【正文】 電源負(fù)半碩士學(xué)位論文 8 周 時(shí) ，晶閘管 2T 接收觸發(fā)脈沖后導(dǎo)通， c、 d 點(diǎn)電位相同， 圖 23（ b）給出了晶閘管導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖 。 所以 ，只 需要對(duì) 1T 、 2T 進(jìn)行 觸發(fā)角的 控制， 可控電抗器的容量就 能夠?qū)崿F(xiàn) 平滑 、 連續(xù)地調(diào)節(jié) ， 從而 達(dá)到 調(diào)節(jié)系統(tǒng) 功率因數(shù)的要求。i (約為 i 的一半 ) 以及 直流控制電流 39。兩個(gè)匝數(shù)為 1N/2 的線圈 (串聯(lián) )流過(guò) 的是 直流控制電流， 直流控制電流 在兩個(gè)半鐵芯內(nèi)所產(chǎn)生的控制磁通 可以 自我閉合，上下兩組串聯(lián)的繞組流過(guò)工作電流 39。 通過(guò)以上分析可知 ，磁閥式可控電抗器的工作 繞組和 控制繞組 是 合并 在一起的 ， 這樣能夠降低 損耗， 且 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 控制電流獲取形式不同 ，可以 導(dǎo)致電抗器 的 伏安特性差異很大 ，磁閥式可控電抗器的伏安特性近似線性 ，而 傳統(tǒng)電抗器 的 伏安特性則明顯具有非線性特征 。從而可以 用 圖 24(a)表示簡(jiǎn)化后的 磁路系統(tǒng) ，由圖可知， 電抗器的磁路結(jié)構(gòu) 是 “ 閥式 ” 的 ，當(dāng)小截面段鐵芯完全進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，可看成關(guān)閉 了 磁閥門，2 磁閥式可控電 抗器的工作原理及數(shù)學(xué)模型 9 是最大磁阻 的 狀態(tài)，這種情況下，整個(gè)磁路與長(zhǎng)度為 l ，面積為 S 的空氣隙相似，這樣的話，面積為 S 的鐵芯段處于 線性 不飽和 狀態(tài)。 ?lRqR ?FlSSl lB qB（ a ） 磁 閥 結(jié) 構(gòu) （ b ） 磁 閥 門 關(guān) 閉 （ c ） 磁 閥 門 全 部 打 開 （ d ） 等 效 電 路 圖 24 可控電抗器的磁路分析 Figure 24 Magic circuit analysis of controllable reactor 對(duì)于磁閥式 可控電抗器的電磁方程 ， 主要 是推導(dǎo)電抗器的 半鐵芯柱磁路中總磁通 (或磁感應(yīng)強(qiáng) 度 B)及其與鐵芯磁勢(shì)的關(guān)系，因?yàn)樾∶娣e段 l 以外 的 大面積段鐵芯磁阻 的 忽略， 若設(shè) l 段磁路 (鐵芯磁阻與空氣磁阻 的 并聯(lián) )截面積的等效 值 為eS ，長(zhǎng)度為 l ， 等效的 磁導(dǎo)率 用 兩個(gè)并聯(lián)磁阻磁導(dǎo)率的平均值 來(lái)表示 ，等效磁路中 用 B 表示 磁感應(yīng)強(qiáng)度， 那么等效 磁通為 eSB?? ? ， 用 H=f(B)表示 磁化曲線，等效 的 磁化曲線 [17]能夠根據(jù)以下分析來(lái) 確定。 數(shù)學(xué)模型 （ Mathematic model） 在電源電壓 U sinmEt??的一個(gè)工頻周期內(nèi)，磁閥式可控電抗器輪流觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管 T1 和 T2 產(chǎn)生直流控制電流， 對(duì) 觸發(fā)控制角 進(jìn)行 調(diào)整就可以改變控制電流大小 ， 從而 將 鐵芯的磁飽和度 改變 ， 實(shí)現(xiàn) 電抗器容量的平滑調(diào)節(jié)。 綜上，可歸納出磁閥式可控電抗器在正弦穩(wěn)態(tài)工作電壓作用下， T T D輪流導(dǎo)通示意圖如D導(dǎo)通DT 1導(dǎo)通T 1導(dǎo)通DT 1導(dǎo)通D導(dǎo)通DT 2導(dǎo)通DT 2導(dǎo)通T 2導(dǎo)通ααγγω te sinmEt??1? 1? 圖 25 所示： D導(dǎo)通DT 1導(dǎo)通T 1導(dǎo)通DT 1導(dǎo)通D導(dǎo)通DT 2導(dǎo)通DT 2導(dǎo)通T 2導(dǎo)通ααγγω te sinmEt??1? 1? 圖 25 工作狀態(tài)過(guò)程 Figure 25 Working process transformation 對(duì)于有較大容量的磁閥式可控電抗器，其抽頭比δ一般在控制在 ~之間，故γ在 176。 工作特性 （ Working characteristics） 諧波特性 可控電抗器的磁感應(yīng)強(qiáng)度由鐵芯和工作繞組的對(duì)稱性可知有如下的關(guān)系 [20]： 1221( ) ( )( ) ( )B t B tB t B t? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? (222) 一般情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度是非正弦的，為不失一般性，可假設(shè) 1B 有如下形式： 1 1 1 2 2 3 3( ) c o s( ) c o s( 2 ) c o s( 3 ) ... ...d m m mB t B B t B t B t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(223) 碩士學(xué)位論文 14 則得出 2B 可有以下形式： 2 1 1 2 2 3 3( ) c o s( ) c o s( 2 ) c o s( 3 ) ... ...d m m mB t B B t B t B t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(224) 由 圖 26 可知，控制繞組的感應(yīng)電勢(shì)為： 1 1 2111 2 2 4 4()[ 4 s i n ( 2 ) 8 s i n ( 4 ) . . . . . . ]2ymmd B d B d BeSd t d t d tdBN S B t B tdt??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (225) 由上式可知，由于磁閥式可控電抗器控制回路繞組的反串聯(lián)，奇次諧波是相互抵消的，諧波分量只有偶次的，從而削弱了感應(yīng)電勢(shì)，其中最主要的是兩倍頻率的交流分量。 磁閥式可控電抗器的 n 次諧波電流標(biāo)幺值為 [21] 1 sin sin( n 1 )[]( 2 1 ) 2 ( 2 1 )n nI n n n? ? ???? ? ? (226) 在磁閥式可控電抗器的容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，與電抗器的基波額定電流的幅值相比，其注入電網(wǎng)的 35 、 次諧波的電流幅值要小得多，分別不高于基波電流幅值的 6 .8 9 % 2 .5 2 % 1 .2 9 %、 、 。 伏安特性 改變可控電抗器的電源電壓 [22]，可以得到其電壓與電流的關(guān)系曲線，即為電抗器的伏安特性。 2 磁閥式可控電 抗器的工作原理及數(shù)學(xué)模型 15 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 1 . 00 . 8 0 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0?1 8 0 176。 3 6 176。 7 2 176。1 . 00 . 80 . 60 . 4 0 . 20導(dǎo) 通 觸 發(fā) 角 α基波電流標(biāo)幺值 圖 28 磁閥式可控電抗器控制特性圖 Figure 28 Control characteristic diagram of magicvalve controlled reactor 磁閥式可控電抗器的基波電流為： 1 ( si n ) / 2I ? ?? ? ? (227) 晶閘管導(dǎo) 通觸發(fā)角 ? 與飽和度β的關(guān)系如下： 2c o s ( sin c o s ) 12 2 2? ? ?? ? ? ?? (228) 磁閥式可控電抗器的觸發(fā)角 ? 與其電流幅值關(guān)系是明顯非線性的，近似余弦碩士學(xué)位論文 16 關(guān)系。 在磁閥式可控電抗器的抽頭比 ? 比 大的情況下，電抗器的響應(yīng)時(shí)間能夠降低到五個(gè)工頻周期內(nèi)，也就是響應(yīng)時(shí)間可以在控制在 秒內(nèi)。最后從理論推導(dǎo)及公式方程上得出了磁閥式可控電抗器諧波特性、伏安特性、控制特性等 工作特性 。 。 磁閥式可控電抗器的磁路結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其小截面段的橫向磁場(chǎng)有重大影響，橫向磁場(chǎng)的減弱會(huì) 使 磁閥式可控電抗器的附加損耗 得到降低 。則磁閥式可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間就大約為 10~33 個(gè)工頻周期，這樣的話，在某些應(yīng)用中如果對(duì)電抗器 的響應(yīng)速度有較高要求，不對(duì)電抗器采取任何措施 就 是不能滿足要求的，因此，研究磁閥式可控電抗器響應(yīng)速度的提高是很有必要的。 有功損耗 通過(guò) 大量數(shù)值計(jì)算及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 磁閥式 可控電抗器 只有其 抽頭比 δ 與其 有功損耗 有關(guān)系，兩者之間的關(guān)系 如下式所示 [26]： 4(1 )PQ? ???δ (229) 由此可知，可控電抗器的抽頭比越小，其有功損耗也就越小。 1 4 4 176。mE?/標(biāo)幺值mI?/ 標(biāo) 幺 值 圖 27 伏安特性 Figure 27 Voltampere characteristic 控制特性 可控電抗器在其額定的正弦電壓下，觸發(fā)角與基波電流幅值的變化關(guān)系稱為其控制特性 [25]。 1 0 8 176。圖中給出了晶閘管不同導(dǎo)通角度下電壓電流關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)是電壓幅值的標(biāo)幺值，橫坐標(biāo)是電流幅值的標(biāo)幺值。我們可以采用三相三角形的接線方式，使 3 次諧波電流只 流動(dòng) 于磁閥式可控電抗器的內(nèi)部，而不注入到電力系統(tǒng)中。對(duì)不同容量的電抗器只討論其基波電流幅值與該容量下諧波電流幅值的百分比是沒(méi)有任何意義的。 等效電路 （ Equivalent circuit） 由磁閥式可控電抗器電磁方程知，電源正負(fù)半周的磁狀態(tài)是對(duì)稱的，所以我們可以只考慮電源電壓處于正半周時(shí)情況，負(fù)半周的工作情況可以由對(duì)稱性得出。 為方便 推導(dǎo)磁控電抗器的數(shù)學(xué)模型， 做出以下的假設(shè) ： （ 1） 采用的 二極管 和 晶閘管 都是 理想 的 ， 也就是在 它們截止時(shí) 有 無(wú)窮大電阻 ， 導(dǎo)通時(shí) 的 電阻壓降為零 ； （ 2） 用 B B2 分別 表示 兩個(gè)半鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，方向分別與其對(duì)應(yīng)電流滿足右手螺旋關(guān)系。 做如下的 假設(shè)： (1)邊緣效應(yīng)以及漏磁 忽略 不計(jì)； (2) 沿鐵芯截面分布的磁感應(yīng)強(qiáng)度是均勻的； 鑒于 以 上兩個(gè)假設(shè)，在氣隙磁路中是沒(méi)有邊緣擠壓效應(yīng) 的， 鐵芯 和 氣隙中的磁力線是圓筒形分布的。在其余情況下， 在 面積為 SSl的空氣隙 中 將有部分磁力線 穿 過(guò)；其余磁力線通過(guò)鐵芯 的 小截面段，前 一部分 是線性磁阻，后 一部分 是非線性磁阻。 磁路分析 （ Magic circuit analysis） 如 圖 22 所示，大截面段 S 和小截面段 Sl (長(zhǎng)度為 l )串聯(lián)組成 了 磁閥式可控電抗器的鐵芯磁路。 （ 2） 最基本的工 作原理都是通過(guò)控制 直流電流 達(dá)到 鐵芯飽和度的 控制 ， 從而對(duì) 電抗器容量 實(shí)現(xiàn) 連續(xù)、平滑 地 調(diào)節(jié)。39。39。i 、 39。 改變控制電流的大小 可以通過(guò) 改變 兩晶閘管 的觸發(fā)角 實(shí)現(xiàn) ， 從而達(dá)到 改變電抗器飽和度的 目的。39。圖 22 給出了 磁閥式可控電抗器 的電路圖 ， 在 晶閘管不 觸 發(fā) 導(dǎo)通 的情況下 ， 可控電抗器的為空載，從 繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性 可得出，此時(shí)的 電抗器 無(wú)異于一 空載變壓器。ki39。i39。39。i 39。 T 1 T 2B 1 B 2e sinmEt??S/2N Llabcde fD?1 /2N?2 /2N Sl 圖 21 磁 閥式可控電抗器的原理接線圖 Figure 21 Diagram for connection of magicvalve controlled reactor 2 磁閥式可控電 抗器的工作原理及數(shù)學(xué)模型 7 1 /2N2 /2NabcdefDe sinmEt??2T1T 圖 22 磁閥式 可控電抗器的電路圖 Figure 22 Circuit diagram of magicvalve controlled reactor ++++39。 工作鐵芯長(zhǎng)度為鐵芯有效長(zhǎng)度減去圖中的小截面長(zhǎng)度 l 。采用理論推導(dǎo)的方法，分析了其可以減小自身諧波的原理。 表 11 可控電抗器基本類型及特點(diǎn) Table 11 Basic type and characteristic of controllable reactor 利用自身參數(shù)調(diào)節(jié) 類型 特點(diǎn) 調(diào)匝式 原理簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方便但不能連續(xù)調(diào)節(jié) 調(diào)磁導(dǎo)式 調(diào)氣隙式 震動(dòng)噪聲大，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié) 直流磁控式 偏磁式 需外加直流電源，連續(xù)可調(diào) 磁閥式 不需外加直流電源，連續(xù)可調(diào) 正交鐵芯式 不需外加直流電源，連續(xù)可調(diào) 依靠輔助調(diào)節(jié)措施 開關(guān)投切式 原理簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生諧波，不能連續(xù)可調(diào) 電力電子開關(guān)控制式 TCR 型 低次諧波含量大，須配備濾波器，連續(xù)可調(diào) PWM 型 不產(chǎn)生低次諧波，成本高、控制復(fù)雜，容量較小 逆變器控制式 容量受開關(guān)器件限制，價(jià)格昂貴 本文的主要工作 （ Main Study Contents of This Thesis） 本文主要研究?jī)?nèi)容可以分為以下幾個(gè)方面： 介紹可控電抗器的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，分析磁閥式可控電抗器在無(wú)功補(bǔ)償方面的優(yōu)勢(shì)。 近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了可控電抗器的幾種新理論 ： 一、 在電網(wǎng)中 把 兩個(gè)互感器 進(jìn)行 串聯(lián)， 將互感器的 二次側(cè)通過(guò)開關(guān)裝置進(jìn)行碩士學(xué)位論文 4 連接，通過(guò)磁通耦合 的 改變，來(lái) 對(duì) 一次線圈的等效電感 進(jìn)行 調(diào)節(jié)， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸功率 的 調(diào)節(jié) 。歐美等國(guó)家隨著高壓直流輸電以及高壓、超高壓交流輸電的發(fā)展，也認(rèn)識(shí)到了可控電抗器巨大的發(fā)展前景，開始著手研究可控電抗器，在國(guó)內(nèi)，科研院所和專家學(xué)者也展開了可控電抗器的研究工作，并取得了巨大的成果以及眾多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。世界上第一臺(tái) TCR 型靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在美國(guó)的 G