磁控式动态无功补偿装置技术原理、优势及适用行业

磁控式动态无功补偿装置技术原理、优势及适用行业摘要无功补偿有多种形式，基于MCR的动态无功补偿是其中较为先进的一类，磁控电抗器（MCR）利用直流励磁原理，采用小截面磁饱和技术通过调节磁控电抗器的磁饱和度，改变其输出的感性无功功率，中和电容器组的容性无功功率，实现无功功率的连续可调。

该系统装置具有较高的安全性，运行稳定可靠。

与其他类型的无功补偿装置对比。

此类补偿装置与其它类型的无功补偿装置的区别主要在于磁控电抗器（MCR），因此，该文重点讲述了MCR的基本原理和技术优势，与它类型的无功补偿装置做了技术比较，预测了MSVC技术的发展前景。

关键词：MCR；直流励磁；可控硅；无功功率引言目前，无功补偿的主要装置是电容器、电抗器和少量的动态无功补偿装置。

开关（断路器）投切电容器的调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果。

开关投切电容器所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。

20世纪80年代以来，基于相控电抗器（TCR）的静止型动态无功补偿器（SVC）在电力系统中投入实际运行。

但由于其投资昂贵，难以推广。

20世纪末，因具有价格便宜、维护方便等优点，基于磁阀式可控电抗器（MCR）的SVC，相继在一些国家电网投入运行，并展示了它的优越性。

磁控电抗器（MCR）型SVC（简称MSVC）装置利用直流励磁原理，采用小截面磁饱和技术通过调节磁控电抗器的磁饱和度，改变其输出的感性无功功率，中和电容器组的容性无功功率，实现无功功率的连续可调。

一、MSVC装置的基本结构：MSVC装置由补偿（滤波）支路和磁控电抗器（MCR）并联支路组成，其中补偿（滤波）支路经隔离开关固定接于母线，通过调节磁控电抗器的输出容量（感性无功功率）实现无功的柔性补偿。

因与其它各类补偿装置的主要区别在于磁控电抗器，故下面集中对磁控电抗器（MCR）作介绍。

图1动态无功补偿装置（MSVC）一次系统图二、磁控电抗器（MCR）2.1基本工作原理磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁芯，改变铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。

图2单相磁控电抗器铁芯、线圈示意图磁控电抗器采用小截面铁芯和极限磁饱和技术，单相四柱铁芯的电抗器结构如图2所示，在中间套有线圈的两工作铁芯柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，大截面段始终工作于未饱和线性区，仅有小截面段铁芯磁路饱和，而且饱和程度很高。

图3为铁芯理想磁化曲线示意图曲线中间部分为未饱和线性区，左右两边为极限饱和线性区。

若使电抗器工作在极限饱和线性区，不仅可以减少谐波含量，同时亦能大幅降低铁芯磁滞损耗，电抗器铁损控制在理想状态。

图3铁芯磁饱和特性2.2原理接线图磁控电抗器控制原理接线图如图4所示。

在磁控电抗器的工作铁芯柱上分别对称地绕有两个线圈，其上有抽头，他们之间接有可控硅T1、T2，不同铁芯的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管D 接在两个线圈的中间。

K N 2N 2N2图4磁控电抗器原理接线图当磁控电抗器主绕组接至电源电压时，在可控硅两端感应出1%左右的系统电压。

在电源电压正半周触发导通可控硅T1，形成图5（a ）所示的等效电路，在回路中产生直流控制电流；在电源电压负半周触发导通可控硅T2，形成图5（b ）所示的等效电路，在回路中产生直流控制电流。

两个可控硅在一个工频周期轮流触发导通，产生直流控制电流，使电抗器工作铁芯饱和，输出电流增加。

磁控电抗器输出电流大小取决于可控硅控制角，控制角越小产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁芯磁饱和度越高，输出电流越大。

因此，改变可控硅控制角，可平滑调节电抗器容量。

由上分析可知，磁控电抗器具有自耦励磁功能，省去了单独的直流控制电源。

（a）T导通（b）2T导通1图5可控硅导通等效电路2.3技术特性2.3.1谐波特性磁控电抗器产生的谐波比相控电抗器（TCR）小50%。

如图6所示，图中横坐标为电抗器输出基波电流标幺值，基准值为额定基波电流，纵坐标为电抗器产生谐波标幺值，基准值为额定基波电流。

可见最大3次谐波电流为额定基波的7%左右，5次谐波电流为2.5%左右。

图6磁控电抗器谐波电流分布2.3.2伏安特性磁控电抗器伏安特性如图7所示，可见，在一定控制导通角（等于180度-触发角）下，磁控电抗器伏安特性近似线性。

图7磁控电抗器伏安特性2.3.3控制特性磁控电抗器控制特性图8所示，图中横坐标为可控硅控制角度，纵坐标为电抗器在额定电压下的基波电流幅值标幺值，基准值为额定基波电流幅值。

由图可见，磁控电抗器输出电流（容量）随控制角增加而减少。

图8磁控电抗器控制特性2.3.4响应时间图9示出磁控电抗器5%抽取比时，从空载到额定或从额定到空载的电流过渡波形，时间为0.3秒。

图9磁控电抗器调节过渡过程波形2.4技术优势2.4.1可靠性2.4.1.1磁控电抗器不需要外接直流励磁电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制。

2.4.1.2通过控制可控硅的控制角进行自动控制，实现容量连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，因此可以真正实现柔性补偿。

2.4.1.3网侧绕组不需要抽头，所有绕组的连接也很简单，保证高压或特高压磁控电抗器的可靠性。

2.4.2安全性：2.4.2.1与TCR相比，MCR仅仅需要一只二极管、两只可控硅，可控硅两端电压只有系统电压的1%-2%，无需串、并联，不容易被击穿，运行稳定可靠。

2.4.2.2可控硅整流控制产生的谐波不流入外交流系统，无二次谐波污染。

2.4.2.3即使可控硅或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器，不影响系统其他装置的运行。

2.4.2.4接入三相系统的MCR采用△连接，并不是将磁控电抗器取代滤波电容器中的串联电抗器，因此与电容器不会产生谐振。

当MCR容量与电容器容量相等时，发生并联谐振，等效阻抗为无穷大，相当于从系统中断开。

2.5经济优势2.5.1采用低电压可控硅控制，设备投资少，后期免维护。

2.5.2在相同电压下可提高30%的输电容量，降低输电线路的损耗。

2.5.3可取消自耦变压器第三绕组以及补偿电容器，工程总造价降低。

2.5.4磁控电抗器结构简单、占地面积小、基础投资大大压缩。

2.5.5MSVC自身有功损耗低，仅为TCR的50%。

三、补偿技术比较3.1典型技术比较表3.2 TCR型SVC的特点：电感平衡部分的结构一般是由可控硅、平衡电抗器、控制设备及相应的辅助设备组成，其优缺点大致表现在以下几个方面：3.2.1 TCR型SVC调节速度很快，可以在毫秒时间内补偿系统的感性需求。

具有快速抑制电压波动，节约能源，能平滑的控制无功负荷的允许波动，负荷稳定等优点。

3.2.2晶闸管要长期运行在高电压和大电流工况下，容易被击穿。

3.2.3晶闸管发热量大，一般情况采用纯水冷却，除了要有一套水处理装置可靠的水源而外，还需配有监护维修人员。

3.2.4由于调整主电抗电感量只能靠控制可控硅器件的导通，关闭则需靠交流电的过零特性，所以必然会产生不同程度的谐波电压污染电网。

3.2.5需要较大的设备安装和运行工作位置，即占地面积很大。

3.3 MCR型SVC的特点：3.3.1磁控电抗器控制部分的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几的水平上，由于是在控制磁阀的饱和度，所以无需很大的控制功率，晶闸管工作在低电压小电流的工况下，大大提高了系统的稳定运行系数。

3.3.2磁控电抗器本体就像一台变压器，可以采用不同的冷却方式，在35KV电压等级以下均采用风冷和油冷两种自然冷却方式，所以没有辅助冷却设备，可以为无人值守的变配电系统配套使用。

3.3.3由于可控部分工作在直流运行方式，所以不会产生谐波电压，近乎于TCR型所产生谐波量一半以下的谐波是因为磁化的非线性过程造成的。

3.3.4磁控电抗器的缺点是反应速度比TCR型要慢，在0.3秒以上，与饱和速度成反比。

3.3.5磁控电抗器免维护、占地面积小、安装方便。

二、高压动态无功补偿装置（SVC）适用行业、场合：1、钢铁、冶金、石化行业：钢厂的轧钢机：大容量无功冲击，变化频繁快速，功率因数很低，会导致母线压下降很厉害，严重时会导致跳闸，严重影响正常安全生产和其它用电设备的运转设施损坏。

MCR型SVC可以完全解决以上问题，可以快速响应，提高功率因数到0.98以上。

炼钢厂的电弧炉、钢包精炼炉：都是采用电弧发热的原理，在进料时负载波动很大，导致电压不稳定，功率因数低，谐波大。

MCR型SVC 可以快速响应、平滑动态及时补偿无功波动，并且可以设置2、3、4、5、6次谐波滤波通道，把谐波含量限制在国家标准规定范围内。

化工冶炼厂的电解炉、感应炉等设备：工作时对电网产生的严重无功冲击、电压波动、低功率因数、谐波污染、三相不平衡等不良影响。

MCR 型SVC加FC滤波电容可补偿和谐波滤波治理，使其满足国家标准。

稳定电压，提高功率因数。

2、电气化铁路：电气化铁路中的大容量牵引变电站，电气化列车运行通过时产生大容量的，由于电气化列车通过后负荷变小，这样车来车往，无功波动频繁，且伴随有谐波污染、三相不平衡等问题。

MCR型SVC加FC滤波电容可补偿和谐波滤波治理，使其满足国家标准。

稳定电压，提高功率因数。

3、风力发电厂：由于风电场风力变化频繁的自然特点，导致风力发电机功率因数的波动很频繁。

目前应用较广泛的风力（含双馈型）发电机，需要吸收一部分感性无功来建立磁场，可以通过并联电容器来满足，但是普通投切型固定容量补偿电容器不能满足风机随风力变化的频繁无功波动的要求，有时在电容器满足不了的情况下风机会向电网吸收无功功率，导致上级电网功率因数降低，电压也会波动。

MCR型SVC可以动态快速响应，平滑线性补偿，降低无功损耗稳定电压，使其满足电网公司的标准4、煤矿、船厂、港口大型提升机：MCR型SVC可以提高中大型提升机等用电设备引起的低功率因数，抑制谐波。

大型煤矿主要的问题是系统启动的无功冲击很大，产生危害系统运行安全的谐波电流，导致系统运行效率降低，能源消耗巨大。

MCR型SVC通过补偿系统的功率因数，抑制电压波动和闪变，滤除谐波电流，能有效解决上述问题，大大提高了系统效率保证了系统用电的安全与可靠。

5、超、特高压长距离输电网络：在长距离输电线路中，导线会对地放电形成对低容性电流，结果会导致线路末端电压上升。

在特高压和长距离输电线路中，沿线产生的容性功率与线路长度和电压的平方成正比增长，这样产生的对地容性电流功率是惊人的。

导致线路末端电压升高1.5-2倍，会造成严重的后果。

一般会在线路上并联电抗器，来补偿对地放电引起的容性电流，降低线路末端电压偏高的问题。

但是如果安装的固定容量的并联电抗器，在线路负荷端用电量增大的情况下，感性负荷也会产生感性电流，这时感性电流就会变大，超过线路补偿对地容性电流的需求量，就要把固定并联电抗器切除下来。