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)

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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有廣闊的應用。現有的可用于超高壓電力系統的自勵式磁控電抗器的暫態相應時間很長，不能滿足電力系統要求。提出一種可用于超高壓電力系統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響應時間縮短至現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調節的電抗器，在電力系統中有廣泛的應用[1-3]。磁控電抗器的基本工作原理是：連續調節磁控電抗器閉環鐵心上直流線圈中直流電流的大小，達到連續調節閉環鐵心的飽和程度，實現連續調節閉環鐵心上交流線圈(電抗線圈)中過勵磁電流大小，即連續調節磁控電抗器的電抗值。對磁控電抗器的研究，已經有許多成果[4-9]，但是，現有的磁控電抗器的暫態響應時間較長，不能滿足電力系統需求。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。文獻[12]提出一種可應用于超高壓電力系統的自勵式磁控電抗器，但該自勵式磁控電抗器的暫態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是磁控電抗器閉環鐵心，D1，D2是晶閘管，控制電路4控制晶閘管觸發角的大小。線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4匝數相等，匝數等于同等電壓等級變壓器線圈匝數的1/2。線圈L5、線圈L6匝數相等，匝數與其他線圈的匝數不相等，以便晶閘管D1，D2兩端獲得交流電壓。D3為續流二極管。

第一種磁控電抗器線圈L5、線圈L6匝數是線圈L3、線圈L4匝數的2.02倍。第二種磁控電抗器線圈L5、線圈L6匝數是線圈L3、線圈L4匝數的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匝數比線圈L1、線圈L3匝數之和還多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最大電抗Zmax。

如果晶閘管D1，D2被觸發為全導通。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。磁控電抗器鐵心出現飽和，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4呈現較大的過勵磁電流。第一種磁控電抗器呈現最小電抗Zmin。

調節晶閘管D1，D2觸發角的大小，可調節線圈L5、線圈L6中直流電流的大小，從而可調節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、變化。實現第一種磁控電抗器電抗值的連續調節變化。

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匝數比線圈L3匝數多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最大電抗Zmax。

如果第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2被觸發為全導通。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生的磁通被線圈L1直流電流產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生的磁通被線圈L2直流電流產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。磁控電抗器鐵心柱出現飽和，線圈L1、線圈L2、線圈L3、線圈L4呈現較大的過勵磁電流。第二種磁控電抗器呈現最小電抗Zmin。

調節第二種磁控電抗器晶閘管D1，D2觸發角的大小，可調節線圈L5、線圈L6中直流電流的大小，從而可調節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、變化。實現第二種磁控電抗器電抗值的連續調節變化。

2　磁控電抗器的仿真分析

2.1暫態響應時間仿真分析

首先研究分析10 kV磁控電抗器,積累經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：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變壓器的規格參數與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被觸發成全導通狀態的條件下，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：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變壓器的規格參數與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，暫態響應時間0.14 s。

如果把圖4所示仿真模型中的參數修改為：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保持不變。對修改參數后的圖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。可以觀察到，第一種磁控電抗器的暫態響應時間1.4 s，第二種磁控電抗器的暫態響應時間0.14 s。第二種磁控電抗器暫態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。可以觀察到，第一種磁控電抗器的暫態響應時間1.4 s，第二種磁控電抗器的暫態響應時間0.06 s。第二種磁控電抗器暫態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生的磁通被線圈L1直流電流在鐵心柱中產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生的磁通被L2線圈直流電流在鐵心柱中產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電流的暫態過程與線圈L5電流的暫態過程對沖；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電流的暫態過程與線圈L6電流的暫態過程對沖。實驗表明，同一鐵心柱上的兩線圈電流方向如果發生對沖，可減小線圈電流暫態過程。

(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響應時間。

3　結論

新型自勵式磁控電抗器結構在不比現有磁控電抗器復雜的條件下，暫態響應時間縮小至現有磁控電抗器的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保護與控制、電力系統及其自動化，E-mail:lixm@sdu.edu.cn。

TM472

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.005