一種新型磁控電抗器的快速勵磁及去磁

      摘 要：磁控電抗器(MCR)作為一種SVC裝置，主要應用在補償系統無功、抑制電壓波動和閃變等方面，因此快速性是其至關重要的一個特性。以提高可控電抗器在接入電網時自身響應速度為目的，根據其工作原理，對其快速性展開了深入探討和研究，在快速勵磁基礎上，提出了快速去磁方法，通過EMTDC／PSCAD軟件進行了仿真，并進行了實驗驗證。結果表明其快速性得到了很好改善。

      關鍵詞：磁控電抗器；勵磁；去磁；
   
      一、引 言
      可控并聯電抗器可簡化系統無功電壓控制，抑制工頻過電壓和操作過電壓，動態補償線路充電功率，抑制潛供電流等，能滿足系統多方面需求，因此具有廣闊的應用前景。作為可控并聯電抗器，MCR具有適用電壓范圍寬、可靠性高、諧波小等顯著優點，是一種經濟、高性能的靜止型無功補償裝置。但MCR的部分特性(如諧波特性、快速性)需要進行改善，以便更好地應用于電力系統。這里針對MCR的快速性展開了相應探討和研究，并提出一種可快速勵磁及去磁的電路方案。

      二、磁控電抗器的工作原理及快速性
      磁控電抗器主鐵心分裂為兩半，即鐵心1和鐵心2，截面積為A，每一半鐵心截面積具有減小的一段，4個匝數為N／2的線圈分別對稱繞在兩個半鐵心柱上，半鐵心柱上的線圈總匝數為N，每一半鐵心柱的上下兩繞組各有一抽頭比為δ=N2／N的抽頭，它們之間接有晶閘管KP1(KP2)。不同鐵心上的上下兩個繞組交叉連接后，并聯至電網電源，續流二極管則橫跨在交叉端點上，對大容量的MCR而言，δ取值通常很小，因此KP1(KP2)的工作電壓遠小于其額定電壓。圖1為MCR結構電路。

      在整個容量調節范圍內，只有小面積段的磁路飽和，其余段均處于未飽和的線性狀態，通過改變小截面段磁路的飽和程度來改變電抗器容量。在電源的一個工頻周期內，KP1，KP2輪流導通，起到了全波整流的作用，二極管起續流作用。改變KP1，KP2的觸發角便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵心飽和度，以平滑連續地調節電抗器容量。2．2 磁控電抗器的快速性MCR的響應時間決定于：n=(1-δ)／(2δ)，n為MCR容量從空載到額定值所需的工頻周期數。

      可見，n與MCR的抽頭比6成反比。對大容量MCR而言，δ取值通常很小，并且在實際應用中考慮到MCR的有功損耗，其響應時間約在0．19～0．66s。但當MCR應用在抑制電壓閃變、自動調諧消弧線圈、動態無功補償等方面時，此響應時間顯然不滿足工況要求，因此需要有更快的響應速度，在一個工頻周期內達到額定工作狀態，即快速勵磁，并且需要它從額定狀態到空載的響應速度也在一個工頻周期內，即快速去磁。

      三、磁控電抗器快速勵磁及去磁工作原理
　　基于上述分析，提出MCR快速勵磁及去磁的等效電路，如圖2所示。電路由升壓斬波電路(主要用于給電容儲能)、電容C和V2構成的快速勵磁電路、由去磁電阻R2和V4構成的快速去磁電路，及MCR本體的工作回路和控制回路組成。該電路具體工作原理為：
　　　
　　狀態1：根據MCR具體的應用電壓等級場合，來選擇升壓斬波電路中的電壓源值，并調節其內部IGBT的導通占空比，使C上電壓值滿足在控制電源電壓值最大時，其放電時間不少于一個工頻周期(20 ms)。待電容電壓值穩定后，此時C上的儲能為：，U0為電容上電壓值。此狀態內V1，V2和V4處于斷開狀態，V3閉合。

　　狀態2：當電力系統發生電壓波動，需要MCR工作來補償無功時，V2導通，C向控制繞組(電感L)放電，要讓L中的電流在極短時間內從零變為一定值，由WL=LI2／2可知，需快速給控制繞組儲能。這就需要電容和電感間迅速的能量傳遞。其又為一個二階等效電路繞組電阻值。U的值在系統發生電壓波動瞬間，由KP1(KP2)的導通角便可得出。
　　　
　　狀態3：V1在V2關斷5 ms后導通，投入工作電壓，延時5 ms是防止兩個不同的電壓并聯。此時電流仿真波形如圖3a所示。由圖可見，MCR經過快速勵磁后，其工作電流在一個工頻周期內即到達了額定狀態。但也可明顯看到當MCR退出系統后，仍有較長去磁時間，這對系統的穩定相當不利。因此電路中必須有快速去磁環節。

      狀態4：在MCR退出瞬間，使V4導通，投入快速去磁回路，延遲5 ms后切斷V3，防止V3先斷開時對電路沖擊過大，損壞器件。由其數學模型τ=L／R可知，R越大，τ越小，快速性越高。快速去磁后的工作電流ig和控制電流ik波形如圖3b所示。可見，在MCR退出系統一個周波內，ig便可降到接近于零。此處控制電路的另一大優點是，在進行完一次無功補償后，當檢測到C值減小時，升壓斬波電路與C連通，給C充電，使C上電壓值恒為初始值，為下一次補償作準備。從而可以連續、無限次地作用于系統。

      四、磁控電抗器實驗結果
      此處裝置控制器由DSP，FPGA和CPLD等構成，其中DSP模塊負責完成數據處理，與上位機(人機交互系統)的通信及與下層結構(FPGA)的數據交換；FPGA模塊完成電壓、電流等各變量采樣及各變量的邏輯運算，并上傳數據給上層結構DSP。并將信息和數據下發給下層結構CPLD；CPLD負責直接給功率單元(IGBT模塊)的控制板下發各項數據和指標，如PWM脈沖，死區產生。基于380 W12 A磁閥式MCR進行具體實驗。交流電壓源e有效值為380 V，大功率電阻R2=200 Ω，線路等效電阻為R1，工作電源和控制電源等效內阻分別為R3和Rk，C=330μF。實驗波形見圖4。

      由圖可知，當投入快速勵磁電路時，ik在半個工頻周期內迅速達到穩定工作值，所對應的ig在其作用下也在半個工頻周期內達到預定飽和值，實現快速勵磁；當投入快速去磁電路后，ik在半個工頻周期內迅速由穩定工作值降為零，所對應的ig在其作用下也在半個工頻周期內從預定飽和值降為零，即實現快速去磁。

      五、磁控電抗器結論
      提出一種新型磁控電抗器的快速勵磁及去磁電路。對所設計的電路進行仿真及具體實驗，可見，從空載到額定狀態和從額定狀態到空載的工作電流均達到了一個工頻周期內的響應速度。該電路起到了快速勵磁及去磁作用，極大地提高了磁控電抗器的特性，很好地實現了快速處理電壓閃變和波動。實驗電路中用DSP和FPGA混合控制系統來控制各個IGBT的工作狀態，更好地確保了該電路工作的穩定性。