李曉明

(山東大學 電氣工程學院，山東濟南250061)

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一種自勵式磁控電抗器的仿真分析

李曉明

(山東大學 電氣工程學院，山東濟南250061)

磁控電抗器在電力系統(tǒng)有廣闊的應用?，F(xiàn)有的可用于超高壓電力系統(tǒng)的自勵式磁控電抗器的暫態(tài)相應時間很長，不能滿足電力系統(tǒng)要求。提出一種可用于超高壓電力系統(tǒng)的新型自勵式磁控電抗器，并用Matlab/ Simulink構建自勵式磁控電抗器仿真模型，對自勵式磁控電抗器進行仿真分析和性能比較。分析表明：在不比現(xiàn)有自勵式磁控電抗器復雜的條件下，新型自勵式磁控電抗器的暫態(tài)響應時間縮短至現(xiàn)有自勵式磁控電抗器的1/10以下。

磁控電抗器；仿真分析；暫態(tài)時間；性能比較

0　引言

磁控電抗器(Magnetically Controllable Reactor，MCR)是一種電抗值可以連續(xù)調節(jié)的電抗器，在電力系統(tǒng)中有廣泛的應用[1-3]。磁控電抗器的基本工作原理是：連續(xù)調節(jié)磁控電抗器閉環(huán)鐵心上直流線圈中直流電流的大小，達到連續(xù)調節(jié)閉環(huán)鐵心的飽和程度，實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)閉環(huán)鐵心上交流線圈(電抗線圈)中過勵磁電流大小，即連續(xù)調節(jié)磁控電抗器的電抗值。對磁控電抗器的研究，已經(jīng)有許多成果[4-9]，但是，現(xiàn)有的磁控電抗器的暫態(tài)響應時間較長，不能滿足電力系統(tǒng)需求。文獻[10]提出一種快速響應的磁控電抗器，該磁控電抗器是它勵式磁控電抗器，它勵式磁控電抗器使用不方便。文獻[11]提出一種快速響應的自勵式磁控電抗器，該自勵式磁控電抗器的晶閘管在線圈中部，對地電壓高，不能應用于超高壓電力系統(tǒng)。文獻[12]提出一種可應用于超高壓電力系統(tǒng)的自勵式磁控電抗器，但該自勵式磁控電抗器的暫態(tài)響應時間仍然比較長，仍然需要改進。

本文提出一種可應用于超高壓電力系統(tǒng)的新型的自勵式磁控電抗器。利用Matlab/Simulink軟件對本文與文獻[12]1所提出的可應用于超高壓電力系統(tǒng)的自勵式磁控電抗器進行仿真與對比分析。

1　兩種磁控電抗器的基本結構

圖1(a)是文獻[12]2提出的自勵式磁控電抗器結構，為表述方便，稱為第一種磁控電抗器。圖1(b)是本文提出的新型自勵式磁控電抗器，為表述方便，稱為第二種磁控電抗器。圖1中的1、2是磁控電抗器的兩端，3是磁控電抗器閉環(huán)鐵心，D1，D2是晶閘管，控制電路4控制晶閘管觸發(fā)角的大小。線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4匝數(shù)相等，匝數(shù)等于同等電壓等級變壓器線圈匝數(shù)的1/2。線圈L5、線圈L6匝數(shù)相等，匝數(shù)與其他線圈的匝數(shù)不相等，以便晶閘管D1，D2兩端獲得交流電壓。D3為續(xù)流二極管。

第一種磁控電抗器線圈L5、線圈L6匝數(shù)是線圈L3、線圈L4匝數(shù)的2.02倍。第二種磁控電抗器線圈L5、線圈L6匝數(shù)是線圈L3、線圈L4匝數(shù)的1.02倍。第一種磁控電抗器與第二種磁控電抗器連接方式的差別如圖1(a)、(b)所示。

圖1　磁控電抗器結構圖

如果第一種磁控電抗器的1、2兩端加額定交流電壓，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4兩端的電壓相等，都等于1/2額定電壓，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4流過勵磁電流。由于線圈L5匝數(shù)比線圈L1、線圈L3匝數(shù)之和還多1%，所以，線圈L5兩端電壓比磁控電抗器1、2兩端額定交流電壓大1%，晶閘管D1兩端有交流電壓，該電壓是額定電壓的1%。同理，晶閘管D2兩端有交流電壓，該電壓也是額定電壓的1%。

如果晶閘管D1，D2截止，第一種磁控電抗器線圈L5、線圈L6沒有直流電流，磁控電抗器閉環(huán)鐵心不會飽和，磁控電抗器線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4流過的是勵磁電流。第一種磁控電抗器呈現(xiàn)最大電抗Zmax。

如果晶閘管D1，D2被觸發(fā)為全導通。第一種磁控電抗器晶閘管D1，D2構成半波整流電路，線圈L5的直流電流向下，線圈L6的直流電流向上，直流磁通在線圈L5、線圈L6所在的兩鐵心柱之間形成直流磁通閉環(huán)。磁控電抗器鐵心出現(xiàn)飽和，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4呈現(xiàn)較大的過勵磁電流。第一種磁控電抗器呈現(xiàn)最小電抗Zmin。

調節(jié)晶閘管D1，D2觸發(fā)角的大小，可調節(jié)線圈L5、線圈L6中直流電流的大小，從而可調節(jié)磁控電抗器鐵心的飽和程度。磁控電抗器電抗值可在Zmin～Zmax之間調節(jié)、變化。實現(xiàn)第一種磁控電抗器電抗值的連續(xù)調節(jié)變化。

如果第二種磁控電抗器的1、2兩端加額定交流電壓，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4兩端的電壓相等，都等于1/2額定電壓，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4流過勵磁電流。由于線圈L5匝數(shù)比線圈L3匝數(shù)多2%，所以，線圈L5兩端電壓比線圈L3兩端電壓大2%，晶閘管D1兩端有交流電壓，該電壓是額定電壓的1%。同理，晶閘管D2兩端有交流電壓，該電壓也是額定電壓的1%。

如果第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2截止，線圈L5、線圈L6沒有直流電流，磁控電抗器閉環(huán)鐵心不會飽和，磁控電抗器線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4流過的是勵磁電流。第二種磁控電抗器呈現(xiàn)最大電抗Zmax。

如果第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2被觸發(fā)為全導通。晶閘管D1，D2構成半波整流電路。從圖1(b)可以看出，線圈L5的直流電流向下流，線圈L6的直流電流向上流。從圖1(b)可以看出，線圈L5的直流電流向下流，線圈L2的直流電流也向下流，但是，由于線圈L3的旁路作用，線圈L5的直流電流與線圈L2的直流電流的大小不相等。線圈L6的直流電流向上流，線圈L1的直流電流也向上流，但是，由于線圈L4的旁路作用，線圈L6的直流電流與線圈L1的直流電流的大小不相等。線圈L1的直流電流的流通方向與線圈L5的直流電流的流通方向相反，線圈L1與線圈L5處于同一鐵心柱上，所以，線圈L5直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通被線圈L1直流電流產(chǎn)生的磁通抵消一部分，還剩余一部分。同理，線圈L2的直流電流的流通方向與線圈L6的直流電流的流通方向相反，線圈L2與線圈L6處于同一鐵心柱上，所以，線圈L6直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通被線圈L2直流電流產(chǎn)生的磁通抵消一部分，還剩余一部分。剩余的直流磁通在線圈L5、線圈L6所在的兩鐵心柱之間形成直流磁通閉環(huán)。磁控電抗器鐵心柱出現(xiàn)飽和，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4呈現(xiàn)較大的過勵磁電流。第二種磁控電抗器呈現(xiàn)最小電抗Zmin。

調節(jié)第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2觸發(fā)角的大小，可調節(jié)線圈L5、線圈L6中直流電流的大小，從而可調節(jié)磁控電抗器鐵心的飽和程度。磁控電抗器電抗值可在Zmin～Zmax之間調節(jié)、變化。實現(xiàn)第二種磁控電抗器電抗值的連續(xù)調節(jié)變化。

2　磁控電抗器的仿真分析

2.1暫態(tài)響應時間仿真分析

首先研究分析10 kV磁控電抗器,積累經(jīng)驗后再研究分析更高電壓等級的磁控電抗器。

用Matlab/Simulink構建第一種磁控電抗器仿真模型，如圖2所示。仿真模型參數(shù)：T1變壓器容量為577 kVA，E1為10 000 V；線圈L1電壓為5 000 V，線圈L2電壓為5 000 V，線圈L3電壓為5 000 V，線圈L4電壓為10 100 V。T1變壓器的規(guī)格參數(shù)與T2變壓器相同。

圖2　第一種磁控電抗器Simulink仿真模型

不難看出，在上述參數(shù)下第一種磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端交流電壓等于100 V。

為了突出主要問題，也為了研究方便，本文在晶閘管D1，D2被觸發(fā)成全導通狀態(tài)的條件下，分析研究磁控電抗器的特性。這樣，圖1所示磁控電抗器中的晶閘管D1，D2用二極管D1，D2代替。

對圖2仿真模型進行仿真實驗，電流測量示波器S1顯示的電流波形如圖3所示。從圖3可以觀察到，第一種磁控電抗器的電流波形峰值為200 A，暫態(tài)響應時間1.4 s。

圖3　第一種磁控電抗器仿真實驗電流波形

用Matlab/Simulink構建第二種磁控電抗器仿真模型，如圖4所示。仿真模型參數(shù)：T1變壓器容量為577 kVA，E1為10 000 V；線圈L1電壓為5 000 V，線圈L2電壓為5 000 V，線圈L3電壓為5 000 V，線圈L4電壓為5 100 V。T1變壓器的規(guī)格參數(shù)與T2變壓器相同。

圖4　第二種磁控電抗器Simulink仿真模型

不難看出，在上述參數(shù)下第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端交流電壓與第一種磁控電抗器晶閘管D1，D2兩端交流電壓一樣，都等于100 V。

圖5　第二種磁控電抗器仿真實驗電流波形

對圖4仿真模型進行仿真實驗，電流測量示波器S1顯示的電流波形如圖5(a)所示。從圖5(a)可以觀察到，第二種磁控電抗器的電流波形峰值為100 A，暫態(tài)響應時間0.14 s。

如果把圖4所示仿真模型中的參數(shù)修改為：T1變壓器線圈L4電壓為5 350 V，T2變壓器線圈L4電壓為5 350 V；仿真模型的其他參數(shù)保持不變。對修改參數(shù)后的圖4仿真模型再進行仿真實驗，電流測量示波器S1顯示的電流波形如圖5(b)所示。從圖5(b)可以觀察到，第二種磁控電抗器的電流波形峰值為200 A，暫態(tài)響應時間0.06 s。

2.2綜合分析

(1)圖3與圖5(a)比較。這時，第一種磁控電抗器晶閘管D1(D2)的交流電壓是100 V，第二種磁控電抗器晶閘管D1(D2)的交流電壓也是100 V的條件下進行的對比分析?？梢杂^察到，第一種磁控電抗器的暫態(tài)響應時間1.4 s，第二種磁控電抗器的暫態(tài)響應時間0.14 s。第二種磁控電抗器暫態(tài)響應時間比第一種磁控電抗器縮小10倍。

(2)圖3與圖5(b)比較。這是第一種磁控電抗器與第二種磁控電抗器的輸出電流峰值都是200 A條件下進行的對比分析?？梢杂^察到，第一種磁控電抗器的暫態(tài)響應時間1.4 s，第二種磁控電抗器的暫態(tài)響應時間0.06 s。第二種磁控電抗器暫態(tài)響應時間比第一種磁控電抗器縮小21倍。

(3)第一種磁控電抗器的晶閘管D1，D2的交流電壓是100 V條件下進行仿真，從圖3可以看出，第一種磁控電抗器的輸出電流峰值200 A。第二種磁控電抗器的晶閘管D1，D2的交流電壓也是100 V條件下進行仿真，從圖5(a)可以看出，第二種磁控電抗器的輸出電流峰值100 A。第二種磁控電抗器的輸出電流峰值比第一種磁控電抗器小。這是因為，第二種磁控電抗器線圈L1直流電流的流通方向與線圈L5直流電流的流通方向相反，線圈L5直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通被線圈L1直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通抵消一部分；線圈L2直流電流的流通方向與L6線圈直流電流的流通方向相反，L6線圈直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通被L2線圈直流電流在鐵心柱中產(chǎn)生的磁通抵消一部分。所以，第二種磁控電抗器的輸出電流峰值比第一種磁控電抗器小，符合工作原理。

(4)第二種磁控電抗器線圈L1直流電流的流通方向與線圈L5直流電流的流通方向相反， 線圈L1電流的暫態(tài)過程與線圈L5電流的暫態(tài)過程對沖；線圈L2直流電流的流通方向與線圈L6直流電流的流通方向相反， 線圈L2電流的暫態(tài)過程與線圈L6電流的暫態(tài)過程對沖。實驗表明，同一鐵心柱上的兩線圈電流方向如果發(fā)生對沖，可減小線圈電流暫態(tài)過程。

(5)如圖1(a)、(b)所示，第一種磁控電抗器與第二種磁控電抗器的晶閘管D1，D2的位置都在線圈一端。如果兩種磁控電抗器線圈都采用星形連接，端子2接地，兩種磁控電抗器的晶閘管D1，D2對地電壓很低。兩種磁控電抗器都可用于超高壓、特高壓電力系統(tǒng)領域。

(6)如圖1(a)、(b)所示，第一種磁控電抗器的結構與第二種磁控電抗器的結構差別不大。第二種磁控電抗器在結構復雜程度沒有增大的情況下，很大地縮小了第二種磁控電抗器的暫態(tài)響應時間。

3　結論

新型自勵式磁控電抗器結構在不比現(xiàn)有磁控電抗器復雜的條件下，暫態(tài)響應時間縮小至現(xiàn)有磁控電抗器的1/10以下。

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Simulation Analysis for a Self-excited Magnetically Controllable Reactor

LI Xiaoming

(School of Electrical Engineering, Shandong Univesity, Jinan 250061, China)

The magnetic control reactor(MCR) has been widely used in power system. The currently existing self-excited MCR which can be used for EHV power system are existing shortcomings of transient response time is very long, can not meet the requirement of the power system. A new self-excited MCR which can be used for EHV power system is proposed in this paper. A simulation model based on Matlab/Simulink is built, the new self-excited MCR is simulated and is compared. The results show that, new self-excited MCR structure in less complex than existing self-excited MCR conditions, the transient response time of new self-excited MCR is shorter than the existing self-excited MCR by more than 1/10.

magnetically controllable reactor；simulation analysis；transient time；performance comparison

2016-04-29。

李曉明(1956-)，男，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制、電力系統(tǒng)及其自動化，E-mail:lixm@sdu.edu.cn。

TM472

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.005