磁阀式可控电抗器原理及应用

磁阀式可控电抗器原理及应用

研发部范少春

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。而无功补偿技术是电压控制的重要方法之一。

交流电网输出的功率包括两部分：有功功率和无功功率。有功功率是指直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能或化学能，利用这部分能量作功。而无功功率则是指为建立交变磁场所需要的电功率，这部分电能并不做功。

1.无功补偿目的

供电部门对电网的期望是安全稳定、输电能力好。工业用户的期望则是提高用户侧电能质量、提高用电效率和降低电能损耗。然而大型电力电子装置、非线性电力电子器件、大型冲击性负载（如轧机、电弧炉等）、铁磁饱和型设备（如变压器、电抗器等）、电弧型设备（各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机等）、新能源接入（风电等）等的应用，造成电网的电压波动、闪变，产生大量的谐波，导致功率因数低、三相不平衡等。同步发电机是电力系统中最基本的有功和无功电源（额定功率因数为0.85～0.9，即每发出100kW有功就要发出62～48kvar无功）。输电线路是一个被动的无功电源（主要在超高压电网影响显著）。然而由于无功消耗源的分散性，如果仅仅依靠发电机集中提供无功电源，将造成无功功率的长距离传输，将加大有功损耗和电压降落；因此，国家统一规定了各分散点电压、频率偏移幅度的容许范围，谐波允许范围，功率因数奖惩制度等，使得供电部门和用户需要分散性地配置各类无功补偿装置，如同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器等。

1）对电力系统

随着空调负荷的增长，特别是各类电力电子负荷的快速增加，配电网络无功波动变化率越来越大，谐波影响也越来越明显，极大地影响了供电质量。而各类民用、工业设备对供电电压、系统谐波等要求日趋严格，对供电质量的要求越来越高。因此，在配电网中也存在应用SVC装置的客观要求：一是就地补偿各类动态无功负荷变化；二是抑制无功变化引起的电压波动和闪变；三是消除谐波；四是通过分相调节，补偿三相不平衡度。

在高压、超高压输电系统中应用无功补偿装置则着力于提高通道输送容量、增强暂态稳定性、抑制低频振荡、控制电压波动、缓解次同步谐振、改善直流输电系统性能、限制工频过电压等作用。

综合起来说，对电力系统而言，无功补偿有以下五个目的：

A. 保持系统稳定的同时提高输电能力，增加电网的输电容量，抑制电压波动和电压闪变；

B. 改善负荷的相间平衡，在重复出现大负荷或事故情况下提高电力系统的稳定性；

C. 对负荷变化时提供可快速变化调节的无功功率补偿，提高功率因数，降低网损；

D. 和滤波器并联使用，滤除高次谐波和抑制谐披引起的电网电压畸变；

E. 在长距离输电系统中，阻尼系统振荡，提高阻尼极限，消除系统的功率震荡。

2）对工业用户

对工业用户而言，无功补偿也有以下五个目的：

A. 稳定端点电压（防止电压过高或过低），提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命，抑制电

压波动和闪变，提高用户电能质量；

B. 提高功率因数，降低网损，降低无功损耗，节省电费开支；

C. 消除谐波污染，提高系统安全系数，延长设备寿命，减少设备运维费用；

D. 降低异步机启动、电弧炉运行等对本地电网的冲击，提高系统安全性；

E. 降低电压不平衡度、减少负序干扰。

2.磁阀式可控电抗器原理与特点

无功补偿技术的可分为传统无功补偿装置和静止型动态无功补偿器（SVC）。

传统无功补偿装置包括同步调相机、固定电容器或固定电抗器等。同步调相机经常运行在过励状态，励磁电流较大，损耗也比较大，发热比较严重，容量较大的同步调相机常采用氢气冷却。传统无功补偿装置由于响应速度慢、调节性能差、运行维护和管理不便、长年运行损耗过大、自动监控跟踪性能差以及对整个电网的技术效益和经济效益都偏低等，并且国产电容器质量的上升及电力电子器件的成熟应用，传统无功补偿方式现已逐渐退出历史舞台。据统计，上世纪80年代初调相机安装比重（调相机/(调相机+电容器)）为20%左右，到80年代后期已降至10%左右。

SVC是由电容器和电抗器组合而成的补偿设备，由于其各分组的电抗器和/或电容器能快速、连续地调节无功输出，故而是一种静止的、动态的无功补偿装置。自上世纪70年代兴起以来，随着电力电子技术的极大进步，SVC已经称为一种十分成熟的柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System, FACTS）装置，不但被用于动态无功和电压调节，还可获得诸如提高系统阻尼、增强电网稳定性等其它效益。磁阀式可控电抗器属于SVC中的一类，是一种基于晶闸管控制的静止的、动态的、快速的无功补偿设备。

2.1.基本原理

磁阀式可控电抗器，简称磁控电抗器（MCR），是基于磁放大器原理来工作的，它是一种交直流同时磁化的可控其饱和度的铁芯电抗器，工作时，可以用极小的直流功率（约为电抗器额定功率的0.1%～0.5%）来改变控制铁芯的工作点（即铁芯的饱和度或者说改变铁芯的导磁率μ），来改变其感抗值，从而达到调节电抗电流的大小并平滑调节无功功率的目的。其突出的优点是：稳定、可靠、体积小、成本较低、控制灵活、维护管理简便。

图 1 磁控电抗器的原理示意图及工作时的磁化曲线

图 2 磁控电抗器工作原理图

如上图所示，磁控电抗器的主铁心分裂为两半（即铁心1和铁心2），截面积为A,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δ=N2/N的抽头，它们之间接有晶闸管K1(K2),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。MCR制造工艺简单，结构稳定，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。

图 3 MCR电路结构图

由上图可以看出，若K1、K2不导通，根据绕组结构的对称性可知，MCR相当于一个空载变压器。假设电源e处于正半周，晶闸管K1承受正向电压，K2承受反向电压。若K1被触发导通（即a、b两点等电位），电源e经变比为δ的线圈自耦变压后由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压（δEm sinω

t）和电流iy′、iy′′。不难得出K1导通时的等效电路如下图(a)所示。同理，若K2在电源的负半周导通（即c、d两点等电位），则可以得出如下图(b)所示的等效电路。