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磁阀式可控电抗器的优化设计

文档作者：张健华黄兆文档来源： 1．广东电网公司中山供电局 2．南方电网超高压输电公司广州局，		点击数：	更新时间： 2024年07月26日
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上一篇：大电流空心电抗器接线端子过热原因分析

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第26卷第9期
2013年9月
广东电力
GUANGD0NG ELECTRIC pOW ER
Vo1．26 NO．9
Sep．2013
doi：10．3969／j．issn．1007—290X．2013．09．016
磁阀式可控电抗器的优化设计
张健华 ，黄兆
(1．广东电网公司中山供电局，广东中山442000；2．南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405)
摘要：对提高磁阀式可控电抗器(magnetic control reactor，MCR)响应速度进行了研究，提出通过控制MCR的
晶闸管触发角来提高响应速度，通过控制续流二极管的关断使MCR快速退出运行的方案，并给出具体的设计方
法。模拟实验结果验证了该方案可行，具有实际应用价值。
关键词：无功补偿；磁阀式可控电抗器；响应时间
中图分类号：TM714．3 文献标志码：B 文章编号：1007—29OX(2叭3)09-0077-03
Optimization Design for M agnetic Valve Controllable Reactor
ZHANG Jianhua ．HUANG Zha02
(1．Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Zhongshan，Guangdong 442000，China；
2．Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou，Guangdong 510405，China)
Abstract：This paper studies improvement of response speed of magnetic valve controllable reactor and proposes to control
firing angle of thyristor of MCR for realizing improve the response speed．Meanwhile，it proposes scheme of controlling
turn—off of freewheel diode to realize rapid quit running of MCR and provides specified design method．Simulated experiment
verifies feasibility and practical application value of this scheme．
Key words：reactive compensation；magnetic valve controllable reactor；response time
随着电力系统负荷的日益增加和电压等级的逐
渐提高，电力系统对无功补偿设备的要求也越来越
高[1]。为了满足电力系统发展的需求，人们研制了
多种新型的无功补偿调节装置来适应电力系统的变
化，如晶闸管控制的高阻抗变压器、晶闸管控制的
电抗器、晶闸管投切电容器、开关投切电抗器、自
饱和电抗器和静止无功发生器等。晶闸管控制的高
阻抗变压器和晶闸管投切电容器存在噪声大、制作
成本高等缺点，晶闸管控制的电抗器和静止无功发
生器存在控制难度大、制作成本高、运行维护复杂
等缺点，因而限制了这些无功补偿调节装置的进一
步推广。而磁阀式可控电抗器(magnetic control
reactor，MCR)的制作成本低，控制简单，研究
收稿Et期：2013—05．09
MCR的性能优化具有非常现实的意义l2—73。
1 提高MCR响应速度的研究
不同的应用场合对无功补偿的性能要求不同，
一些特殊的应用场合对无功补偿装置的响应速度要
求很高，要求无功补偿系统能够快速跟踪负载的变
化。
1．1 增大直流控制电压
图1为MCR等效电路，设T1在系统电源电
压的正半波时导通，则电磁方程为l8]：
fdB1一E sin wt． aE sin wt
J dt < NA 。(1—3)NA’ (t 1l )J
f dB2一Emsin cot Emsin cot
l dt— NA (1一 )NA‘
式中：B 、B 分别为电抗器两个铁心的磁感应强
度；E 为工作电压的振幅； 为工作电压的角频
广东电力 第26卷
率；t为时间；N 为电抗器的匝数；A 为电抗器
铁心的截面积； 为电抗器的抽头比。
T1
T2
图1 MCR等效电路
根据电抗器的对称性，T2在系统电源电压的
负半波时导通，电磁方程为：
fdB1一Emsin cot sin cot
I dt NA (1一 )NA’ (
2)
l dB2一Emsin cot msin oot
dt — NA ’(1一 )NA ‘
设P(t)=(B 一B )／2，由式(1)和式(2)得
P(t) 一 28t ，¨
2B 一(1一 )丁‘
式中：B 为铁心磁化曲线的饱和值；T为系统电
源电压的周期。
令P(t)=P (t)／2B ， 当电抗器工作在额定
容量时，B 中的直流分量Ba=2B ，即P (t)=
1．0，设工频周期数 =t／丁，推导得出[9]
1 一
n = ． (4)
0
由式(4)可知n与 成反比，因此可以通过增
大 来提高MCR的响应速度。
以额定容量20 kvar、额定电压400 V的MCR
为例，对 分别为3％和8％的直流控制电压 。进
行比较(如图2所示)，分析响应时间的变化。
“ “
(a)当 =3％时 (b)当 =3％时
图2 不同5值对应的u。
由图2可得： =3％ 时U。的响应时间为
20T， =8％时M。的响应时间为10丁，增大 可
以提高系统的响应速度，实验结果与理论分析基本
一致。但是，考虑到晶闸管的耐压有限，增大 。
无法满足电力系统的要求，为此需要研究新的方法
来提高MCR的响应速度。
1．2 强励磁实验
。不仅与 有关，还与晶闸管的触发角a有
关，通过软件调节 ，可以改变电抗器的直流电流
， ，进而改变电抗器的工作电流。其关系式
为 ]
，．： ± ． f )
(1+ )丁【尺 、
式中R为电抗器1／4绕组的电阻。
以额定容量为20 kvar、额定电压为400 V的
MCR为例，制定系统控制响应时间的实验方案。
实验流程为：首先通过手动触发，记录a与基本
电流的关系；然后进行系统采样，判断系统是否需
要补偿，如果需要补偿，则控制系统发出2倍额定
电流对应的触发角a ，迅速提高 。，经过，z(通过
实验来确定)个周期后，发出额定电流对应的触发
角a；如果负载系统无需大容量补偿，则可以直接
通过比例积分(proportional plus integral，PI)调
节来补偿系统。
由实验结果(如图3所示)可得：3倍额定电流
下的响应时间为8T，2倍额定电流下的响应时间
为12 71，实验数据和理论分析基本一致。实验结果
说明通过控制程序来改变电抗器上电后的触发角，
可以改变系统的响应速度。
“~ , 12T “
(a)2倍额定电流下 (b)3倍额定电流下
图3 强励磁响应波形比较
1．3 电抗器的优化设计
提高MCR响应速度的方法有：
a)在电抗器的绕组上加助磁绕组，当晶闸管
导通时，助磁绕组开始工作，工作几个周期后将其
断开。这种方法虽然可以提高电抗器的响应速度，
但电抗器的结构变得复杂，增加了加工工艺的难
度。
b)改进主电路结构，使励磁电压产生正、负
极性，达到快速励磁和去磁的目的。
c)在电抗器控制电压不变的情况下，改变电
抗器直流回路中电感的大小，使电感的减缓作用减
弱。将事先储备有一定初始电压的电容器串联到电
第9期 张健华，等：磁阀式可控电抗器的优化设计
抗器控制回路中，与控制回路构成LC串联振荡电
路，起到控制电流、提高响应速度的作用_1 。
2 MCR快速退出运行的研究
将MCR应用于风电场，当风电场母线电压跌
落时，MCR型无功补偿装置可以快速响应，在尽
可能短的时间内输出最大的容性无功功率，给予母
线电压足够的支撑。因此在电压恢复的暂态期间，
要求MCR从系统中快速切除，工作于空载运行状
态，这样才能向系统提供最大的容性无功功率。
2．1 实验
以容量20 kvar、额定电压400 V的MCR作
为样机进行实验。在400 V 的额定电压下，通过
调整 来改变电抗器的工作电流 ，使电抗器工作
于额定电流(28．9 A)的状态，然后停止对晶闸管
的触发，将MCR快速退出，使其运行在空载状
态。用示波器记录从额定工作状态至空载暂态期间
W 相线电流 的暂态过程，如图4所示。由图4
可得MCR退出系统时的响应时间大约为30丁。
O t
图4 MCR从额定运行到空载运行期间的电流波形
MCR的响应时间过长主要是晶闸管停止触发
后，直流偏磁电流经过二极管续流回路时衰减得比
较慢。因此要提高MCR的响应速度，就应当减少
直流偏磁电流的衰减时间。
2．2 优化设计
可以通过两种方法来提高MCR退出运行的响
应速度。方法一：外加直流电源，当需要MCR退
出运行时，外加直流电源给电抗器注入与直流偏磁
电流相反的直流电流，以抵消直流偏磁电流，从而
提高MCR从额定运行到退出运行的响应速度。这
种控制方法比较复杂，可靠性不高，而且成本比较
高，不利于MCR的市场化。方法二：在二极管续
流回路中串联一个电阻，并在电阻两端并联一个晶
闸管(如图5所示)，利用电阻来减少直流偏磁电流
的能量消耗时间，从而提高MCR退出运行的响应
速度。
Tl
T2
图5 改进后的MCR等效电路
由于电抗器相当于一个大电感，电感电流不能
跃变，不能立刻从额定电流减小至空载电流，二极
管D和电阻R将作为续流通道完成直流偏磁电流
的续流，利用附加串联的电阻来消耗直流偏磁电流
的能量，从而减少直流偏磁电流的续流时间，使
MCR快速退出运行。
通过实验对比得出结论：续流二极管的串联电
阻为3 Q(约为MCR直流电阻的1／3)时，MCR退
出运行的响应时间最短。
3 结束语
本文提出了通过软件控制电抗器触发角来提高
MCR响应速度，通过控制续流二极管的关断来使
MCR快速退出系统运行的方案。以现场模拟实验
验证方案的可行性，得出该优化方案具有实际应用
价值的结论。
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作者简介：
何振翔(1986)，男，广东河源人。助理工程师，工学学士，从
事一次设备变电检修5-作。
伍国兴(1979)，男，广东顺德人。工程师，工学硕士，从事一
次设备变电检修及技术管理工作。
张繁(1985)，男，湖北广水人。助理工程师，工学学士，从事
一次设备变电检修工作。
(编辑钟美玲)
(上接第79页)
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作者简介：
张健华(1985)，男，山西晋州人，助理工程师，工学硕士，
从事变电运行工作。
黄兆(1985)，女，湖南浏阳人。助理工程师，工学硕士，从事
变电运行工作。

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