。

(3)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大輸電能力。磁飽和式可控電抗器具有快速動態(tài)響應能力，在系統(tǒng)受到大擾動的情況下，自動保持端點電壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)抑制系統(tǒng)功率振蕩。在電網(wǎng)系統(tǒng)間的聯(lián)絡線上，當?shù)貐^(qū)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、切機、拉開重要線路等一些干擾時，會產(chǎn)生功率振蕩。由于大系統(tǒng)的阻尼很弱，一旦出現(xiàn)振蕩，便難以抑制。為了避免這種危害，被迫減少聯(lián)絡線的傳輸功率。磁飽和式可控電抗器能快速補償無功，穩(wěn)定電壓，因此是抑制系統(tǒng)功率振蕩的有效設備。

另外，磁飽和式可控電抗器在直流輸電系統(tǒng)中也有很多應用，在此不再贅述。綜上所述，磁飽和式可控電抗器能夠解決限制過電壓和無功補償之間的矛盾，因此，是未來超/特高壓輸電系統(tǒng)中很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N電氣設備，對其進行研究，可以為其以后的實際應用奠定良好的基礎。

2 MCSR的基本結構及工作原理

2.1 基本結構

圖1為磁飽和式可控電抗器的結構原理圖。電抗器由兩個等截面、等長度的主鐵心1、2組成。為了保證工作時磁壓降大部分降落于兩個主鐵心柱上，使其容易達到飽和狀態(tài)，兩個旁軛的截面積要略大于主鐵心的截面積。每個鐵心上繞有總匝數(shù)為的上、下兩個繞組，每個繞組各有一個抽頭分別與晶閘管VT1、VT2相連。抽頭比為。不同鐵心上的上、下兩個繞組交叉順連后并聯(lián)至電網(wǎng)，續(xù)流二極管VD跨接在兩個繞組的交叉處。鐵心1與旁軛1、鐵心2與旁軛2分別構成交流磁路，鐵心1與鐵心2構成直流磁路。

圖1 MCSR結構原理圖

2.2 工作原理

如圖2所示的鐵芯飽和原理，把鐵芯的磁化曲線設為理想的小斜率曲線，斜率為真空磁導率。當不施加直流勵磁時，工作狀態(tài)如圖2(a)，鐵芯一直工作在不飽和狀態(tài)，電抗器的磁場強度很小，根據(jù)安匝平衡原理工作電流也就很小，電抗器容量也很小。按照圖2所加的直流激磁會對于左右兩個芯柱分別產(chǎn)生正負兩個方向的磁密平移，也就是會讓左右兩個芯柱輪流達到飽和狀態(tài)，從而得到對稱交流的飽和工作電流。工作狀態(tài)如圖2(b)所示。

圖2 鐵心飽和工作原理

磁飽和式可控電抗器的工作原理就是通過改變直流勵磁的大小，改變鐵芯的磁飽和度，進而改變等效磁導率從而平滑地改變電抗值，改變了電抗器容量。

根據(jù)磁飽和式可控電抗器中晶閘管和二極管可能導通情況，列出下列5種工作狀態(tài)：

狀態(tài)1：VT1導通，VT2、VD關斷；

狀態(tài)2：VT1、VD導通，VT2關斷；

狀態(tài)3：VD導通，VT1、VT2關斷；

狀態(tài)4：VT2導通，VT1、VD關斷；

狀態(tài)5：VT2、VD導通，VT1關斷。

晶閘管與二極管所承受的電壓、電流及觸發(fā)脈沖信號，決定了電抗器的各種工作狀態(tài)。設電網(wǎng)電壓為，每一電源半周開始到晶閘管導通時的電角度(觸發(fā)角)為，則上述各種狀態(tài)與和晶閘管觸發(fā)角之間的關系如圖3所示。

圖3 工作狀態(tài)示意圖

3 仿真分析

3.1 仿真模型建立

磁飽和式可控電抗器是根據(jù)磁飽和原理來工作的，在Matlab/SPS中，提供了飽和變壓器的模型，沒有磁飽和式可控電抗器的相關模型。文獻[4]根據(jù)電抗器的物理模型，推導了其等效電路，由等效電路搭建了電抗器的仿真模型，但是該仿真模型只能對電抗器的工作電流進行仿真和分析。在該模型建立過程中，半導體器件是按理想元件處理的，即晶閘管和二極管是瞬時導通的，也即電抗器的工作過程中缺少了狀態(tài)2和狀態(tài)5兩種情況，與電抗器的實際工作情況有一定的誤差。本文利用Matlab/PSB中提供的飽和變壓器的模型，搭建了電抗器的模型，該模型可以對電抗器的工作電流進行詳細分析，而且仿真波形更接近電抗器的實際工作電流，尤其是對流過晶閘管、二極管的電流以及它們兩端的電壓都可以仿真，在電抗器的實際應用中，對晶閘管、二極管型號的選擇有一定的指導作用。

電抗器的仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真參數(shù)計算

抽頭比δ的計算公式如下：

飽和變壓器器的參數(shù)設置如下：

圖4 仿真模型

以上的參數(shù)除了額定容量、額定頻率、原副繞組額定電壓為國際單位以外，其余參數(shù)可以是國際單位制單位，也可以是標幺值。用標幺值表示的變壓器的磁化特性如下：

4 仿真實例

圖5為電抗器工作電流波形，與文獻[4]中的結果相比，該波形在波峰處有一定跌落，是由于晶閘管的導通關斷或者導通不是瞬時完成的，有一個很小的過渡過程，更符合電抗器的實際工作過程。圖6～8分別為晶閘管和二極管的電流波形。圖9為晶閘管和二極管的換流過程波形。

圖5 的波形

圖6 的波形

圖7 的波形

圖8 的波形

圖9 半導體器件換流電流

5 結論

(1)根據(jù)磁飽和式可控電抗器的本體結構，利用飽和變壓器的模型搭建的磁飽和式可控電抗器的仿真模型，簡捷有效，其仿真結果正確反映了電抗器的工作過程。

(2)相比文獻[4]中對半導體器件做理想化處理的結果，該仿真模型更接近于電抗器的實際工作過程。對半導體器件的電流等參數(shù)的仿真，可以為電抗器的實際生產(chǎn)中對半導體器件的選擇提供一定的理論依據(jù)。

[1]金明成，劉繼成.建設特高壓電網(wǎng)的必要性[J].東北電力技術，2006,12:37-39.

[2]周元清.磁控電抗器在特高壓交流輸電線路中的應用研究[D].長沙：湖南大學，2007:23-30.

[3]田銘興，勵慶孚，王曙鴻.磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數(shù)學模型[J].電工技術學報，2002,17(4):18-21.

[4]田銘興，勵慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術學報，2003,18(6):64-67.

[5]鄧占鋒，王軒，周飛等.超高壓磁控式并聯(lián)電抗器仿真建模方法[J].中國電機工程學報，2008,28(36):108-113.

[6]陳柏超.新型可控飽和電抗器理論及應用[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，1999:97-136.

Analysis of magnetically-saturated controllable reactor based on saturation transformer

The basic structure and the principle of magnetically-saturated controllable reactor(MC-SR) were described.The application of MCSR in EHV and UHV was introduced.Based on the power system blockset(PSB)of Matlab,the model of saturation transformer was used,a simulation model for a magnetically-saturated controllable reactor was constructed.The relevant parameters of the model were calculated.Subsequently,a simulation analysis was demonstrated.The results illustrate the analysis and simulation method is simple and effective.It could reflect the process parameters of the semiconductor devices of MCSR,and provide the theoretical basis for its practical application or manufacturing.

magnetically-saturated;controllable reactors;simulation

TM 47

A

1002-087 X(2016)03-0705-04

2015-08-23

國家自然科學基金(51167009)；甘肅省自然科學基金項目(1112RJZA038)

田銘興(1968—)，男，甘肅省人，博士，教授，主要研究方向為電機電器的設計控制。