（控制科学与工程专业论文）可变电抗器建模与仿真.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的发展，电力系统的系统稳定，电能质量越来越重要。可变 电抗器作为电抗器的一个重要分支，用于电压控制和无功补偿，可以提高系统 稳定和改善电能质量。可变电抗器在电机起动等冲击电流场合有抑制电压波动 的作用，还可以应用在配电网的静止无功补偿中，其应用范围相当广泛。 基于功率变换的可变电抗器是由可变电抗变换器和电力电子功率变换器两 部分组成，它在传统电抗器中引入二次线圈，其二次线圈与电力电子功率变换 器连接，通过智能控制器控制电力电子功率变换器。当改变可变电抗变换器二 次侧的阻抗时，就可改变可变电抗变换器的一次侧阻抗，从而实现可变电抗器 的阻抗改变。 如何能实现可变电抗的连续可变，需要研究可变电抗器的构成和其拓扑结 构，从数学建模的角度分析可变电抗的原理，通过仿真研究得出阻抗变换和谐 波分析两方面的仿真数据和仿真曲线，验证可变电抗器原理的正确性和有效性。 本文主要介绍了晶闸管式( s c r 式) 可变电抗器和i g b t 式可变电抗器的组 成结构，阐述了晶闸管式的可变电抗器和i g b t 式可变电抗器的原理，分析了可 变电抗器的工作模型，得出了单相及三相可变电抗器的拓扑结构，并推导出晶 闸管式可变电抗器和i g b t 式可变电抗器的阻抗变化公式。 本文构建了s c r 式可变电抗器和i g b t 式可变电抗器仿真模型，进行了仿 真，并得出了大量的仿真数据和仿真曲线。仿真结果验证了可变电抗器的阻抗 变换机理的正确性，同时从仿真曲线可以看出，调节晶闸管导通角和改变i g b t 调制比可以实现可变电抗器阻抗值的改变。在可变电抗器的谐波分析仿真中可 以看出晶闸管式可变电抗器和i g b t 式可变电抗器都存在一定的谐波，而i g b t 式可变电抗器的谐波相比而言要小。 关键词：可变电抗器，阻抗变换，功率变换单元，仿真 武汉理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , s t a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n d t h ee l e cp o w e rq u a l i t ya r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t v a r i a b l er e a c t o ri sa ni m p o r t a n t b r a n c ho fr e a c t o r i tc a nr e a l i z ei m p e d a n c ec o n v e r s i o nw h e nv a r i a b l er e a c t o ri si nt h e c i r c u i t ，a sar e s u l t ，v o l t a g ea d j u s t m e n ta n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a nb e r e a l i z e d ，w h i c hh e l p sm a k ee l e c t r i cf e n c em o r es t a b l ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo f e l e c t r i ce n e r g y v a r i a b l er e a c t o rh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt h es o f ts t a r t , s p e e d c o n t r o l l i n go fb l o w e r , w a t e rp u m pa n dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n t h ev a r i a b l er e a c t o rb a s e do np o w e rc o n v e r s i o nc o n s i s t so fv a r i a b l er e a c t a n c e c o n v e r t e ra n de l e c t r o n i cp o w e ri n v e r t e r t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc o n t r o l se l e c t r o n i c p o w e ri n v e r t e ri no r d e rt oc h a n g et h ee l e c t r i cc u r r e n ti nt h es e c o n ds i d eo fv a r i a b l e r e a c t a n c ec o n v e r t e r , t h e nt h eo n ei nt h ep r i m a r ys i d ec a nb ec h a n g e d ，c o n s e q u e n t l y t h ei m p e d a n c eo fv a r i a b l er e a c t o rc a nb ec h a n g e d i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h et o p o l o g ya n ds t r u c t u r e t oa c c o m p l i s ht h e c o n s i s t a n tv a r i e t yo fv a r i a b l er e a c t o r a , t h i sp a p e ra n a l i z ep r i n c i p l eo fv a r i a b l er e a c t o r a i nt h ew a yo fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g , g e ts i m u l a t i n gd a t aa n dc u r v e $ o fi m p e d a n c e t r a n s f o r m a t i o na n dh a r m o n i c sa n a l y s i s ，p r o v et h ev a l i d i t ya n de f f i c i e n c yo fv a r i a b l e r e a c t o r ap r i n c i p l e t l l i st h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n di g b tv a r i a b l e r e a c t o r , e x p o u n d st h ep r i n c i p l e so ft h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n di g b tv a r i a b l e r e a c t o r , a n a l y s i st h ew o r km o d eo fv a r i a b l er e a c t o r , g e t st h et o p o l o g ya r c h i t e c t u r eo f s 埘a n dt h r e ep h a s ev a r i a b l er e a c t o r , a n dq u a n t i t a t i v er e l a t i o no fi m p e d a n c e c o n v e r s i o no ft h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n di g b tv a r i a b l er e a c t o ra r ed e d u c e d l a s t t h es i m u l a t i o nm o d e lo fi g b tv a r i a b l er e a c t o ri sb u i l ta n dt h es i m u l a t i o n o fi m p e d a n c ec o n v e r s i o no fv a r i a b l er e a c t o ri 8m a d eu s i n gm a t l a b s i m u l i n k a l s ot h e s i m u l a t i o nc u r v ei sd r a w n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r yo fi m p e d a n c e c o n v e r s i o ni sc o r r e c t t h e ya l s os h o wt h a tt h ei m p e d a n c ev a l u eo fv a r i a b l er e a c t o r c a nb ec h a n g e dw h e na d j u s t i n gt h et h y r i s t o rc o n d u c t i o na n g l ea n dc h a n g i n gt h ei g b t m o d u l a t i o nr a t i o i tc a nb ec o n c l u d e df o r mt h eh a r m o n i cs i m u l a t i o nt i l a tt h eh a r m o n i c i se x i t e di nt h et h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n di g b tv a r i a b l er e a c t o r , a n dw h i c hi nt h e i g b tv a r ia _ b l er e a c t o ri sf e w e rt h a nt h et h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o r k e yw o r d s ：v a r i a b l er e a c t o r ，i m p e d a n c ec o n v e r s i o n ，p o w e rc o n v e r s i o nu n i t ， s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及科学意义 本课题来源于湖北省科技攻关项目“智能型固态软起动器的研制 ( 编号： 2 0 0 6 a a l 0 1 8 2 7 ) 。本文针对智能固态软起动的核心可变电抗技术的实际需求， 研究了可变电抗器的构成和其拓扑结构，从数学建模的角度分析可变电抗的原 理，通过仿真研究得出阻抗变换和谐波分析两方面的仿真数据和仿真曲线，验证 可变电抗器原理的正确性和有效性。 随着我国工业的迅猛发展，对电力的需求也正在高速增长，对电力供应的要 求也越来越高，这就要求有高效率、高质量的电力传输系统。高质量的电力供应 已成为当前电力传输领域的技术焦点。可变电抗器是随着对高质量、高可靠和高 效率的电能供应的要求而产生的。可变电抗器在电力传输领域主要应用于电力系 统的调压、调功控制、无功补偿和谐波治理，以及用在中性点不接地系统中的消 弧线圈控制【l 】。可变电抗器用作电压控制和无功补偿的主要元件，对提高电力系 统稳定和改善电能质量具有非常重要的作用，其应用范围相当广泛【i 】。 电抗器是一种重要的电气装置，按特性来分，可以分为固定电抗器和可变电 抗器【l 】。固定电抗器是指在工作过程中电抗值保持不变的电抗器，而可变电抗器 是指在工作过程中可以根据实际需要改变电抗值的电抗器。随着电力系统的不断 发展，对电抗器的性能要求越来越高，在许多场合希望电抗器的电抗值可实时调 节或实时控制，如用于配电网中自动消弧线圈的电抗器、用于大型电机无极软起 动的起动电抗器、用于故障限流的可控串联电抗器、用于超( 特) 高压输电线路 限制容升和无功补偿的并联高压电抗器等，都需要根据运行工况实时调节控制。 在这些情况下，可控电抗器作为一种特殊的电抗器，可根据运行工况实时调节自 身容量，用以稳定系统电压和控制无功功率，提高系统稳定性并改善电能质量【2 】。 据统计，我国电机所耗电能占整个工业用电的6 0 6 8 ，电动机是许多工 业企业的主要用电设备，交流电动机直接全压起动时所产生的短时冲击电流，过 电压会对电动机、负载、电网及电网中的其它设备都会造成极大的影响，同时会 使电网的谐波增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，电力损耗 加大等不良影响【3 j 。 应用于软起动的可变电抗器就是一个电抗值分级或无级可调的电抗器，有抑 制电压波动的作用。交流电动机在空载全压起动时，其起动电流会达到额定电流 武汉理1 ：大学硕士学位论文 的5 , - , 7 倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压急剧下降，影 响同电网其它设备的正常运行，同时，起动时的转矩冲击也会对电机及机械设备 造成很大的伤害，甚至会引起电网失去稳定。使电机软起动，可以有效地减小起 动电流，从而达到了延长电机寿命、避免对负载损害、减小对电网的冲击的目的， 从而最大限度地解决以上问题；同时电机采用软起动器起动，能够降低电力损耗， 达到节约能源，降低生产成本，提高企业的经济效益。 同时，在电力系统配电网中存在大量的感性负荷，如交流电动机、变压器等， 感性负荷消耗无功功率，导致功率因数降低，使配电网的运行效率降低。对无功 功率进行合理补偿和控制，不但能提高配电网络的运行效率，还能降低配电系统 的损耗，起到节能的作用，特别是在电力变配电站、电炉炼钢等大量消耗无功功 率的工业企业领域。无功补偿技术，对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的 潜力是十分必要的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量 和功率损耗，稳定电压，提高供电质量，提高长距离输电中系统输电稳定性和输 电能力，平衡三相负载的有功和无功功率掣钔。 目前国内外经常采用的无功功率补偿技术及装备主要有同步调相机、饱和电 抗器、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器和静止无功补偿装置。7 0 年代以 来，同步调相机等开始逐渐被静止无功补偿装置所取代。基于可变电抗的静止无 功补偿器改变了传统的用反并联晶闸管和电抗器串联与电容器并联的结构，而是 将可变电抗器与电容器相并联。可变电抗器的电抗值可以通过电力电子功率变换 器的调节而改变，从而可以调节无功补偿器的阻抗，补偿输电线路的线路感抗， 此外可以调控负载端电压，改变输电线路或电网中有功功率、无功功率潮流分布， 使之最优化【5 j 。 可变电抗器是智能型固态软起动器和基于可变电抗的静止无功补偿器的核 心技术，是电力系统的调压、调功控制、无功补偿和谐波治理的关键。软起动器 和静止无功补偿器的主要原理都建立在可变电抗的基础上，如何实现可变电抗的 连续可调，必须研究可变电抗器的构成和其拓扑结构，从数学建模的角度分析可 变电抗的原理，通过仿真研究得出阻抗变换和谐波分析两方面的仿真数据和仿真 曲线，验证可变电抗器原理的正确性和有效性。 1 2 国内外相关技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 可变电抗器的研究现状与发展趋势 2 武汉理：f 人学硕士学何论文 早在1 9 1 6 年美国学者就已经提出了磁放大器的概念，主要作为控制元件应 用于自动化系统，可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，到了1 9 4 0 年 代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带和高磁导、高矩形系数的坡莫 合金材料的出现，将磁饱和电抗器的理论和应用提高到一个新水平。1 9 5 5 年美 国的h f 斯托姆著了磁放大器一书，1 9 5 6 年苏联的m a 罗津布拉特也著了 磁放大器一书，标志着磁放大器发展的高峰，当时已成为自动化系统不可缺 少的基础元件。与此同时，科技工作者把磁放大器的工作原理引入到电力系统中 控制无功功率。1 9 5 5 年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功，其额定容量 为1 0 0 m v a ，工作电压为6 6 k v 2 2 k v 。1 9 7 7 1 9 7 8 年，美国g e 公司和w e s t i n g h o u s e 公司先后研制出采用晶闸管控制的静止无功补偿装置。其后，世界一些大 公司相继推出各具特色的系列静止无功补偿装置。2 0 世纪7 0 年代，b b c 公司研 制了超高压t c t 型静止无功补偿装置，同时发展起来的相控电抗器由于造价高 昂没有在电力系统中广泛应用f l 】。 随着世界经济的发展对电力的需求越来越高，特高压或超高压电网相继投入 运行，人们对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。特高压或超高 电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调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。因此，人们要求更加经济可靠的可 调无功补偿装置。1 9 8 6 年，苏联科学家提出了可控电抗器磁阀的概念，从而使 可控电抗器的发展有了突破性进展，电抗器性能大大改善f 1 1 。新型可控电抗器可 直接用于直到1 1 5 0 k v 的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置，因 而可直接连接于特高压或超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作 用。由于认识到可控电抗器的巨大应用潜力，欧美一些国家也开始对可变电抗器 进行研究。 目前，国内外对可变电抗器的研究主要集中在磁阀式可变电抗器和交流可变 电抗器上，俄罗斯学者在这方面进行了深入的研究，取得了显著的进展。俄罗斯 的磁阀式可变电抗器已经大面积地推向了市场。国内对磁阀式可变电抗器的研究 开展得较早，成功地研制出磁阀式动态无功补偿装置和消弧线圈，运行效果良好。 国内的电气厂商现在己开始生产基于磁阀式可变电抗器的动态无功补偿装置和 消弧线圈【2 】。 根据调整原理的不同，可变电抗器可以分为传统的机械式可调电抗器，磁控 电抗器( m a g n e t i cc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 、晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r 和p w m 控制电抗器( p w ms w i t c h e dr e a c t o r ) 等几大类。可变电抗器分 类如图1 1 可变电抗器分类图所示。 武汉理。工：人学硕士学位论文 图1 1可变电抗器分类 ( 1 ) 传统机械可调电抗器 传统的机械式可调电抗器使用调节分接头式的方式来改变电抗器的电感，具 有成本低、调节方便的优点【2 】。调匝式和调气隙式可控电抗器式最早出现并且应 用最广泛的可控电抗器，其基本原理是通过调节绕组线圈匝数或调节铁心气隙的 长度而改变电抗器磁路磁导，从而改变电抗器的电抗值。调匝式可控电抗器式较 易实现，但是电抗值不能无极可调。还有调节气隙的方式来改变电感的传统可调 电抗器，电感可以连续调节，结构简单，线性度好。但机械式可调电抗器存在的 问题是：电感不能平滑调节，补偿效果不能达到最佳状态。因此，传统的调匝式 和调气隙式可控电抗器目前应用已经很少。 ( 2 ) 磁控电抗器 磁控电抗器通过改变铁心的磁阻大小来实现。显然，磁阻大，电感小；反之， 磁阻小，电感大。改变电抗器磁阻的方法一般有两种，一种是外加直流助磁使磁 路饱和，也就是直流可控电抗器( d c c r ) 【2 1 。磁控电抗器示意图如图1 2 所示。 ( a ) 电路接线图( b ) 原理图 图1 2 磁阀式可控电抗器示意图 4 武汉理j ：大学硕七学位论文 铁心未饱和时磁阻小，饱和后磁阻大；另一种是加交流绕组的交流可控电抗 器( a c c r ) ，在控制绕组中产生反方向磁通，以调节电抗器铁心中的磁通，达 到改变电感的目的。 直流可控电抗器( d c c r ) 是借助控制回路的直流电流来改变铁心的磁饱和 程度，从而改变电抗器的电感值，达到平滑调节容量的目的。直流可控电抗器是 在磁放大器的基础上发展起来的，即在4 个绕组的中间部分自耦抽压和可控整 流，从而产生同样的直流助磁。其工作绕组和控制绕组是合并在一起的，这有利 于减少损耗，简化结构。同时，主铁心柱的中问部分设有多个小截面段，以便大 磁通时达到饱和状态，这就是磁阀式可控电抗器。磁阀式可控电抗器制造工艺简 单，成本低，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。磁阀式可控电抗器的缺点主要是响应时间长，振 动和噪声大。正交磁心式可控电抗器是直流可控电抗器中起步较晚的一种采用特 殊的正交铁心结构的可控电抗器。正交磁心式结构使直流控制绕组中不会感应交 流侧的感应电势，同时还可以通过改变直流控制绕组中的电流改变铁心中的磁 通，进而达到控制电抗的目的。通过在铁心中开一定大小的气隙可以降低可控电 抗器的谐波成分。因而正交磁心式可控电抗器具有控制简单，谐波含量少的优点。 交流可控电抗器( a c c r ) 借助附加绕组产生反方向磁通来改变电抗器铁心 的磁阻，从而改变电抗器的电感值。交流可控电抗器的反方向磁通依靠控制绕组 短路( 用反并联晶闸管控制) 的方式来实现。当控制绕组短路时，大量磁通将从 铁心磁路中被挤到主绕组与控制绕组之间的空间里。在此情况下，磁阻增加，导 致电抗器的感抗显著减小。这样就可以借助晶闸管改变控制绕组的电流来调节电 抗器的磁通和容量。当晶闸管全开通时，控制绕组的电流达到最大，主绕组的电 流也达到最大，这种控制为交流等容量控制，相当于变压器副绕组短路运行。交 流可控电抗器在晶闸管非全开通情况下，电流发生畸变，由此产生与晶闸管导通 角有关的谐波分量。如何消除或降低这些谐波电流，一直是人们在这类可控电抗 器结构设计中关注的重点。对此，俄罗斯阿列克山德洛夫院士提出了一种既能平 滑调节电抗器功率，又能降低高次谐波电流的新型交流可控电抗器【2 1 。 ( 3 ) 晶闸管控制电抗器 晶闸管控制电抗器( t c r ) ，是随着电力电子技术发展起来的一种新型可控 电抗器，被广泛应用于无功补偿和输电线路可控串补( t c s c ) 中。它采用线性 电抗器与反并联晶闸管串联的接线方式，通过控制晶闸管的导通角就可以控制电 抗器的等效电抗值。晶闸管导通角a 的有效范围为9 0 0 1 8 0 0 ，当a - - 9 0 0 时，晶闸 管全导通，相当于电抗器直接接在电网中；当q 在9 0 0 一1 8 0 0 之间时，晶闸管部 分区间导通，相当于增加了电抗器的等效电感值：当a = 1 8 0 0 时，晶闸管完全不 5 武汉理：i ：人学硕十学位论文 导通，相当于把电抗器从线路中断开。 t c r 最大的缺点是在调节时会产生大量的谐波，需要加装专门的滤波装置。 并且由于晶闸管直接串在主回路中，对晶闸管的耐压、容量要求很高，同时需要 为晶闸管加装散热装置。限于现在晶闸管的工艺水平，单个晶闸管的耐压、容量 还不能做得太大，对于高压大容量场合，只能采用多个晶闸管串联或并联的方式， 这就需要设置专门的均压电路，增加了成本。这些都限制了t c r 大面积推广。 随着高压、超高压输电的发展，晶闸管控制电抗器高昂的造价和与生俱来的谐波 问题使其在高压和超高压电网中的应用受到了限制【2 1 。 ( 4 ) p w m 控制电抗器 p w m 控制电抗器是新近几年发展起来的一种基于脉宽调制( p w m ) 技术的 可控电抗器。使用两个双向开关和一个电抗器构成整个可控电抗器。两个双向开 关互补开关操作，达到调整电感量的目的。p w m 控制电抗器是基于高频斩波的 p w m 控制，因此具有响应速度快、谐波含量低、电感量可平滑调节的优点。和 基于电力电子开关的晶闸管控制电抗器一样，由于电力电子器件的耐压等约束， 使p w m 控制电抗器和晶闸管控制电抗器在高压和超高压领域里受到了相当大 限制。 ( 5 ) 超导可控电抗器 它是利用超导体的超导态、正常态的转变特性。线路正常时，超导体处于超 导态，具有零电阻和完全排磁通效应( 迈斯纳效应) ，装置阻抗很低：在发生短 路故障时，它转为正常态，具有一定的电阻，失去完全排磁通效用，使装置阻抗 迅速增大以限制短路电流。超导可控电抗器集合检测、转换和限流等功能，响应 速度非常快，具有自恢复功能，具有广阔的应用前景【1 1 。 各种可控电抗器的比较不同的可控电抗器具有不同的特性。其区别如表1 1 各种可控电抗器比较所示。 机械调节电抗器结构简单，容易控制，没有谐波产生，使用普通的电抗器调 节抽头的方法，可以高压条件下应用，但是控制的精度不好，所以应用前景不理 想。磁控电抗器结构相对复杂，控制简单，精度好，使用调节磁通的方法控制， 容易在高压场合应用，但是产生的谐波较大。晶闸管控制电抗器结构简单，控制 容易，精度好，由于使用移相方法调节，所以谐波成分大，另外由于受到电力电 6 武汉理r = 大学硕十学位论文 表1 1 各种可控电抗器比较 子器件的耐压限制，在高压条件下应用比较困难。p w m 控制电抗器结构简单， 控制精度好，使用p w m 斩控方法，低次谐波含量低，控制方法相对复杂，和晶 闸管控制电抗器一样由于电力电子器件耐压限制了高压场合下的应用。 综上所述，可控电抗器作为电力系统中重要的元件，近年来发展非常迅速， 有着广阔的应用前景，可控电抗器在朝着电抗值连续可调，低谐波的方向发展。 由于对可控电抗器的需求，高电压、大容量、低谐波的可控电抗器将是研究和发 展的热点。 1 2 2 电力电子器件的发展趋势 电力电子技术包括功率半导体器件与i c 技术、功率变换技术及控制技术等 几个方面，其中，电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术 发展的关键。现代电力电子技术无论是对改造传统工业还是对高新技术产业都至 关重要。电力电子技术是2 l 世纪最关键技术之一，发展非常迅速【6 】。 在电力电子装置中电力电子器件是核心，它的性能对整个电力电子装置的性 能有着至关重要的作用，每一代新的电力电子器件的出现将推动相关电力电子技 术的重大变革，推动其向前飞速发展。 本论文中提出的可变电抗器的功率变换单元有两种，一种是基于半控器件晶 闸管的，另外一种是基于绝缘门极双极型晶体管i g b t 的，电力电子功率变换单 元用的这两种电力电子器件有着各自的特点。 第一代电力电子器件晶闸管属于半控型器件，不能自关断。1 9 5 8 年美国通 用电气( g e ) 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管，普通晶闸管广泛应 用于交直流调速、调光、调温等低频( 4 0 0 h z 以下) 领域，运用由它所构成的电 路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产 生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。 双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功 武汉理工人学硕十学位论文 电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能 力差、触发灵敏度低、关断时间较长。光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发 导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电 压承受能力，因而被应用于高压直流输电( h v d c ) 、静止无功功率补偿( s v c ) 等领域。逆变晶闸管因具有较短的关断时间( 1 肚1 5 s ) 而主要用于中频感应加热。 在逆变电路中，它已让位于g t r 、g t o 、i g b t 等新器件。非对称晶闸管是一种 正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特 例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶 闸管相比，它具有关断时间短、j 下向压降小、额定结温高、高温特性好等优点， 主要用于逆变器和整流器中。 门极可关断晶闸管( g t o ) 是全控型电力电子器件，g t o 有对称、非对称 和逆导三种类型。与对称g t o 相比，非对称g t o 通态压降小、抗浪涌电流能力 强、易于提高耐压能力( 3 0 0 0 v 以上) 。逆导型g t o 是在同一芯片上将g t o 与 整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵 引驱动中。在当前各种自关断器件中，g t o 容量最大、工作频率最低( 1 2 k h z ) 。 g t o 是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流：g t o 通态压 降大、d v d t 及d i d t 耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，g t o 虽然在低于2 0 0 0 v 的某些领域内已被g t r 和i g l 玎等所替代。 现代电力电子器件在向大功率、易驱动和高频化发展。绝缘门极双极型晶体 管( i g b t ) 是复合型电力电子器件，i g b t 可视为双极型大功率晶体管与功率场 效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使 i g b t 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使i g b t 因流过反向门 极电流而关断。i g b t 集g t r 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率m o s f e t 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人 们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、 高效化、低噪化提供了有利条件。 比较而言，i g b t 的开关速度低于功率m o s f e t ，却明显高于g t r ；i g b t 的通态压降同g t r 相近，但比功率m o s f e t 低得多；i g b t 的电流、电压等级 与g t r 接近，而比功率m o s f e t 高。由于i g b t 具有上述特点，在中等功率容 量( 6 0 0 v 以上) 的u p s 、开关电源及交流电机控制用p w m 逆变器中，i g b t 已 成为核心元件1 7 j 。 1 2 3 仿真软件研究现状 m a t l a b 最初是m a t h w o r k s 公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展， 8 武汉理 ：人学硕士学位论文 开发了包括电气系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用的最 流行的软件包之一。 m a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司开发的大型软件，它是以矩阵运算为基础， 把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在此环境中可以实现 工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等。在m a t l a b 中包括了两大 部分，数学计算和工程仿真，其中在工程仿真方面，m a t l a b 提供的软件支持涉及 到各个工程领域，并且在不断完善。m a t l a b 所具有的程序设计灵活，直观，图形 功能强大的优点使其已经发展成为多学科，多平台的强大的大型软件。m a t l a b 提供的s i m u l i n k 工具箱是一个在m a t l a b 环境下用于对动态系统进行建模、仿真 和分析的软件包，它提供了用方框图进行建模的接口，与传统的仿真建模相比， 更加直观、灵活【l o 】。 m a t l a b 的电力系统工具箱可以很方便迅速地建立电力系统的各种模型，并且 可以利用这些模型建立复杂的系统仿真模型，其强大的计算能力和编程能力以及 可视能力，为提高仿真计算的效率和灵活性，分析和仿真电力系统提供了一个强 有力的手段。电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块( p o w e r s y s t e mb l o c k , s e t ) 来完成。p s b 是在s i m u l i n k 环境下使用的模块，采用变步长积 分法，可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确的仿真，并精确地检测出断点 和开关发生时刻，p s b 程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的s i m u l i n k 程序块，通过p s b 可以迅速建立模型，并立即仿真。p s b 程序块程序库中的测 量程序和控制源起到电信号与s i m u l i n k 程序之问连接作用【l o 】【】。 m a t l a b 是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台，其在科 学计算、工程设计和系统仿真中运用很广泛。电力系统仿真是将电力系统的模型 化、数学化来模拟实际的电力系统的运行，由于电力系统是个复杂的系统，运行 方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。m a 廿a b 的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。通过m a t l a b 的p o w e rs y s t e m b l o c k 对可变电抗器的电力系统中的应用进行仿真，从而说明其在电力系统仿真 中的运用。s i m u l i l l l 【是m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、 仿真和分析的一个集成环境，广泛运用于线性系统、非线性系统、数字控制及数 字信号处理的建模和仿真中。它包括一个复杂的接收器、信号源、线性和非线性 组件以及连接组建的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。 s i m u l i n k 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起 直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改 变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的【2 引 s i m u l i n k 的主要特点是：具有完整的功能库用于建立线性、非线性、离散 9 武汉理。i ：人学硕士学位论文 时间、连续时间、混杂、单入单出、多入多出、多速率系统；方便生成分层模型 和子系统；采用屏蔽工具建立自己的块和库。电力系统模型库( p o w e rs y s t e m b l o c k e t ) 是专用于r l c 电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿 真用的模型库。电力系统元件模型库包括转换器、电动机、传输线、交直流电源、 断路器、二极管等电力系统模块，可以与s i m u l i n k 标准的元件联合使用，建立 包括控制电路和p o w e rs y s t e mb l o c k e t 元件的方框图。 本论文采用了p o w e rs y s t e mb l o c k e t 电力系统模型库中的电气模块在 s i m u l i n k 环境下对可变电抗器系统进行建模，可以使用s i m u l i n k 强大的变步长积 分法( 其中一些专门为刚性系统设计的) 对电力系统进行高精度的仿真，同时可 以利用m a t l a b 工具箱提供的灵活的分析能力对仿真结果进行分析处理和可视 化。 1 3 论文的主要研究内容 从2 0 0 7 年9 月开始了本课题的研究工作，在查阅国内外相关文献的同时， 对可变电抗器和仿真的相关技术也进行了研究，并开始着手论文的准备工作。本 论文在总结了国内外有关可控电抗器和电力电子器件的现状和发展趋势的基础 上，和在本实验室对可变电抗器的相关研究成果的基础上，阐述了这种新型的可 变电抗技术的基本原理。基于这种可变电抗技术的可变电抗器由可变电抗变换器 和功率变换单元组成，本论文主要研究了基于晶闸管式和基于i g b t 式功率变换 器的可变电抗器的仿真模型的建立，以及对单相和三相可变电抗器模型的仿真， 分析了可变电抗器的阻抗变换原理和其谐波问题。 主要内容按章节安排为： 第1 章绪论。重点介绍了国内外可变电抗器的研究现状和发展趋势： 第2 章可变电抗原理与拓扑结构研究。本章主要介绍可变电抗器组成结构 和阐述可变电抗器的原理，根据原理分析推导出可变电抗器的阻抗变换公式；研 究可变电抗器的拓扑结构，给出单相及三相基于晶闸管式可变电抗器的拓扑结构 和基于i g b t 式可变电抗器的拓扑结构并分别说明其特点； 第3 章可变电抗器建模与仿真软件设计。本章主要利用m a t l a b s i m u l i n k 中电 气模块对基于晶闸管和i g b t 两种功率变换单元的可变电抗器进行建模，得出 s c r 式可变电抗器和i g b t 式可变电抗器的仿真程序，对其进行分析和参数设置。 第4 章可变电抗器仿真与谐波分析。本章主要利用m a t l a b s i m u l i n k 中电气 模块对单相和三相基于s c r 式和i g b t 两种功率变换单元的可变电抗器进行阻 抗变换仿真和谐波分析，得出仿真波形和仿真数据，对其仿真结果进行分析，与 i o 武汉理t ：大学硕士学伊论文 推导出来的公式结果相比较，证明可变电抗器的阻抗变换原理的正确性。 第5 章总结与展望。本章内容主要包括：全文总结和进一步工作展望。对 全文进行总结，并在仿真研究的基础上，指出存在的不足问题，并提出需要完善 的方面，最后对可变电抗器的发展前景进行展望。 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章可变电抗原理与拓扑结构研究 本章主要介绍可变电抗器组成结构和阐述可变电抗器的原理，根据原理分析 推导出可变电抗器的阻抗变换公式；研究可变电抗器的拓扑结构，给出单相及三 相基于晶闸管式可变电抗器的拓扑结构和基于i g b t 式可变电抗器的拓扑结构并 分别说明其特点。 2 1 可变电抗器结构 目前电力系统中应用最多、最为成熟的可变电抗器的类型有磁控电抗器、晶 闸管控制电抗器、p w m 控制电抗器等【1 2 】【1 3 】【1 4 】，与传统的可变电抗器不同，本论 文阐述了一种新型可变电抗器，其特点是在传统电抗器的基础上进行了结构变 换，将传统电抗器设计成可变电抗变换器和电力电子功率变换器两部分，并构成 可变电抗器。它的主要优点在于可以实现可变电抗的连续可调，这种可变电抗器 是利用电抗器来隔离高压和低压的，与传统可变电抗器相比谐波比较小，对电网 供电有利，同时具有明显的技术优势和价格优势。 基于功率变换的可变电抗器结构框图如图2 1 所示，可变电抗器是将传统电 抗器的单边绕组设计成双边绕组，即：在传统电抗器中增加二次线圈，其二次线 圈与电力电子功率变换器连接。通过智能控制器控制电力电子功率变换器，改变 可变电抗变换器二次侧的电流，从而改变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输 入电压不变时，即实现可变电抗器阻抗的改变【憾】【r 7 1 。 a x 可变电抗器 图2 1基于功率变换的可变电抗器结构框图 可变电抗器分设一次绕组和二次绕组，或者称为原边线圈和副边线圈，一次 1 2 武汉理l = 人学硕士学位论文 绕组与负载串( 或并) 接，构成交流串( 并) 联电路，二次绕组与电力电子功率 变换器相接。当一次绕组中有电流通过时，就会在铁心中产生主磁通，根据电磁 感应原理，此磁通在二次线圈上产生感应电动势。通过控制电力电子功率变换器 的导通条件就可以改变二次线圈的电流大小，二次线圈上的电流产生相对主磁通 的反向磁通并且改变可变电抗器铁芯磁阻，从而改变屯抗器的电抗值。当二次线 圈上的电力电子功率变换器完全关断时，二次线圈上电流为零，此时一次线圈上 的电流最小，那么可变电抗器的电抗最大；当二次线圈上的电力电子功率变换器 完全导通时，二次线圈上的电流达到最大值，这时一次线圈上的电流也达到最大， 那么此时可变电抗器的电抗值最小【2 0 1 。因此，在一个电源周期内，通过调节电 力电子功率变换器的导通条件改变电抗器的电抗值。对于三相电路来说也是一 样，将可变电抗器接入电路则可以平滑地调节电抗值。 电力电子功率变换器有两种方式，一种是基于半控器件晶闸管的，一种是基 于绝缘门极双极型晶体管i g b t 的。基于晶闸管的电力电子功率变换单元是采用 一对半控器件晶闸管反向并联相接，反并联的一对晶闸管就像一个双向开关，交 替开断【l 丌。晶闸管v t i 在供电电压的正半波导通，而晶闸管v t 2 在供电电压的 负半波导通。晶闸管式功率变换单元结构框图如图2 2 所示。 图2 2 晶闸管式功率变换单元结构框图 晶闸管式功率变换单元和可变电抗变换器组成了晶闸管式可变电抗器，晶闸 管工作在相控方式，当改变晶闸管的控制角时即改变了功率变换器的导通条件， 由可变电抗的变换原理可知，可变电抗器二次侧的电抗值也会发生变化，从而导 致整个可变电抗器的阻抗值发生变化。 基于绝缘门极双极型晶体管i g b t 的功率变换器是在电路中采用自关断全控 器件i g b t 作开关器件，i g b t 与反并联的快速二极管封装在一起，然后将一对 i g b t 管反向串联，通过在门极和发射极加控制电压控制i g b t 管的开通和关断。 i g b t 式功率变换单元结构框图如图2 3 所示。i g b t 器件的特点就是开关速度相 当快，工作频率可以达到1 0 - - 4 0 k h z ，在周期内全控开关器件高频关断，产生 的谐波频率很高，极易滤去，从而使谐波大大减少。 武汉理一l ：人学硕十学位论文 i g b t i l 图2 3i g b t 式功率变换单元结构框图 i g b t 式功率变换单元和可变电抗变换器组成了i g b t 式可变电抗器，i g b t 管可以通过p w m 波来触发，当p w m 波占空比发生改变时即功率变换器的导通 条件发生变化，由可变电抗的变换原理可知，可变电抗器二次侧电抗值也发生变 化，从而导致整个可变电抗器的阻抗值发生变化f 2 0 1 。 2 2 可变电抗器原理