【電抗器常識(shí)】可調(diào)電抗器(磁控電抗器)的原理分析 可調(diào)電抗器(磁控電抗器)的原理分析
關(guān)于可調(diào)電抗器的原理分析，可以通過(guò)對(duì)帶氣隙變壓器的電壓方程分析得知，當(dāng)在變壓器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個(gè)與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流時(shí)，隨著注入電流的幅值的變化，變壓器的主磁通會(huì)發(fā)生連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)了變壓器的一次側(cè)阻抗的連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)。此新原理可用于故障電流限制，控制電力系統(tǒng)潮流，消弧線(xiàn)圈和TCSC(晶閘管控制串聯(lián)電容器)等領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)柔性輸電裝置中將有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此新原理的正確性。
1 引言
為了提高電網(wǎng)的輸電能力，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，補(bǔ)償無(wú)功，電力系統(tǒng)中需要采用一個(gè)具有可變阻抗的電抗器。現(xiàn)有的可調(diào)電抗器大致可以分為如下幾種方案[1~3]：① 調(diào)節(jié)電抗器抽頭;② 調(diào)節(jié)電抗器氣隙;③ 直流助磁式;④ TCR(晶閘管控制電抗器)、TCSC中采用調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角的方式。在這幾種方案中，采用調(diào)節(jié)電抗器抽頭方案成本很低，調(diào)節(jié)方便，但電感量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)電抗器氣隙方案電感量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，但是需要較為精密的機(jī)械傳動(dòng)裝置，響應(yīng)慢，噪聲也很大;而采用直流助磁式方案通過(guò)調(diào)節(jié)直流激磁電流的大小改變交流等值磁導(dǎo)從而實(shí)現(xiàn)電感連續(xù)可調(diào)，其響應(yīng)速度快，但長(zhǎng)期正常運(yùn)行時(shí)，鐵心處于磁飽和狀態(tài)、損耗大、噪聲大，諧波較大，而且要通過(guò)磁飽和使電抗器勵(lì)磁阻抗變得很小是很難的;在TCR、TCSC方案中，由于采用晶閘管調(diào)觸發(fā)角的方式改變電感量，因此必然產(chǎn)生諧波污染[4]。
本文提出了一種基于磁通可控的可調(diào)電抗器的新原理，通過(guò)在帶氣隙變壓器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個(gè)與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流，改變變壓器的二次側(cè)注入電流的大小便可實(shí)現(xiàn)變壓器主磁通的連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)阻抗的連續(xù)可調(diào)。與現(xiàn)有的可調(diào)電抗器相比，當(dāng)變壓器中帶有氣隙時(shí)，該基于磁通可控的可調(diào)電抗器沒(méi)有飽和現(xiàn)象，不產(chǎn)生諧波并可以實(shí)現(xiàn)電抗值的無(wú)級(jí)可調(diào)。
2 磁通可控的可調(diào)電抗器原理
如圖1所示，設(shè)在一帶氣隙串聯(lián)變壓器鐵心上一次側(cè)繞組AX的匝數(shù)為W1，二次側(cè)繞組ax的匝數(shù)為W2，則一次側(cè)與二次側(cè)的匝比k =W1/W2。若將此變壓器的一次側(cè)AX串聯(lián)接在電網(wǎng)和一個(gè)負(fù)載之間，則在其一次側(cè)便有電流i1流過(guò)。通過(guò)檢測(cè)變壓器一次側(cè)電流i1，并采用一個(gè)電壓型逆變器跟蹤此電流從而產(chǎn)生一個(gè)電流i2，將i2反相位注入變壓器的二次側(cè)，則此變壓器即為圖1所示的雙邊勵(lì)磁的串聯(lián)變壓器。此雙邊勵(lì)磁的串聯(lián)變壓器的T形等效電路如圖2所示(i2折算到變壓器一次側(cè)后為 )，其中：Z1=r1+jx1是一次側(cè)AX線(xiàn)圈的漏阻抗; 為變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的漏抗;Zm=rm+jxm為變壓器勵(lì)磁阻抗?
當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，鐵心中建立了 的空載磁勢(shì)，由此空載磁勢(shì)產(chǎn)生的主磁通ΦmN，該主磁通在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)?其中 a為一實(shí)數(shù)，且0≤a≤1。
從式(5)可知，由AX端看進(jìn)去，變壓器呈現(xiàn)的阻抗為一可變量，其大小與a 滿(mǎn)足一定比例關(guān)系。因此通過(guò)調(diào)節(jié)a 的大小，可改變變壓器二次側(cè)的磁勢(shì)，從而改變了變壓器鐵心中的主磁通，變壓器的一次側(cè)也會(huì)呈現(xiàn)一無(wú)級(jí)可調(diào)阻抗。該原理可用于現(xiàn)行的很多FACTS(柔性輸電系統(tǒng))裝置和消弧線(xiàn)圈中，例如：在UPFC(統(tǒng)一潮流控制器)[5]和TCSC(晶閘管控制串聯(lián)電容器)[3]中，只須連續(xù)改變系統(tǒng)阻抗便可以控制線(xiàn)路潮流;在FCL(故障電流限制器)中，正常運(yùn)行時(shí)令a =1，可調(diào)電抗器呈現(xiàn)很小的一次側(cè)漏阻抗，對(duì)系統(tǒng)基本沒(méi)有影響，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)一定控制立即令a =0，該可調(diào)電抗器為勵(lì)磁阻抗，從而將故障電流限制在一定范圍內(nèi);這些都可以根據(jù)該基于磁通可控的可調(diào)電抗器新原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。因本方案通過(guò)變壓器的主磁通往下調(diào)且?guī)в锌諝庀叮虼嗽摽烧{(diào)電抗器沒(méi)有飽和現(xiàn)象，而且在實(shí)現(xiàn)阻抗連續(xù)可調(diào)時(shí)不產(chǎn)生任何諧波。
3 磁通可控變壓器的兩種特殊情況
4 實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)及控制方式
為了證明上述原理的正確性，本文設(shè)計(jì)了一套基于磁通可控的可調(diào)電抗器原理電路如圖5，一串聯(lián)變壓器的一次側(cè)AX串聯(lián)接在電力系統(tǒng)和一阻性負(fù)載Rd之間，Us為電網(wǎng)的電壓，Ls為電力系統(tǒng)的等效內(nèi)阻。變壓器的二次側(cè)ax和一個(gè)電壓型逆變器接在一起，此逆變器用于產(chǎn)生一個(gè)磁通補(bǔ)償電流。Ud 為逆變器的直流側(cè)電壓，Ld 和 Cd用于抑制逆變器產(chǎn)生的高頻紋波。檢測(cè)電路和整個(gè)控制電路用于產(chǎn)生一個(gè)與變壓器一次側(cè)電流頻率相同，相位相反的補(bǔ)償電流。
電壓型PWM逆變器的電流控制方式一般有3種[6]，本文選擇了滯環(huán)電流控制這種目前應(yīng)用最為廣泛而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單的電流控制方法，它將補(bǔ)償參考電流與逆變器的輸出電流進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際電流大于給定值，則通過(guò)改變逆變器中對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使實(shí)際電流減小;反之，若實(shí)際電流小于給定值，則通過(guò)改變逆變器中對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使實(shí)際電流增大。滯環(huán)電流控制對(duì)負(fù)載和系統(tǒng)參數(shù)變化具有強(qiáng)魯棒性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
本文根據(jù)磁通可控的可調(diào)電抗器的原理電路圖5設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置。其中，變壓器的變比為1:1，勵(lì)磁阻抗Zm為16.309W，一次側(cè)漏阻抗Z1為0.088 W，負(fù)載Rd取為10.1 W。系統(tǒng)電壓為150V，直流電壓為240V，開(kāi)關(guān)器件為SEMIKRON公司的NPT型 IGBT SKM300GB123D。通過(guò)調(diào)節(jié)注入變壓器二次側(cè)電流的大小，使a 在0到1之間變化，測(cè)量變壓器一次側(cè)的電壓UAX和電流I1，則可計(jì)算出變壓器一次側(cè)的等效阻抗ZAX=UAX /I1，其結(jié)果如表1。 |
