【電抗器常識】可調電抗器(磁控電抗器)的原理分析 可調電抗器(磁控電抗器)的原理分析
關于可調電抗器的原理分析，可以通過對帶氣隙變壓器的電壓方程分析得知，當在變壓器的二次側采用有源的方式注入一個與一次側電流頻率相同、相位相反的電流時，隨著注入電流的幅值的變化，變壓器的主磁通會發生連續變化，從而實現了變壓器的一次側阻抗的連續無級可調。此新原理可用于故障電流限制，控制電力系統潮流，消弧線圈和TCSC(晶閘管控制串聯電容器)等領域，在電力系統柔性輸電裝置中將有廣闊的應用前景。實驗結果證明此新原理的正確性。
1 引言
為了提高電網的輸電能力，調節電網電壓，補償無功，電力系統中需要采用一個具有可變阻抗的電抗器。現有的可調電抗器大致可以分為如下幾種方案[1~3]：① 調節電抗器抽頭;② 調節電抗器氣隙;③ 直流助磁式;④ TCR(晶閘管控制電抗器)、TCSC中采用調節晶閘管觸發角的方式。在這幾種方案中，采用調節電抗器抽頭方案成本很低，調節方便，但電感量無法連續調節;調節電抗器氣隙方案電感量可以連續調節，結構也簡單，但是需要較為精密的機械傳動裝置，響應慢，噪聲也很大;而采用直流助磁式方案通過調節直流激磁電流的大小改變交流等值磁導從而實現電感連續可調，其響應速度快，但長期正常運行時，鐵心處于磁飽和狀態、損耗大、噪聲大，諧波較大，而且要通過磁飽和使電抗器勵磁阻抗變得很小是很難的;在TCR、TCSC方案中，由于采用晶閘管調觸發角的方式改變電感量，因此必然產生諧波污染[4]。
本文提出了一種基于磁通可控的可調電抗器的新原理，通過在帶氣隙變壓器的二次側采用有源的方式注入一個與一次側電流頻率相同、相位相反的電流，改變變壓器的二次側注入電流的大小便可實現變壓器主磁通的連續可調，從而實現變壓器一次側阻抗的連續可調。與現有的可調電抗器相比，當變壓器中帶有氣隙時，該基于磁通可控的可調電抗器沒有飽和現象，不產生諧波并可以實現電抗值的無級可調。
2 磁通可控的可調電抗器原理
如圖1所示，設在一帶氣隙串聯變壓器鐵心上一次側繞組AX的匝數為W1，二次側繞組ax的匝數為W2，則一次側與二次側的匝比k =W1/W2。若將此變壓器的一次側AX串聯接在電網和一個負載之間，則在其一次側便有電流i1流過。通過檢測變壓器一次側電流i1，并采用一個電壓型逆變器跟蹤此電流從而產生一個電流i2，將i2反相位注入變壓器的二次側，則此變壓器即為圖1所示的雙邊勵磁的串聯變壓器。此雙邊勵磁的串聯變壓器的T形等效電路如圖2所示(i2折算到變壓器一次側后為 )，其中：Z1=r1+jx1是一次側AX線圈的漏阻抗; 為變壓器二次側折算到一次側的漏抗;Zm=rm+jxm為變壓器勵磁阻抗?
當變壓器空載運行時，鐵心中建立了 的空載磁勢，由此空載磁勢產生的主磁通ΦmN，該主磁通在變壓器一次側產生的感生電動勢?其中 a為一實數，且0≤a≤1。
從式(5)可知，由AX端看進去，變壓器呈現的阻抗為一可變量，其大小與a 滿足一定比例關系。因此通過調節a 的大小，可改變變壓器二次側的磁勢，從而改變了變壓器鐵心中的主磁通，變壓器的一次側也會呈現一無級可調阻抗。該原理可用于現行的很多FACTS(柔性輸電系統)裝置和消弧線圈中，例如：在UPFC(統一潮流控制器)[5]和TCSC(晶閘管控制串聯電容器)[3]中，只須連續改變系統阻抗便可以控制線路潮流;在FCL(故障電流限制器)中，正常運行時令a =1，可調電抗器呈現很小的一次側漏阻抗，對系統基本沒有影響，當出現故障時，通過一定控制立即令a =0，該可調電抗器為勵磁阻抗，從而將故障電流限制在一定范圍內;這些都可以根據該基于磁通可控的可調電抗器新原理來實現。因本方案通過變壓器的主磁通往下調且帶有空氣隙，因此該可調電抗器沒有飽和現象，而且在實現阻抗連續可調時不產生任何諧波。
3 磁通可控變壓器的兩種特殊情況
4 實驗電路結構及控制方式
為了證明上述原理的正確性，本文設計了一套基于磁通可控的可調電抗器原理電路如圖5，一串聯變壓器的一次側AX串聯接在電力系統和一阻性負載Rd之間，Us為電網的電壓，Ls為電力系統的等效內阻。變壓器的二次側ax和一個電壓型逆變器接在一起，此逆變器用于產生一個磁通補償電流。Ud 為逆變器的直流側電壓，Ld 和 Cd用于抑制逆變器產生的高頻紋波。檢測電路和整個控制電路用于產生一個與變壓器一次側電流頻率相同，相位相反的補償電流。
電壓型PWM逆變器的電流控制方式一般有3種[6]，本文選擇了滯環電流控制這種目前應用最為廣泛而且實現起來最簡單的電流控制方法，它將補償參考電流與逆變器的輸出電流進行比較，當實際電流大于給定值，則通過改變逆變器中對應的開關器件的開關狀態，使實際電流減小;反之，若實際電流小于給定值，則通過改變逆變器中對應的開關器件的開關狀態，使實際電流增大。滯環電流控制對負載和系統參數變化具有強魯棒性，其動態響應速度快。
5 實驗結果及分析
本文根據磁通可控的可調電抗器的原理電路圖5設計了一套實驗裝置。其中，變壓器的變比為1:1，勵磁阻抗Zm為16.309W，一次側漏阻抗Z1為0.088 W，負載Rd取為10.1 W。系統電壓為150V，直流電壓為240V，開關器件為SEMIKRON公司的NPT型 IGBT SKM300GB123D。通過調節注入變壓器二次側電流的大小，使a 在0到1之間變化，測量變壓器一次側的電壓UAX和電流I1，則可計算出變壓器一次側的等效阻抗ZAX=UAX /I1，其結果如表1。 |
