曲 靜

（濟(jì)南鐵路局供電處，工程師）

1、引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家電力事業(yè)也得到了大力的發(fā)展。為了推動(dòng)電力事業(yè)發(fā)展進(jìn)程，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了智能電網(wǎng)計(jì)劃：以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，以智能控制為手段，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合。為了推動(dòng)電力事業(yè)發(fā)展進(jìn)程，智能電網(wǎng)涉及電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，是堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開(kāi)放、友好互動(dòng)的現(xiàn)代電網(wǎng)。而電能質(zhì)量的降低使電網(wǎng)損耗變大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，無(wú)法保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行與穩(wěn)定運(yùn)行。因此如何提高電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題成為了智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵，也是智能電網(wǎng)建設(shè)中急需解決的問(wèn)題。磁控電抗器式的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（MSVC），能快速補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，使功率因數(shù)保持在較高水平，濾波效果好，抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，很好地改善了供電質(zhì)量，提高了供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2、項(xiàng)目基本原理

2.1 磁控電抗器的結(jié)構(gòu)和基本原理

磁控電抗器是利用附加直流勵(lì)磁磁化鐵芯，改變磁閥鐵芯磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào)。圖2.1為單相磁控電抗器的結(jié)構(gòu)圖和原理示意圖（磁控電抗器的鐵芯和繞組設(shè)計(jì)形式有多種，此圖只是其中一種）。

圖2.1 單相MCR的結(jié)構(gòu)圖和原理示意圖

從圖2.1中我們可以看到，磁控電抗器的每相采用四柱鐵芯結(jié)構(gòu)，在中間兩個(gè)工作鐵芯柱上分布著多個(gè)小截面段，在電抗器的整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，僅有小截面段鐵芯磁路工作在飽和區(qū)，而大截面段始終工作于線(xiàn)性區(qū)，其上套有線(xiàn)圈。中間的兩個(gè)鐵芯柱上分別對(duì)稱(chēng)地繞有匝數(shù)為N/2的兩個(gè)線(xiàn)圈，其上有抽頭比為δ=N2/N的抽頭（N2=a、d之間繞組匝數(shù)=c、b之間繞組的匝數(shù)），δ一般為1%左右。它們之間接有晶閘管K1、K2，不同鐵芯的上下兩個(gè)繞組交叉連接后并聯(lián)到電網(wǎng)中，續(xù)流二極管D則橫跨在交叉端點(diǎn)上。在電源的一個(gè)工頻周期內(nèi)，晶閘管輪流導(dǎo)通。通過(guò)改變導(dǎo)通角度的大小，改變電抗值大小，從而達(dá)到無(wú)功連續(xù)可調(diào)的目的。

圖2.2為K1、K2導(dǎo)通時(shí)的磁控電抗器的等效電路示意圖，圖中u1=（1-δ）Esinωt，u2=δEsinωt，u3= u1+u2=Esinωt。

若晶閘管K1、K2不導(dǎo)通，由繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性知可控電抗器與空載變壓器無(wú)異。當(dāng)e處于正半周，晶閘管K1承受正向電壓，K2承受反向電壓。若K1觸發(fā)導(dǎo)通，則使a，b點(diǎn)等電位，電源e經(jīng)變比為δ的線(xiàn)圈（N/2）自耦變壓后，由匝數(shù)為N2的線(xiàn)圈向電路提供直流控制電壓2u2和電流i1，i2。由此可得出K1導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖如圖2.2（a）所示。同理，若K2在電源的負(fù)半周導(dǎo)通（c，d等電位），則可得出如圖2.2（b）所示的等效電路圖。

K2導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的控制電流方向與K1導(dǎo)通時(shí)的控制電流方向相同，也就是說(shuō)在電源一個(gè)工頻周期內(nèi)，K1、K2的輪流導(dǎo)通起了全波整流作用，而二極管D 的作用是續(xù)流，有利于晶閘管K1、K2的關(guān)斷，提高了整流效率。改變晶閘管K1、K2的觸發(fā)導(dǎo)通角便可改變控制電流i1和i2的大小，從而改變磁閥鐵芯的磁飽和度，平滑地調(diào)節(jié)可控電抗器的容量。

圖2.2 K1、K2導(dǎo)通時(shí)MCR的等效電路示意圖

匝數(shù)為N/2的線(xiàn)圈中流過(guò)的電流有二部分：直流控制電流i1（或i2）、工作電流i。其中直流控制電流i1（或i2）流過(guò)兩個(gè)匝數(shù)為N/2的線(xiàn)圈，所產(chǎn)生的控制磁通在兩個(gè)半鐵芯內(nèi)自我閉合，工作電流i流過(guò)上下兩組串聯(lián)的繞組，所產(chǎn)生的交流工作磁通通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)鐵芯和另一個(gè)鐵芯而閉合。磁控電抗器的直流控制電源是利用電網(wǎng)電壓經(jīng)自身自耦變壓后由晶閘管整流獲得，工作繞組和控制繞組合并，有利用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

2.2MSVC的基本原理

MSVC裝置由容性補(bǔ)償、濾波支路和磁控電抗器并聯(lián)支路組成。其中容性補(bǔ)償、濾波支路經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)固定接于母線(xiàn)，可以發(fā)出容性無(wú)功進(jìn)行固定補(bǔ)償并起到諧波濾除功能。通過(guò)調(diào)節(jié)磁控電抗器內(nèi)部電力電子器件的觸發(fā)角度，改變磁控電抗器的輸出容量（感性無(wú)功），實(shí)現(xiàn)無(wú)功的柔性補(bǔ)償。MSVC裝置一次系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2.3所示。

圖2.3 MSVC一次系統(tǒng)示意圖

MSVC補(bǔ)償效果示意圖見(jiàn)圖2.4所示。

圖2.4 MSVC補(bǔ)償效果示意圖

3、MSVC技術(shù)在電氣化鐵路上級(jí)變電站的應(yīng)用

部分上級(jí)變電站采用TCR式SVC+濾波裝置對(duì)電氣化鐵路進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。TCR式SVC可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的連續(xù)補(bǔ)償，使得電氣化鐵路對(duì)無(wú)功的要求得到滿(mǎn)足。但TCR式SVC由于采用晶閘管串聯(lián)的方式直接應(yīng)用于高電壓，而晶閘管的特性又不能完全一致，無(wú)法真正的做到均壓，因此其可靠性和使用壽命難以得到保證，無(wú)法滿(mǎn)足電氣化鐵路的高可靠性要求。同時(shí)TCR式SVC自身會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，其加裝的濾波裝置大部分用于濾除這部分諧波，很少的一部分用于濾除電網(wǎng)諧波，因此其濾波裝置利用率很低，無(wú)形中增加了用戶(hù)的成本。并且TCR式SVC還有對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高，體積大，空心電抗會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生大量電磁干擾、傷害人體及設(shè)備，晶閘管閥組需要定期維護(hù)及更換等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)使其不能真正的解決電網(wǎng)在電氣化鐵路所遇到的上述問(wèn)題。

針對(duì)以上方式所遇到的問(wèn)題，有些電氣化鐵路上級(jí)變電站采用了MCR+固定電容器的無(wú)功補(bǔ)償及濾波方式，即通過(guò)MSVC對(duì)電氣化鐵路進(jìn)行電壓、無(wú)功調(diào)節(jié)及濾波，這種方式對(duì)電氣化鐵路領(lǐng)域電能質(zhì)量的改善起到了良好的作用，也提供了新的研究方向。由于MCR的電力電子器件工作于低壓環(huán)境中，因此器件工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使MSVC具有高可靠性。又由于MCR內(nèi)部調(diào)節(jié)勵(lì)磁的工作原理，使得運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生很少的諧波，MSVC的濾波裝置幾乎都用于濾除電網(wǎng)諧波，濾波裝置利用率高。同時(shí)MSVC還具有高性能、連續(xù)可調(diào)、占地面積小、能適應(yīng)惡劣環(huán)境、維護(hù)工作量小、可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，并且是唯一能夠?qū)μ?高壓進(jìn)行直接補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。如果在控制信號(hào)高壓隔離可靠性、漏磁屏蔽、抗電壓閃變、線(xiàn)性擬合閉環(huán)控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破的話(huà)，MSVC將成為電氣化鐵路領(lǐng)域治理電壓、無(wú)功、諧波的最佳選擇。因此在現(xiàn)有MSVC的基礎(chǔ)上研發(fā)出完全滿(mǎn)足電氣化鐵路電網(wǎng)要求的電壓、無(wú)功調(diào)節(jié)裝置及濾波裝置已經(jīng)成為了今后的發(fā)展方向，MSVC將為電氣化鐵路的發(fā)展及智能電網(wǎng)的建設(shè)貢獻(xiàn)出應(yīng)有的力量。

4、總結(jié)

本研究針對(duì)電氣化鐵路領(lǐng)域的電網(wǎng)關(guān)于電壓、無(wú)功、諧波的相關(guān)要求及目前MSVC的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，應(yīng)用國(guó)內(nèi)外最新的MCR技術(shù)，結(jié)合電力電子、磁路、控制、數(shù)字處理和電磁兼容等領(lǐng)域的最新研究成果，對(duì)MSVC在智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)仿真、計(jì)算和試驗(yàn)，解決MSVC在智能化控制中控制信號(hào)高壓隔離可靠性、漏磁屏蔽、抗電壓閃變、線(xiàn)性擬合閉環(huán)控制等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從根本上發(fā)揮出MSVC高性能、高可靠性、低諧波、補(bǔ)償效果好、低電磁干擾、體積小、使用壽命長(zhǎng)、不需定期維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。使MSVC成為電氣化鐵路領(lǐng)域治理電壓、無(wú)功、諧波的最佳選擇。

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