（电机与电器专业论文）基于磁阀式可控电抗器无功补偿的研究.pdf

式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：笠塑日期：垫! 呈：堡矽 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二丞瞳一导师签名：鑫4 上近日 期：龇 1 2 1 无功功率基本概念2 1 2 2 无功补偿主要方式3 1 3 可控电抗器现状及其发展5 1 4 磁阀式可控电抗器发展状况及应用前景7 1 5 本论文所做主要工作9 第二章磁阀式可控电抗器工作原理1 0 2 1 磁阀式可控电抗器的结构以及工作原理1 0 2 2 磁阀式可控电抗器的工作状态及电磁方程1 3 2 3 磁阀式可控电抗器的数学模型2 0 2 3 1 磁阀式可控电抗器的磁路系统2 0 2 3 2 磁阀式可控电抗器的等效电路2 2 2 4 本章小结2 4 第三章无功功率理论的发展以及检测方法2 5 3 1 无功功率的定义及其发展2 5 3 1 1 无功功率理论发展简史2 5 3 1 2 正弦电路的无功功率和功率因数2 6 3 1 3 非正弦电路的无功功率和功率因数2 7 3 2 瞬时无功功率理论3 0 3 2 1 三相电路的瞬时无功功率理论3 0 3 2 2 各相的瞬时无功功率和瞬时无功电流3 2 3 3 基于瞬时无功功率理论的无功信号检测法3 5 3 3 1p q 检测法3 5 3 3 2i p i q 检测法3 6 3 4 本章小结3 9 第四章基于d s p 的控制部分4 0 4 1t m s 3 2 0 系列d s p 简介。4 0 4 2 控制系统硬件部分4 2 4 2 1 电压、电流输入信号的调理4 3 4 2 2 同步信号电路4 4 4 2 3 脉冲输出放大4 5 4 3 软件设计4 6 4 3 1 系统流程图4 7 山东大学硕士学位论文 4 3 2 初始化模块。4 7 4 3 3a d 采样模块4 8 4 3 3 事件管理器模块4 9 4 4 本章小结5 1 第五章磁阀式可控电抗器仿真分析5 2 5 1m a t l a b s i m u l i n k 以及p s b 电力系统模块库简介5 2 5 1 1m a t l a b s i m u l i n k 简介5 2 5 1 2p s b 电力系统模块库简介5 3 5 2 磁阀式可控电抗器仿真5 4 5 2 1 部分元件的选择5 4 5 2 2 仿真实例5 6 5 3 磁阀式可控电抗器工作特性分析6 0 5 3 1 磁阀式可控电抗器伏安特性6 0 5 3 2 磁阀式可控电抗器控制特性6 0 5 3 3 磁阀式可控电抗器响应特性6 1 5 4 三相无功补偿简易仿真6 2 5 5 本章小结6 4 第六章总结与展望6 5 参考文献6 7 致谢7 0 1 2 2m a i nw a yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 3 1 ：ic o n t r o l l a b l er e a c t o rs t a t u sa n dd e v e l o p m e n t 5 1 4t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o s p e c t so f m v c r 7 1 5m a i nw o r k so f t h i sp a p e r 9 c h a p t e r2w b r k i n gp r i n c i p l eo f t h em v c r 。l0 2 1m v c r ss t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e 1 0 2 2w o r k i n gc o n d i t i o n sa n de l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n s 13 2 3m v c rm a t h e m a t i c a lm o d e 2 0 2 3 1m v c rm a g n e t i cs y s t e m 2 0 2 3 2m v c r e q u i v a l e n tc i r c u i t 2 2 2 4s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 4 c h a p t e r3r e a c t i v ep o w e rt h e r o r yd e v e l o p m e n ta n dt e s t i n gm e t h o d s 2 5 3 1t h ed e f i n i t i o no f r e a c t i v ep o w e ra n di t sd e v e l o p m e n t 2 5 3 1 1ab r i e f h i s t o r yo f r e a c t i v ep o w e rt h e r o r y 2 5 3 1 2s i n u s o i d a lr e a c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o r 。2 6 3 1 3n o n s i n u s o i d a lr e a c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o r 2 7 ：；2i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ：；( ) 3 2 1t h r e ep h a s ec i r c u i to fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e r o r y 3 0 3 2 2e a c hp h a s eo f t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ra n de c u r r e n t 。3 2 3 3r e a c t i v es i g n a ld e t e c t i o nm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r 。35 ：；：；1p - qd e t e c t i o n ：i ! ； 3 3 2i d i ad e t e c t i o n 3 6 3 4s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 9 c h a p t e r4c o n t r o lp a r tb a s e do nd s p 4 0 4 1 i m $ 3 2 0s e r i e sd s pi n t r o d u c t i o n 4 0 4 2t h eh a r d w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m 4 2 4 2 1t h ec o n d i t i o n i n go f t h ev o l t a g e 、c u r r e n ti n p u ts i g n a l 4 3 4 2 2s y n c h r o n o u ss i g n a lc i r c u i t 4 4 4 2 3o u t p u tp u l s ea m p l i f i c a t i o n 4 1 ； 4 3s o f t w a r ed e s i g n 4 6 4 3 1s y s t e mf l o wc h a r t 4 7 4 3 2i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e 4 7 i i i 山东大学硕士学位论文 4 3 3a ds a m p l i n gm o d u l e 4 8 4 3 3e vm o d u l e 4 9 4 4s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 l c h a p t e r5m v c r s i m u l a t i o na n a l y s i s 5 2 5 1m a t l a b s i m u l i n ka n dp s bi n t r o d u c t i o n 5 2 5 1 1m a t l a b s i m u l i n ki n t r o d u c t i o n 5 2 5 1 2p s bi n t r o d u c t i o n 5 3 5 2m v c rs i m u l a t i o n 5 4 5 2 1e l e m e n t ss e l e c t i o n 5 4 5 2 2s i m u l i t i o ne x a m p l e 5 6 5 3m v c r o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 6 0 5 3 1m v c rv o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c 6 0 5 3 2m v c rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c 6 0 5 3 3m v c r r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c 6 1 5 4s i m p l es i m u l a t i o no f t h r e e p h a s er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 6 2 5 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 6 4 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 5 r e f e r e n c e s6 7 a c k n o w l e d g e m e n t 7 0 量；将工作绕组和控制绕组有机地结合在一起，不需外加激磁，有利于减小损耗、 简化结构；它具有较小的谐波，近似线性的伏安特性。本文详细分析了电抗器的 结构以及工作原理，推导出了电抗器的等效电路，研究了在动态无功补偿中应用 非常广泛的瞬时无功功率理论，并且在此基础上采用更为精确的无功电流检测 法，采用高性能d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为补偿装置的控制部分，充分利用 d s p 的速度快、计算功能强大的特点，根据测量和控制的要求设计相应的硬件电 路，使其能够准确跟踪系统无功变化，实现对系统无功功率动态实时补偿的目的。 论文最后对磁阀式可控电抗器进行了m a t l a b 仿真，研究了在不同触发角 度下电抗器的工作、控制电压电流波形，并且分析了电抗器的伏安、控制以及响 应特性，仿真结果与数值计算结果是基本一致的。 关键词：磁阀式可控电抗器瞬时无功功率理论d s pm a t l a b 仿真 山东大学硕士学位论文 m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ，w h i c hc a np r o d u c ec o n t r o l l e dr e a c t i v ep o w e r f r o mc a p a c i t i v et oi n d u c t i v e ，w i t hv e r yg o o d a d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rh a r m o n i c s a n dc o s t ，s i m p l et om a n u f a c t u r e ，h a sv e r yg o o dp r o s p e c ti nt h ef u t u r eb e c a u s ei ti s s u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m b yu s i n gd cc u r r e n tt oc o n t r o lt h es a t u r a t i o no fi r o nc o r e ，t h em v c rc a l lg i v e as m o o t hc o n t i n u o u sc a p a c i t y ；i tc o m b i n e so p e r a t i n gw i n d i n gw i t hc o n t r o l l i n g w i n d i n go r g a n i c a l l y ，a n dw i t h o u te x t e r n a le x c i t a t i o n ，h e l p i n gr e d u c et h el o s sa n d s i m p l i f ys t r u c t u r e ；i th a ss m a l l e rh a r m o n i ca n da p p r o x i m a t e l yl i n e a rc u r r e n t - v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s b o t ht h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h em v c ra r ea n a l y z e d i nd e t a i l ，a n de q u i v a l e n tc i r c u i ti sa l s od e r i v e d ，t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so f t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yw h i c hh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o ni n d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，u s i n gm o r ep r e c i s er e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n m e t h o db a s e do nt h i st h e o r y , u s i n gah i g h - p e r f o r m a n c ed s pc h i p ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) a s t h ec o n t r o ls e c t i o no ft h ec o m p e n s a t i o nd e v i c e ，r e g a r d i n gt h ed s p sf a s ta n dp o w e r f u l c o m p u t i n gf e a t u r e s ，a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ， d e s i g n i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i ti no r d e rt om a k et h em c rf o l l o wt h ec h a n g eo ft h e s y s t e mr e a c t i v ep o w e ra c c u r a t e l y ，r e a l i z i n gt h es y s t e md y n a m i cr e a l - t i m er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o np u r p o s e a tl a s t ，t h et h e s i ss t u d i e st h em c r t h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o n s ，r e s e a r c h e s t h ew o r k i n g 、c o n t r o l l i n g v o l t a g ea n d c u r r e n tw a v e f o r m sa n da l s oa n a l y s e st h e m v c r sc u r r e n t - v o l t a g e 、c o n t r o l 、a n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e s u l to ft h e i i i 山东大学硕士学位论文 s i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n t 、i t i lt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l e r e a c t o ri n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y d s pm a t l a bs i m u l a t i o n s i v 山东大学硕士学位论文 符号说明 ：半铁芯长度 4 。：半铁芯面积 n ：电抗器线圈总匝数 墨、局：电抗器晶闸管 b i 、b 2 ：铁芯i 、i i 磁感应强度 b 。，、b 2 ，：铁芯i 、i i 小截面磁感应强度 f l 、f 2 ：铁芯i 、i i 磁势 万：磁阀式可控电抗器抽头比 口：晶闸管触发角度 、心：三相电路各相电压瞬时值 乇，：三相电路各相电流瞬时值 、：瞬时有功、无功电流 p 、q ：瞬时有功、无功功率 缈：功率因数角 彩：电源角频率 v 山东大学硕士学位论文 v i r 。_ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - 。1 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 随着我国经济的快速发展，对电力的需求越来越大，电网建设的规模也随之 日益扩大，随着系统负荷的日益增加和电压等级的逐渐提高，电力系统对无功功 率的需求也发生了变化，从以前仅需补偿容性无功发展到如今需要补偿容性和感 性无功，且要求能够连续调节。无功功率平衡对于稳定电网的运行，提高电网的 经济效益起着至关重要的作用。随着高压、超高压电网的快速发展，用户对于供 电质量的可靠性提出可更高的要求，提高系统稳定性和抑制电压波动已成为电力 系统的主要问题。传统的补偿方式已经越来越难以满足当今电力的发展要求，急 需具有快速响应能力的动态无功补偿装置，来提高系统稳定性、抑制系统振荡和 动态过电压等，容量大、响应速度快、调节连续灵活、经济性好、维护方便的无 功补偿设备的研制与开发对电力系统的发展具有重要意义，新型无功补偿装置的 研制和应用成为我国当前电力系统需要解决的重大关键技术课题，受到了越来越 多的关注，而且我国与发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看， 都有较大差距，因此在我国大力推广新型无功补偿技术尤为迫切，意义也显得十 分重大。 另外，大功率电力电子器件快速发展以及广泛应用的大容量变流装置，不仅 消耗大量的无功功率【l l ，同时也产生大量的谐波电流，严重降低了供用电系统及 负载的功率因数，严重影响其它用电设备的正常工作，对供电系统造成严重污染， 对其稳定性产生严重危害，这同样急需一种新型的无功补偿方式提供良好的无功 支撑，以减少对电网的危害。 总之，无功功率补偿对电力系统有着重要意义，概括起来主要有【2 l ： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。 ( 3 ) 改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。 ( 4 ) 减少线路损失，提高电网的有功传输能力。 ( 5 ) 降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。 ( 6 ) 降低设备发热，延长设备的使用寿命，改善设备的利用率。 l 山东大学硕士学位论文 ( 7 ) 提高发电机有功输出能力。 ( 8 ) 平衡三相不对称负荷。 ( 9 ) 防止电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 基于磁阀式可控电抗器( m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r ，m v c r ) 的新型 无功补偿系统的提出具有重要意义。该补偿系统可以动态地跟踪负荷以及电网传 输功率的变化而自动平滑调节自身的容量，当电网传输功率较大时，电抗器运行 在空载或小容量状态；当电网传输功率很小或空载时，电抗器自动增大容量补偿 对地电容无功，能够限制工频电压升高，在很大程度上提高了电网的运行经济效 益【3 】o 磁阀式可控电抗器在调整电网电压、补偿无功、提高电网输电能力及限制过 电压等诸多方面有着广阔的应用前景【4 1 。而且，磁阀式可控电抗器与其它可控电 抗器相比，成本低廉、制造工艺简单，这使磁阀式可控电抗器在电力系统中无功 补偿将发挥其重要的作用，并有取代其他电抗器的趋势。 1 2 无功补偿及其发展状况简介 1 2 1 无功功率基本概念 电网输送的视在功率可以分解为两种类型，一种是有功功率，另一种是无功 功率。在交流电能的输送和使用过程中，转换成机械能、热能、光能的那一部分 能量叫做有功功率；用于产生交变磁场的那部分能量叫做无功功率。电网的负荷 一般分为三种，即电阻性、电感性、电容性负荷。电阻性负荷( 如白炽灯、电热 丝等) 电路中，电压和电流的相位相同，电流在通过电阻的过程中做了功，把电 能转换为光能、热能等，所以说电阻性负荷总是消耗电能的，因此电阻性负荷被 称为有功负荷，所消耗的功率叫做有功功率；电感性负荷( 如空载运行的变压器、 异步电动机等) 电路通过电流时，在其线圈的周围就会建立起交变磁场，而这个 交变磁场又会产生自感电势，它在电路中有阻止原电流变化的作用。当电流增大 时，自感电势的方向和电流相反，力图阻止电流的增加：电流减少时，它的方向 和电流相同，又力图阻止电流的减少。这样使得负荷两端的电压和电流不能同时 达到最大值，变得不同相，即电压达到最大值后需要四分之一周期，电流才能达 2 山东大学硕士学位论文 到最大值。因此，当电流的方向和电压的方向一致时，电源把电能送给负荷转换 为磁场能量储存起来；当方向相反时，负荷所存储的能量便转换为电能还给电源。 就这样，能量不断的交换，但并没有消耗，所以感性负荷又叫做无功负荷，其交 换的是无功功率；电容性负荷( 如电容器等) 具有和电感性负荷相似的性质，它也 是一种能够存储和释放能量的负荷，即一种能与电源进行能量交换而不消耗能量 的负荷，但它存储和释放能量的时间与电感性负荷刚好相反，即电流达到最大值 后需要四分之一周期，电压才能达到最大值，它也是一种无功负荷【5 , 6 , 7 , 8 】。 由此可以得到以下的几点结论【9 】： ( 1 ) 电网在运行时，电源供给的无功功率是用来在电气设备中建立和维持磁 场，进行能量交换的，它为能量的输送、转换创造了必需的条件。没有它变压器 就不能输送电能，电动机的旋转磁场不能建立，电动机也就不能工作。 ( 2 ) 在电网中由于电感性负荷与电容性负荷吸收和释放的时间正好相反，因 此，当电感性负荷吸收能量时，电容性负荷释放能量，帮助电源提供能量。 ( 3 ) 无功功率和有功功率是密切相关的，输送有功电力是需要消耗无功功率 的，同样输送无功电力也需要消耗有功功率。无功电力和有功电力都是通过电力 线传送的，导体里通过的电流既包括有功成分，也包括无功成分。这个电流通过 导体的电阻和电抗时，就会造成有功功率和无功功率损耗，还会造成电压降落， 直接影响电网的安全经济运行。 1 2 2 无功补偿主要方式 在电网中，网络元件的阻抗主要是电感性的，需要无功功率，大多数负载也 需要无功功率。显然，网络元件和负载所需的无功功率如果都由发电机提供并经 过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要无功功率 的地方产生无功功率，实行就地补偿。目前电力系统无功补偿方式，大体有如下 几种形式【l o 】。 ( 1 ) 同步调相机 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。它相当于空载运行的同步电动 机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运 行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。然而，由于它是旋转电机， ( 2 ) 开关投切电容器 应用交流接触器控制投切电容器，受到交流接触器操作频率及寿命的严重限 制，而且投入时冲击电流大，切除时产生过电压，自身触头易损甚至熔焊，噪声 大，设备故障率高，可靠性差，在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及 跟踪补偿的要求。 ( 3 ) 晶闸管控制电抗器( t c r ) 型装置 t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控电容器并联而成，两个反向并联的晶 闸管与一个电抗器相串联，通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角，既可 以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。由于该补偿器响 应时间快( 小于半周波) ，灵活性大，而且可以连续调节无功输出，所以目前在我 国的电力系统中应用最为广泛。但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐 波，而且电抗器体积大，成本也比较高。 ( 4 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 型s v c 装置 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生。t s c 型补偿器由 数组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联，这里的晶闸管仅起 开关的作用，替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时，根据所需补偿无 功的大小，决定投入电容器的组数。由于电容器是按组投切的，所以会在电网中 产生冲击电流。为了实现无功电流尽可能的平滑调节，采用零电压投入，零电流 退出，减少对电网的冲击。 ( 5 ) 静止无功发生器 静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t o r ) 通常又被称为静止无功调相机( s t a t i c s ”c h r o n o l l sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 。s v g 相对于多型式的s v c 来讲，其优 点是十分明显的，响应速度快，吸收无功连续，产生的高次谐波量小，且可以分 相调节，损耗与噪音小。静止无功发生器有取代静止无功补偿器的趋势。当然， s v g 的控制方法和控制系统要比s v c 复杂，s v g 要使用数量很多的较大容量全 控型元件，目前其价格仍比s v c 使用的普通晶闸管要高得多。 4 可 控 电 抗 器 磁控电抗器卜_ 叫磁阀式可控电抗器 晶闸管控制电抗器l叫正交磁心可控电抗器 p w m 控制电抗器 图1 1 可控电抗器的分类 ( 1 ) 传统可调电抗器 传统的机械式可调电抗器使用调节分接头的方式来改变电抗器的电抗，具有 成本低、调节方便的优点，但存在的问题是：容量不能平滑调节，补偿效果不能 达到最佳状态。还有一种使用调节气隙的方式来改变电感的传统可调电抗器，容 量可以连续调节，结构简单，线性度好，但缺点是：需要较为精密的机械传动装 置，响应速度慢、噪声大，有时会因脏污引起机械动作失灵。目前的无功补偿中 已经极少采用传统的调分接头式和调气隙式可控电抗器。 ( 2 ) 磁控电抗器 磁控电抗器通过改变铁心磁阻的大小来实现改变电抗器的电抗值。显然，磁 阻大，电抗小：反之，磁阻小，电抗大。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 ) ，这样，铁心未 饱和时磁阻小，饱和后磁阻大；另一种是外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 变电抗的目的。关于其中的磁阀式可控电抗器将在下一节详细介绍，这里不再赘 述。 山东大学硕士学位论文 ( 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* * b ( 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，如图1 2 ( a ) 所示，通过控制晶闸管的触发角 就可以控制电抗器的等效电感值。晶闸管触发角口的有效范围为9 0 。1 8 0 。，当 口= 9 0 。时，晶闸管全导通，相当于电抗器直接接在电网中，这时其吸收的基波 电流和无功功率最大；当口在9 0 。1 8 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感抗值；当口= 1 8 0 。时，晶闸管完全不导通，相当于把电抗 器从线路中断开。文献 1 5 】推导了t c r 等效电纳b 与触发角口之间的关系，如 图1 2 ( b ) 所示。 图1 2t c r 接线图和触发角口与等效电纳b 之间的非线性关系 ( 4 ) p w m 晶闸管控制电抗器 p w m 控制电抗器是近几年才发展起来的一种基于脉宽调制( p w m ) 技术的 可控电抗器。电路图如图1 3 所示，它使用两个双向开关和一个电抗器构成整个 6 图1 3p w m 控制电抗器接线图 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，但是它和基于电力电子开关的晶闸管控制 电抗器( t c r ) 一样，由于电力电子器件的耐压等约束，使p w m 控制电抗器在高 压和超高压领域里受到了相当大的限制。 1 4 磁阀式可控电抗器发展状况及应用前景 磁阀式可控电抗器是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁心的饱和度 ( 即工作点) ，从而达到平滑调节无功输出的目的，它是在磁放大器的基础上发展 起来的。早在1 9 1 6 年就由美国的e e w 亚历山德森提出了“磁放大器”的报告。 到了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 系数的坡莫合金的出现，把饱和电抗器的理论与应用提高到一个新水平。1 9 5 5 年英国通用电气公司成功地制造了世界上第一台可控电抗器( 1 0 0 m v a r ，2 2 k v ) ， 但投入运行之后，发现存在很大缺点，如控制直流的改变会导致接成三角形线圈 内部电流的变化，过渡过程时间取决于三角形线圈的时间常数，其数值较大，故 调节响应时间很长，满足不了快速调节的需要；另一个缺点就是有效材料消耗 ( 3 k g k v a ) 和有功损耗( 1 ) 较大，一般不可控的铁心电抗器的有效材料消耗及有 功损耗分别只有3 k g k v a 和0 5 。由于这些缺点使可控电抗器的推广应用受到 了限制。 7 山东大学硕士学位论文 八十年代中期前苏联学者提出磁阀式可控电抗器，借助控制回路直流控制电 流的激磁改变铁心的磁饱和度，从而达到平滑调节感抗的目的，只有小面积的那 一段饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来 改变电抗器的容量。额定状态时容量已达到极限值，所以磁阀式可控电抗器过负 荷能力较差，但特别适合于高压配电网中调压和无功补偿；若不考虑长线过电压 限制问题，亦可用于线路充电功率的补偿。俄罗斯的磁阀式可控电抗器已经大面 积地推向了市场。 近年的研究表明，磁阀式可控电抗器具有广阔的应用前景，与t c r 相比， 磁阀式可控电抗器的控制晶闸管所承受的电压只有额定电压的2 左右，其电流 也只要求额定的控制电流，主回路的电压电流将由电抗器部分承受，这可以使磁 阀式可控电抗器应用于任何电压等级的网络，没有由于晶闸管容量而带来的种种 问题，而且磁阀式可控电抗器输出电流的谐波性能比t c r 要好很多。从经济性 上考虑，磁阀式可控电抗器结构简单，价格便宜，在很多领域都有使用磁阀式可 控电抗器代替t c r 的趋势【1 7 , 1 8 , 1 9 】。 国内武汉大学陈柏超教授对磁阀式可控电抗器的研究开展得较早，成功地研 制出磁阀式可控电抗器，运行效果良好。国内的某些电气厂商现在已开始生产基 于磁阀式可控电抗器的动态无功补偿装置。 表1 1 对其中的4 种补偿方式与基于磁阀式可控电抗器的无功补偿装置的 性能做了比较【2 0 2 1 ，2 2 1 。 表1 1各种无功补偿装置性能的比较 型式t c t t c rm c rt s cs v g 响应时间约l o r e s约1 0 r e s 0 4 0 1 s1 0 2 0 m $5 l o r e s 限制过压 好好好不能好 抑制闪变 可以可以可以能力不足可以 分相调节可以可以 可以可以 不能 连续连续连续不连续连续 无功输出 感容性感容性感容性容性感容性 谐波有有小无小 噪声稍大较小稍大很小很小 8 山东大学硕士学位论文 损耗 o 7 一1 o 5 o 7 o 7 1 0 3 o 5 o 3 o 5 控制难度小较大 小 较大非常大 灵活性好好好好好 线性度好好好好好 运行维护简单较复杂简单较复杂非常复杂 制作成本较大较大大大非常大 由表1 1 不难看出，基于m c r 的动态无功补偿装置具有在容性至感性无功 范围内连续可调、产生谐波小、易于维护、成本低等优点，可以保证补偿的快速 性、准确性和合理性，能够快速补偿系统无功，使功率因数保持较高水平，改善 供电质量，提高经济效益，适合复杂多变的电力系统要求，具有较好的应用前景。 1 5 本论文所做主要工作 本论文主要研究了一种基于新型可控电抗器( 磁阀式可控电抗器) 的无功补 偿系统，先是阐述了当前无功补偿的主要状况，然后重点分析了磁阀式可控电抗 器结构和原理、工作状态，在数值计算和公式推导的基础上得出了磁阀式可控电 抗器的等效电路。然后又重点讲述了瞬时无功功率理论以及基于这种理论的两种 无功电流检测方法，本论文采用更为准确的f 。一屯检测法。 研究了基于美国t i 公司的高性能控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制部分，采用 f 。一乞无功检测算法，通过在不同时刻触发晶闸管导通角以改变电抗值的大小， 从而实现对用户无功的连续、平滑补偿。在所分析得出的磁阀式可控电抗器等效 电路的基础上进行了仿真，得到了在不同触发导通角度下电抗器工作电压、电流 和控制电压、电流的波形图，进而通过仿真和计算得出了电抗器的伏安、控制、 响应特性，将模型仿真的结果与理论推导公式的结果进行比较，验证了仿真模型 的准确性和有效性，还对三线无功补偿进行了简易仿真，通过观察电压电流波形， 可以看到较好无功补偿效果。 9 山东大学硕士学位论文 第二章磁阀式可控电抗器工作原理 2 1 磁阀式可控电抗器的结构以及工作原理 图2 1 ( a ) 为磁阀式可控电抗器的结构原理图，图2 - 1c o ) 为相应的电路图。磁 阀式可控电抗器的主铁芯分为两半，面积各为瓯，长度为t - t , ，不同的是每一半 铁芯都具有一段长度为，l 的小截面段，其面积为4 。( 4 。 4 ) 。两个半铁芯柱上 分别对称地绕有两个匝数为n 2 的绕组( 半铁芯柱上的线圈总匝数为n ) ，每一半 铁芯柱的上下两绕组各有一抽头比为万= 生n 的抽头，它们之间接有可控硅 k 。( k ：) ，不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联到电网电源，二极管d 则 横跨在交叉端点【2 3 】。 参见图2 - l ( b ) ，若k 。、k ：不导通，则由绕组结构的对称性可以推出此时的 可控电抗器等同于一个处于空载状态的普通变压器。当电源电压e 处在正半周 时，可控硅k 承受正向电压，k ：则承受反向电压，当可控硅k 。触发导通时( a ， b 点等电位) ，电源e 经变比为万的线圈( n 2 ) 自耦变压后由匝数为n ：的线圈 向电路提供直流控制电压和电流乏、。不难分析得出k 。导通时的等效电路，如 图2 - 2 ( a ) 所示。同理，若k ：在电源的负半周导通( c ，d 等电位) ，则可得出如图 2 2 ( b ) 所示等效电路【2 4 1 。由图可见，k ：导通所产生的控制电流( i = ) 方向与k i 导通时所产生的控制电流方向一致，也就是说在电源一个工频周期内，k 、k ： 的轮流导通起了全波整流作