基于PSCAD磁飽和式可控電抗器的研究與仿真

王慧麗，王春雨

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2．東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)

0 引言

隨著現代工業的發展，可控電抗器不僅在高壓電網中作為電壓控制和無功補償的主要元件，而且在配電網中也作為消弧系統的主要元件。傳統機械式可控電抗器結構簡單、成本較低，但是調節速度慢，同時伴隨機械運動，使用壽命低;傳統調磁式可控電抗器響應速度快、調節范圍寬，但是結構復雜，控制也比較復雜，而且會帶來大量的諧波污染。因此，為了解決可控電抗器現存的問題，本文介紹一種磁飽和式可控電抗器，它是通過改變晶閘管的導通角來改變直流控制電流的大小，從而改變鐵心的飽和程度，達到平滑調節電感量的目的。

1 磁飽和式可控電抗器的拓撲結構［1］

圖1為單相磁飽和式可控電抗器的拓撲結構圖，圖2為其結構電路圖。可控電抗器由兩個等截面(截面積為S)、等長度(長度為l)的主鐵心Ⅰ、Ⅱ和為使電抗器電流正負半波對稱的兩個等截面、等長度的旁軛Ⅰ、Ⅱ組成。為使主鐵心飽和，主鐵心的截面積小于旁軛截面。鐵心Ⅰ和旁軛Ⅰ、鐵心Ⅱ和旁軛Ⅱ分別組成兩條交流磁通ΦA的回路，鐵心Ⅰ和鐵心Ⅱ組成直流磁通ΦD的回路。每個鐵心柱上繞有總匝數為N的上、下兩個繞組，每個繞組各有一個抽頭，分別與晶閘管VT1、VT2相連，抽頭比δ=N2/N，N=N1+N2。不同鐵心的上、下兩個繞組交叉聯接后并聯至電網，續流二極管VD跨接在兩個繞組的交叉處。

2 磁飽和式可控電抗器的工作原理［2］

若VT1、VT2不導通，根據繞組結構的對稱性可知，此時電抗器與空載變壓器沒有差別。當電源處于正半周時，晶閘管VT1承受正向電壓，VT2承受反向電壓，若VT1被觸發導通(即a，b兩點等電位)，電源經變比為δ的線圈自耦變壓后，由匝數為N2的線圈向電路提供直流控制電壓和電流。同理，若VT2在電源負半周時被觸發導通，也將產生直流控制電壓和電流，而且，控制電流的方向與VT1導通時一致。在電源的一個工頻周期內，晶閘管VT1、VT2的輪流導通起了全波整流的作用，二極管起著續流作用。改變VT1、VT2的觸發角α便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵心的飽和度，以平滑連續地調節電抗器的容量。

假設晶閘管VT1、VT2以及二極管VD都為理想開關器件，電抗器有5種工作狀態:

3 磁飽和式可控電抗器的數學模型［3］

3.1 可控電抗器的電磁方程

圖3 可控電抗器的工作狀態圖

設鐵芯Ⅰ、Ⅱ的磁勢分別為F1、F2，磁路長度為l。根據圖2的結構電路圖，可得可控電抗器的磁勢方程為

設鐵心電阻為R，截面積為S?？煽仉娍蛊髟跔顟B1的電磁方程如式(1)所示，其它幾種狀態同理可推出。

3.2 可控電抗器的等效電路

由可控電抗器的電磁方程，可得控制電壓為

于是，主回路和控制回路的電壓方程分別為

式中:δ為抽頭比;S為鐵心截面積;ic為控制電流;i為電抗器總電流。

由式(2)、式(3)可得可控電抗器等效電路，如圖4所示。

圖4 可控電抗器的等效電路

4 可控電抗器在消弧系統中的應用［4］

根據磁飽和式可控電抗器的原理制作的消弧線圈，可應用于中性點經消弧線圈接地的配電網中。如果忽略電導的影響，以A相電壓為參考向量，則中性點位移電壓為

其有效值為

式中:Uφ為系統對地電壓有效值;IC為三相總電容電流有效值;IN為流經消弧線圈電流有效值;UN為系統中性點電壓有效值。

通過改變晶閘管的觸發角來調節可控電抗器的電感，可得兩組節點方程，將兩式相除則有:

由式(4)－式(6)可見，只要測得兩組UN、IN的值，就可計算出三相總電容電流。當晶閘管觸發角α=180°時，電抗器的感抗很大，中性點位移電壓不大，故可忽略電感電流，消弧線圈上的電壓可認為就是系統不對稱電壓，記為UC，則式(6)可寫為

根據上式，只要在可控電抗器空載狀態下測得其兩端電壓UC，再增加激磁，測得1組UN、IN，即可計算出IC。

5 仿真分析

為了進一步研究可控電抗器的特性，采用了電力系統分析軟件PSCAD/EMTDC進行仿真研究。根據前面推導出的可控電抗器的等效電路，建立了可控電抗器的仿真模型，如圖5所示。

圖5 磁飽和式可控電抗器的仿真模型

設定磁飽和式可控電抗器的參數如下:單相容量為1 kVA，Um=380V，δ=0.015，N=500，R=10 Ω。圖6為可控電抗器從空載到額定負載過渡過程的工作電流波形，自耦比δ為0.015時，過渡時間約為0.3 s。圖7為可控電抗器工作電流的穩態波形。

在額定電壓下，工作電流標幺值隨晶閘管觸發角改變而變化的仿真曲線如圖8所示，其中每0.1代表1 rad。由圖8可見，可控電抗器的調節特性近似余弦關系。

圖8 可控電抗器的調節特性

6 結論

本文介紹的磁飽和式可控電抗器，是通過調節晶閘管的導通角來改變控制電流產生的直流磁通大小，使鐵心的工作點隨之改變，從而達到平滑調節電抗值的目的。通過對可控電抗器工作原理與數學模型的詳細分析，在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，并進行模擬實驗，結果表明:磁飽和式可控電抗器具有調節性能好、原理簡單、技術易于實現等特點。

［1］田銘興，勵慶孚，王曙鴻．磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數學模型［J］．電工技術學報，2002，Vol.17(04):18 －21．

［2］陳湘，童澤，歐陽廣．磁飽和式可控電抗器的工作特性及其仿真研究［J］．高壓電器，2009，Vol.45(02):53 －56．

［3］陳柏超．新型可控飽和電抗器理論及應用［M］．武漢:武漢水利電力大學出版社，1999．41 －114．

［4］周臘吾，都磊，肖磊等．磁飽和式可控電抗器在配電網電容電流檢測中的應用［J］．繼電器，2007，Vol.35(suppl):311－314．