磁饱和式和变压器式可控并联电抗器

磁饱和式和变压器式可控并联电抗器1引言
无功平衡是电网安全、可靠、经济运行的重要保证，对于超高压长距离输电网尤其如此。

由于传统并联电抗器SR（Shunt Reactor）的功率不能自动连续平滑调节，它不能很好满足超高压长距离输电网无功平衡的需要。

而对于静止晶闸管补偿器STC（Static Thyristor Compensator），由于其技术复杂、造价昂贵、维护困难而不易在诸如俄罗斯、中国和印度等欠发达国家大量使用[1]。

有文献指出[2]，SR只应在已建成的容量有限的传统电网中使用，而进一步研制STC的工作应被停止。

可控并联电抗器CSR（Controllable Shunt Reactor）具有功率自动连续平滑调节的固有特点，能在很短的时间内，从空载功率调节到额定功率，因此，在超高压长距离输电网中广泛使用CSR能够显著减少线路空载（轻载）损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况。

有文献建议[2]，在新建的电网中应该广泛使用CSR，另外，CSR也可用作消弧线圈。

2CSR的工作原理和分类
图1为三相组式CSR的接线和工作原理图。

电压互感器和电流互感器对电网功率和电压的变化进行检测，当它们发生变化时，控制器给出控制信号，使变流器驱动CSR随着电网功率和电压的变化而平滑快速改变自己的输出无功，从而使电网无功总是达到平衡，电压水平维持在规定的范围内。

输电线
图1 三相MCSR的单线接线图
大致来分，CSR有磁饱和式可控电抗器（MCSR：Magnetic Saturation Type Controllable Shunt Reactor）和变压器式可控电抗器（TCSR：Transformer Type Controllable Shunt Reactor）两大类。

3磁饱和式可控电抗器MCSR
MCSR是基于磁放大器原理工作的，图2是它的工作原理图[3]。

如图所示，当两个晶闸管都不导通时，可控电抗器工作于空载状态。

当两个晶闸管在电源正负半周里依次导通和关断时，就可在绕组回路里产生相应的直流环流，直流环流的大小取决于晶闸管导通角的大小。

该环流产生的直流磁通改变了两个铁心的饱和程度，从而可以通过控制晶闸管的导通角来达到自动调节电抗器功率的目的。

o
'o
图2 磁饱和式可控电抗器
4变压器式可控电抗器TCSR
上世纪70年代[4]，BBC公司研制了一种可控并联电抗器，与MCSR相比它具有电磁惯性小和响应快等优点，但是由于其存在电流谐波含量大和功率损耗大等缺陷而停止继续开发和生产。

针对BBC电抗器的这一不足，俄罗斯学者在上世纪末提出了TCSR[5]。

TCSR 的工作原理如图3所示。

由图3可以看出，TCSR实质上相当于高短路阻抗的多绕组变压器。

HVW为高压工作绕组，CW1、CW2、……、CW n为低压控制绕组，各个CW中串接反并联晶闸管，每个CW的额定功率是电抗器总额定功率的一部分，主要根据电网谐波要求而定。

当第i个CW i投入工作时，第1、2、……、i-1个CW绕组均工作于短路状态，可以认为其中没有谐波电流存在，这样，HVW中工作绕组中的电流谐波只由CW i的晶闸管的导通程度决定，因此，当依次把CW投入工作并正确控制晶闸管的导通和关断时，TCSR的功率就可从空载功率到额定功率连续自动变化，而且满足谐波电流的要求。

HVW cw1 cw2 cwn
图3 变压器式可控电抗器
5MCSR和TCSR的比较
图4～7是MCSR和TCSR的稳态和过渡过程的仿真波形。

由图4和图5可以看出，MCSR在晶闸管触发角调节过程中，工作电流波形较TCSR的工作电流波形畸变严重，因此，MCSR在挂网运行时，若不采取补偿措施，会对电网注入不能允许的谐波电流，相反，TCSR 的工作电流谐波含量要小得多。

比较图6和图7所示的MCSR和TCSR的由空载到额定负载的过渡过程波形，MCSR的过渡时间大约是15个工频周期（0.3s），而TCSR的过渡过程是很快的，当控制好触发脉冲和电源电压的相位关系时（在电源电压达到正的峰值时触发晶闸管），可以实现一个稳态到另一个稳态的直接过渡，其间没有过渡过程。

显然，MCSR较TCSR需要长得多的过渡时间。

t （s）
工
作
电
流
标
么
值
（
p
u
）
t （s）
工
作
电
流
标
么
值
（
p
u
）
图4 MCSR稳态工作电流波形
t （s）
工
作
电
流
标
么
值
（
p
u
）
t （s）
工
作
电
流
标
么
值
（
p
u
）
图5 TCSR 稳态工作电流波形
t （s ）
工作电流标么值（p u ）
t （s ）
工作电流标么值（p u ）
图6 MCSR 空载到额定负载的过渡过程
t （s ）
工作电流标么值（p u ）
t （s ）
工作电流标么值（p u ）
图7 TCSR 空载到额定负载的过渡过程
总之，与SR 相比，MCSR 和TCSR 具有功率自动连续平滑调节的突出优点；与STC
相比，MCSR 和TCSR 本质上与普通变压器很类似，所以它们的制造技术可借用普通变压器的制造技术，工作条件和运行维护也没有特殊要求。

但是，MCSR 存在如下两个缺陷[5]：（1）、因为铁心的饱和而使MCSR 的工作电流中含有
不能允许的谐波成分；（2）、由于直流偏磁的存在，使MCSR 的电磁惯性大，响应速度慢。

TCSR 正是针对MCSR 的上述缺陷开始研制的，因此，对于TCSR 来说，除了具有MCSR 的优点以外，它的谐波电流更小，响应速度更快，功率损耗更小。

6 MCSR 和TCSR 的研究现状
6.1 MCSR
在国外，MCSR 的研究和开发工作主要集中在独联体国家，并取得了很大成绩。

据报道已有产品上市。

图1所示的电抗器是 MCSR 180/500: 3-Phase, 180 Mvar,
500kV ，它的主要作用有：
图.8 三相MCSR 180/500: 180 Mvar, 500kV
（1）自动补偿输电线容性充电无功；
（2）把过电压限制在额定电压的1.0%~2.5%； （3）由于电网传输无功功率的最小化，功率传输
损耗减少了15～20% ；
（4）数十倍减轻控制电路开关动作的频度。

图4所示为消弧线圈Single-Phase MCSR 自动消弧线圈，它的主要作用有：
图9单相MCSR 自动消弧线圈
（1）自动补偿中性点不接地电网的接地故障容性电流；
（2）防止单相接地故障向多相短路故障的扩展。

国内的武汉水利水电学院等研究单位从上世纪90年代初开始了对MCSR理论的跟踪研究，近几年已有实验样机（消弧线圈）的试运行。

6.2TCSR
俄罗斯学者Г. Н. Александров在1996年首次提出了TCSR的基本理论，并逐渐展开研究，目前还未见产品上市报道。

国内的西安交通大学等研究单位于进几年开始了TCSR的研究，并取得了一定的理论成果。

7应用前景
北美电力可靠性理事会在2001年5月指出，“国家正在面临或接近面临电网可靠性的危机。

”因此开始发展柔性交流输电系统（FACTS）。

FACTS的第一个特点就是可靠性。

在我国，由于发电站与大城市人口密集地相距很远，需要建立长距离高电压输电线，而且大量水电站的建设联网，电网负荷波动较大，因此电网可靠、安全、经济运行尤为重要。

所有这些，都希望电网时时处处达到无功平衡。

CSR功率连续可调以及结构坚固、造价低廉和维护方便的特点使其具有广泛的应用前景。

当然，CSR，尤其是性能更好的TCSR还处于研究开发阶段，但从其理论要求和技术储备来看，CSR的商业运行应该指日可待。

8结论
1、CSR具有功率自动连续平滑调节的固有特点，能在很短的时间内，从空载功率调节到额定功率，对于电网无功平衡，保证电网可靠、安全、经济运行具有重要作用；
2、MCSR是基于磁放大器原理工作的，它的研制工作已经取得了很大进展，但它具有谐波电流含量大和响应速度慢的缺点。

3、TCSR是在总结MCSR优缺点的基础上提出的，其本质上相当于副边绕组依次工作于短路状态的高短路阻抗多绕组变压器，因此除了具有MCSR的优点以外，TCSR的谐波电流更小，响应速度更快，功率损耗更小。

4、TCSR的研究目前还是本学科的前沿课题，在理论和实践方面都具有很大的先进性。

参考文献
[1]V.D.Golovchan，L.L.Dorozhko，V.M.Serokin。

Comparison of Controllable Reactor and Thyristor
Devices[J]。

Elektrotekhanika, 1994，Vol.65，No.1，pp.28-36
[2]G.N.Aleksandrov，V.A.Kashina，T.V.Lisochina。

Economic Efficiency of AC Power Transmission with
Controlled Shunt Reactors[J]。

Elektrotekhanika，1991，Vol.62，No.2，pp.6-11
[3]L. I. Dorozhko。

Controlled Electrical Reactors for Power
Systems [J]。

Elektrichestvo，1992，No. 10，pp.1-4 [4]K. Reichert，J.Kauferle，H. Glavitsch。

Controllable
Reactor Compensator for More Extensive Utilization of
High voltage Transmission Systems[J]。

International
Conference on Large High Voltage Electrical Systems，1974，Vol.2，pp.31-34
[5]G. N. Aleksandrov。

Controllable Shunting Reactor of
Transformer Type [J]。

Elektrotekhnika．1996，Vol.67，No.10，pp.54-61。