磁控电抗器

2.1.2 MCR研究的现状和应用情况
MCR是基于美国人E.F.W.Alexandra在1916年发表的在 磁通放大器的研究基础之上发展的。随着高磁感应强度以 及低损耗的晶粒取向钢片的出现，对磁通放大器和饱和电 抗器的理论及应用达到了一个新的水平。1955年，通用电 气公司成功制造了世界上第一台100Mvar/6.6kV的MCR， 但是这台MCR的弊端是产生巨大的损耗以及调节速度缓 慢。1986年，前苏联专家A.M.Bryantsev提出了新型结构M CR，第一次提出了电磁阀的概念。基于这个理论，电抗 器的性能得到大大的改善，MCR的研究得到了突破 。
2.2.2 磁控电抗器的实现原理
图2.3 磁控电抗器原理图 图2.3(a)为磁控电抗器结构图，图2.3(b)为相应的原理图。磁控电抗器的主铁芯分 裂为两半(即铁心1和铁心2)，截面积为Acore，每一半铁心截面积具有减小的一段， 四个匝数为N/2的线圈分别为对称地绕在两个半铁心柱上(半铁心柱上的线圈总匝数 为N)，每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为a=N2/N的抽头，它们之间接有晶 管T1(T2)，不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管 则横跨在交叉端点上。在整个容量调节范围内，只有小面积段的磁路饱和，其余段 均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。
图2.4 晶闸管导通时可控电抗器等效电路图
图2.5 K1、K2导通时等效电路图
2.2.3
磁控电抗器的工作状态
根据上图的磁阀式可控电抗器原理，磁阀式可控电抗器的晶闸管K1、晶闸管 K2及二极管D的可能导通情况，可以列出一下5种状态： (1) K1导通、D截止、K2截止； (2) K1导通、D导通、K2截止； (3) K1截止、D导通、K2截止； (4) K2导通、D截止、K2截止； (5) K1截止、D导通、K2导通； 总结5种状态，磁阀式可控电抗器在正弦电压的作用下，K1 、K2 、D轮流 导通的情况如下图2.6所示：
图2.6 磁阀式可控电抗器的工作状态变化图
下图为磁阀式可控电抗器等效电路：
2.2 磁控电抗器的工作原理
2.2.1 磁控电抗器的结构 磁阀式可控电抗器根据电压等 级和容量大小不同可划分为高压小 容量，高压大容量以及超高压大容 量三种基本结构形式。在本文中以 10KV的电压等级电网为例，电抗 器容量比较小，在这种低压等级下， 采用主线圈与控制线圈合二为一， 以简化结构和减小损耗。为获得所 需的输出电流和减小谐波，电抗器 铁芯采用分段布臵的小截面段，工 作时，小截面段饱和，大截面始终 处于未饱和状态，铁芯结构为图 2.1
在现有的无功补偿装臵中，早期的典型代表是同步调相机，它能对无功功率 进行动态补偿，同时具有快速的过载能力，但由于其运行噪声大、维护费用高， 从总体上说这种补偿手段已显陈旧。并联电容器的成本较低，但其只能补偿固 定的无功功率，且无过载能力。静止无功补偿装臵（SVC）在近年获得了较大 的发展，典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（FC+TCR）和晶闸管投 切电容（TSC），SVC 的重要特性是它能连续调节补偿装臵的无功功率，且响 应速度快，但由于TCR采用相控原理，故产生较大谐波，TSC只能分组投切， 需和TCR配合才能实现连续调节。现代静止无功发生器（SVG）和有源电力滤 波器（APF）等补偿装臵，通过不同的控制策略，可以实现对电力系统谐波、 无功和负序电流进行综合电能质量动态调节，正在工业系统中逐步进行实用化 研究，然而在高压系统中，这种装臵的广泛应用却受到了目前电力电子元器件 电压水平和容量水平以及价格因素的制约。对于我国乃至国外未来的电力系统 而言，无功补偿装臵的设备选型问题，技术经济性仍然是一个主要考虑的问题。
随后，60Mvar/500kV,25Mvar/110kV ，100Mvar/220kV,18 0Mvar/330kV和180Mvar/500kV的MCR分别在1989， 1999，2000，2003和2005年投产并运行成功。国外俄罗斯 学者也在MCR方面进行了深入的研究，取得了显著的进展， 其可应用于直至1150kV的任何电压等级。俄罗斯电工研究 院及相关企业已经设计制造了50多台35～500kV不同类型 的MCR。主要业绩有：赤塔电站(俄罗斯)电压等级为220k V、容量为l00MVA的三相MCR于2002年投入运行；巴拉 诺维奇电站(白俄罗斯)电压等级为330kV、容量为180MVA 的三相MCR于2003年投入运行；西伯利亚(俄罗斯)电压等 级为500kV、容量为180MVA的三相MCR于MCR 2005年投 入运行。从而MCR在独联体国家的电网中发挥了重要作用。
由图2.3(b)的电路图可知，若晶闸管K1、K2不导通，由绕组结构的对称性可知 可控电抗器与空载变压器相同。当电源e处在正半周期时，晶闸管K1承受正向电 压， K2承受反向电压。若K1触发导通(a、b点电位相等)，电源e经变比为d的线圈 (N/2)自耦变压后由匝数N2的线圈向电路提供直流控制电压和电流iKˊ、 iK〞 。不 难得出K1导通时的等效电路，如图2.4(a)所示。同理，若K2在电源的负半周期导 通(c、d电位相同)，则可得出图2.4(b)所示的等值电路。由图可见，K1导通所产生 的控制电流方向与K2导通时所产生的一致，也就是说在电源的一个工频周期内， K1、K2的轮流导通起了全波整流的作用，而二极管D的作用是续流。与一般的可 控整流原理一样，其有利于晶闸管K1、K2的关断，提高整流效率。
第二章 磁阀式电抗器
2.1 磁控电抗器在国内外研究概况
2.2 磁控电抗器的工作原理
2.3 磁控电抗器的控制策略 2.4 基于ADuC7026和ADSP21992的MCR控制器 2.5 结束语
2.1 磁控电抗器在国内外研究概况
2.1.1 MCR研究的现实意义
随着电力工业的飞速发展，人们生活水平的普遍提高，超高压、特高 压电网相继投入运行，对供电质量及可靠性的要求越来越高。因此产生了 一系列的新问题：超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量的无功 功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。 电网中效益和改善供电质量十分重要。根据电力工业的现状和发展，新型 无功补偿装臵的研的无功平衡对提高全网经济制和应用是我国当前电力系 统需要着重解决的重大关键技术课题。 特别是近年来，铁路进行了大规模的电气化建设。其牵引电网具有的功 率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点，对电网电能质量污染严重， 因此必须采取措施治理。而目前常用的固定容量并联电容器组和LC 滤波 器等无源设备,不能根据负载情况灵活地调节补偿容量,无法有效解决现代 化高速、重载机车带来的问题。
目前世界上最主要的MCR制造商有独联体可控电抗器 集团(Controllable Electfic Reactors Consortium of Russia & the Commonwealth of Independent States (CIS)，CERC)，在 美国建立了网站(http://www.cerc-reactors.com)进行宣传； 俄罗斯表示将会用MCR全部取代TCR；美国电力科学研究 院(EPRI)于2002年9月宣布推广MCR技术在国内的应用， 并给予经费资助；印度和巴西等国也表示出对MCR的极大 关注。为满足电力系统结构不断升级的要求，相信随着我 国特高压电网建设时代的到来，MCR在我国也将具有广阔 的应用前景。
磁阀式可控电抗器由于其制造工艺简单 ,成本低廉 , 容 量连续可调、适用高电压，可直接用于直到1150kV的任何 电压等级的电网中，对于提高电网的输电能力 ,调整电网 电压 ,补偿无功功率 ,以及限制过电压都有非常大的应用潜 力。因此对其进行认真的研究和设计研制总结具有十分重 要的工程实际意义。特别是在电气化铁路无功补偿系统中， 利用磁阀式可控电抗器建立的动态无功补偿系统与现有的 常用无功补偿系统方案相比，具有很多突出的优点。同时 利用磁阀式可控电抗器构建的电气化铁路电能质量调节系 统，还可对电气化铁道的无功、谐波及负序电流进行综合 治理，这对于保证电力系统正常运行和提高铁路部门的经 济效益都具有十分重要的意义。
目前有动态补偿装臵如晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactors，TCR)不仅价格昂贵，而且占地面积 大、结构复杂，不能推广。由于TCR可控硅处在设备的高 压侧，故不能直接用于电压等级高的电网，需经变压器降 压使用。 而MCR采用自耦励磁和极限磁饱和先进技术，较TCR 和变压器型可控电抗器(CRT)具有输出谐波小、结构简单、 可靠性高、价格低廉、占地面积小等显著优点，是超高压 和特高压电网理想的动态无功补偿装臵。又由于在特高压 长距离输电线路中使用MCR对于限制过电压以及实时补偿 系统的无功功率、提高线路的输电能力、调整线路电压、 显著减少线路空载(轻载)损耗，提高电网可靠性和优化电 网运行状况的功能等方面都有非常大的潜力。所以MCR必 将在我国超/特高压输电线路中得到广泛应用。
改变晶闸管K1、K2的触发导通角就可以 改变控制电流ikˊ、ik〞的大小，从而改变铁 心的磁饱和度，平滑调节可控电抗器容量。 由图2可知，匝数N1/2的线圈中流过的电流 分为两部分：直流控制电流ikˊ、ik〞 、工 作电流iˊ、i〞(约为i的一半)。直流控制电 流ikˊ、ik〞流过两个匝数为N1/2的线圈(串 联)，所产生的控制磁通在两个铁心内自我 闭合，工作电流iˊ、i〞流过上下两组串联 的绕组，所产生的交流工作磁通通过两个并 联铁心和另一铁心闭合，具体电路图如图 2.5所示。显然，磁阀式可控电抗器的工作 与控制绕组合并为一个，这有利于减少损耗， 简化结构。
国内对MCR的研究始于上世纪90年代，各种电压等级 的MCR得到迅速发展，35KV电压等级的MCR在铁路，钢 铁厂和电力系统中得到了广泛的应用。武汉大学对MCR的 研究开展得较早，已成功地研制出磁控式动态无功补偿装 臵和消弧线圈，运行效果良好。上海交通大学，华北电力 大学等院校对直流可控电抗器进行了研究，浙江大学等对 交流可控电抗器进行了较为细致的研究。2007年9月29日， 由中国电力科学研究院、华东电力设计院、特变电工沈阳 变压器集团、西电集团等相关单位联合攻关自主研发的国 内首台首套500kV MCR—江陵站可控高抗的全部调试工作 顺利结束，与右荆(峡江)II回线路同时进入24小时试运行， 标志着我国已经掌握了MCR的核心技本，达到国际先进水 平。
图2.1 磁控电抗器结构图
为了便于分析，参考以下的磁路系统图
图2.2 磁ຫໍສະໝຸດ Baidu电抗器的磁路系统图
如图2.2所示，电抗器铁心磁路由大面积Acore(长度为l-Lt)和小面积段AFe(长度为Lt) 串联而成。因为在磁阀式可控电抗器的整个容量调节范围内，大面积段铁心的工 作状态始终处于磁特性的未饱和线性区，其磁阻相对Lt段铁心很小，故予以忽略。 因此磁路系统可简化为图2.2(a)中的形式。由图可见磁阀式可控电抗器的磁路呈 “阀式”结构，当面积为AFe的小截面段铁心完全饱和时，相当于磁阀门全部关闭， 磁阻最大，此时整个磁路犹如面积为Acore，长度为Lt的磁阀。当面积为AFe的小截 面铁心段处于不饱和线性区时，磁阻十分小，磁力线几乎完全从中通过，磁阀门 完全打开。图2.2(b)(c)分别为上述两种情况的示意图。在其它情况下，磁力线将有 一部分通过面积为Acore-AFe的空气隙；另一部分磁力线通过小截面段铁心。前者磁 阻为线性，后者磁阻则为非线性。所以磁控电抗器的磁路由两个并联的磁阻组成， 如图2.2(d)所示。图中F为磁路磁势，Rq为空气隙部分磁阻：Rq=Lt /m0( Acore-AFe)， (m0为空气磁导率)，Rt为小截面段铁心磁阻：Rt=Lt /mAFe(m为铁心平均磁导率)。对 应的磁通为F=AFeB，磁化曲线为：H=f(B)。