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 2

N 2

N

2

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。