【文章內(nèi)容簡介】 gure 512 Waveforms of voltage and current, α=0176。 48 圖 513 α=60176。時，電壓電流仿真波形 49 Figure 513 Waveforms of voltage and current, α=60176。 49 圖 514 α=120176。時，電壓電流仿真波形 50 Figure 514 Waveforms of voltage and current, α=120176。 50 圖 515 α=150176。時，電壓電流仿真波形 51 Figure 515 Waveforms of voltage and current, α=150176。 51 圖 516 δ=， α=150176。時電壓電流波形 52 Figure 516 Waveforms of voltage and current, δ=， α=150176。 52 圖 517 δ=， α=150176。時電壓電流波形 53 Figure 517 Waveforms of voltage and current, δ=， α=150176。 53 VII 圖 518 MCR 三相補(bǔ)償仿真模型 53 Figure 518 Threephase pensating simulation model of MCR 53 圖 519 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的電壓電流波形 54 Figure 519 System Voltage and Current of steady operation 54 表清單 List of tables 表序 號 表名稱 頁碼 表 11 可控電抗器基本類型及特點(diǎn) 4 Table 11 Basic type and characteristic of controllable reactor 4 表 3 1 不同結(jié)構(gòu)的鐵芯損耗比較 18 Table 31 Loss parison of cores with different structures 18 表 3 2 不同移相角下的電流畸變結(jié)果 26 Table 32 Current harmonic distortion under different shifting angles 26 1 緒論 1 1 緒論 1 Introduction 課題的研究背景及意義 （ The Background and Significance of the Subject） 上世紀(jì)七十年代 改革開放以來，國民經(jīng)濟(jì) 呈 迅猛發(fā)展 趨勢 ， 電力行業(yè)作為工業(yè)發(fā)展的支撐行業(yè) ， 也邁入 了快速發(fā)展時期。 用戶 對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)無功功率的平衡決定了該節(jié)點(diǎn)的電壓水平，而當(dāng)今的電力系統(tǒng)用戶存在大量無功功率快速變化的設(shè)備；如軋鋼機(jī)、電氣化鐵道、電弧 爐等。同時用戶中又存在著大量對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備如計(jì)算機(jī)、醫(yī)用設(shè)備等。從而迫切需要對系統(tǒng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。在電力系統(tǒng)中裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置 [1]，可以降低線 路 損 耗 ，提高功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力和供電質(zhì)量。因此對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 無功補(bǔ)償技術(shù)在發(fā)展中不斷改進(jìn)，從早期的同步調(diào)相機(jī)，到固定補(bǔ)償電容器組、開關(guān)投切電容器及晶閘管控制電抗器等，近年來受到廣泛關(guān)注的無功補(bǔ)償裝置是無功發(fā)生器。同步調(diào)相機(jī)有相應(yīng)速度慢，維護(hù)起來比較困難的缺點(diǎn)，開關(guān)投切電容 器要頻繁操作開關(guān)的關(guān)斷，容易引起開關(guān)故障，而且響應(yīng)速度也不快，容易產(chǎn)生 過電壓及諧振 ，控制起來也很復(fù)雜，只能實(shí)現(xiàn)電容器的分組投切，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑地對無功進(jìn)行調(diào)節(jié)，會將大量諧波注入到系統(tǒng)中；晶閘管控制的電抗器要求晶閘管有較高的抗壓耐流能力，價格比較昂貴；靜止無功發(fā)生器的補(bǔ)償效果較好，但其成本也是非常之高?？煽夭⒙?lián)電抗器能夠?qū)崿F(xiàn)對補(bǔ)償容量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，是柔性靈活交流輸電的重要組成部分。可以對補(bǔ)償線路的無功功率動態(tài)補(bǔ)償，對 工頻過電壓及操作過電壓 進(jìn)行限制，在與適當(dāng)?shù)闹行渣c(diǎn)小電抗結(jié)合后，施以合適的控制方法，在系統(tǒng)線路 有單相接地故障發(fā)生時，可控電抗器能夠有助于潛供電弧加速 地 熄滅、 將 單相重合閘 的 成功率提高、抑制恢復(fù)電壓， 且成本低廉，制造簡單，目前可以說是一種 高壓電網(wǎng) 的 核心技術(shù) 。 可控電抗器在電力系統(tǒng)的輸電過程中可實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)無功功率的輸出，抑制電壓波動。在系統(tǒng)發(fā)生擾動時，可控高抗能夠快速 地 做出響應(yīng)，據(jù)其母線電壓或線路功率調(diào)節(jié)其無功容量，抑制電壓和功率振蕩 [2]。 可控電抗器有著各種不同的結(jié)構(gòu)，性能也各不相同。研究表明 ,近幾年的最有應(yīng)用前景的是兩種基本工作原理一致的磁控電抗器，即磁閥式可控電抗器和裂芯式可控電抗器，兩者都 是用直流電流控制鐵芯的磁飽和度來達(dá)到平滑調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率的目的。它們各具特色適用于不同的應(yīng)用范圍。磁閥式可控電抗器，不碩士學(xué)位論文 2 需要外加直流控制電源，可以提高電網(wǎng)輸電能力，調(diào)整電網(wǎng)電源；裂芯式可控電抗器有較簡單的工作繞組，并且可將額定工作時的磁飽和度選擇的較低，具有一定的瞬間過負(fù)荷能力。本文將著重對磁閥式可控電抗器進(jìn)行研究。 磁閥式可控電抗器是電力系統(tǒng)中電壓控制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾b置。近 些 年 以來， 電力系統(tǒng)中 越來越廣泛 地 應(yīng)用 到了 磁閥式可控電抗器。它 的繞組分為 直流和交流繞組 ， 是一種 帶 有鐵芯的非線性電路，鐵芯的飽和程度 可以通 過 直流激磁控制， 從而能夠達(dá)到 控制、改變交流繞組電感感抗值的目的。 對于 可控電抗器 進(jìn)行 性能改善 時，就會與 新工藝、新材料的發(fā)展有密切的聯(lián)系。運(yùn)行時的電抗器損耗是 考核電抗器性能的 一項(xiàng)重要的性能指標(biāo) ，電抗器的損耗 包括銅損 耗 、鐵損 耗以及 雜散損耗。在這些運(yùn)行損耗中，除 了 繞組的電阻損耗之外，電抗器的損耗都是由 磁通 所產(chǎn)生的 。 這樣的話，采用更改 鐵芯結(jié)構(gòu) 的方式去 控制磁路 的 方向，對 降低電抗器 損耗 的 設(shè)計(jì) 及 計(jì)算 有 重 大的 意義 [3]。 磁閥式可控電抗器的作用主要有以下幾個方面： 對電網(wǎng) 來說 （ 1）提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損，可以使功率因數(shù)達(dá) 到 ； （ 2）電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定能力 可以得到很大的提升 。 （ 3）阻尼系統(tǒng)振蕩，提高阻尼極限，提高 電力系統(tǒng)的輸電能力 ； 對用戶 來說 （ 1） 使 端點(diǎn)電壓 保持穩(wěn)定，不發(fā)生閃變 (抑制 電壓過高 、 過低 現(xiàn)象 )， 將電力系統(tǒng)的 變壓器 以及 輸電線 路和 其 它 電器設(shè)備的 使用 壽命 延長 。 （ 2） 是否安裝了無功補(bǔ)償裝置 ， 會 對端點(diǎn)電壓的波動幅度 造成很大的影響 ； （ 3） 使 功率因數(shù) 得到提高 。 能夠 達(dá)到功率因數(shù) 為 ， 大大減少 網(wǎng)損 及無功損耗； （ 4） 適合用在 龐大 的 電力系統(tǒng) 以及有 非常嚴(yán)重網(wǎng)損的 用戶中，能夠降低 電費(fèi) 的 開支 ； （ 5） 減少電力 系統(tǒng) 的 損耗，延長 電力 設(shè)備 的使用 壽命，消除 電網(wǎng)的 諧波污染，提高 電力 系統(tǒng) 的 安全系數(shù)； （ 6） 減少 電弧爐運(yùn)行 以及 異步機(jī)啟動等本地電網(wǎng) 造成 的沖擊， 增強(qiáng) 系統(tǒng) 的安全性，對于弱電網(wǎng) 作用效果更明顯； （ 7） 對電網(wǎng) 電壓閃變 予以消除 ，針對閃變設(shè)計(jì) 了 專門的算法， 把 電壓閃變水平降至最低， 使 用戶 的 電能質(zhì)量 得以提高 ； （ 8）擴(kuò)容。 在 無功補(bǔ)償裝置安裝 之后 ，在很多 情況下能使系統(tǒng) 擴(kuò)容 倍， 可以實(shí)現(xiàn)將 擴(kuò)容 的 開支 大幅度地降低 。 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (Overseas and Domestic Research 1 緒論 3 Outline of the Subject) 可控電抗器是在磁放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 在 國外 的 文獻(xiàn)中 ，于 1916年 出現(xiàn)了的 “ 磁放大器 ” 專業(yè)名詞， 磁放大器是 基于飽和電抗器原理 的，然而 直到高性能磁性材料 的 出 現(xiàn)以及 非線性鐵磁理論 得到 發(fā)展以后， 可控 飽和電抗器技術(shù) 的 應(yīng)用才有較大的發(fā)展 [4][5][6][7]。 隨著工業(yè)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展， 20 世紀(jì) 40 年代時期，飽和電抗器作為放大元件的一種得到了較大發(fā)展。 20 世紀(jì) 50 年代，磁放大器理論完整形成了，并被引入利用到電力系統(tǒng)中。 1955 年，世界上第一臺可控電抗器在英國 BEC 電氣公司制造成功，然而由于響應(yīng)時間緩慢、有效材料消耗以及有功損耗較大，限制了其推廣應(yīng)用。 70 年代后，隨著快速發(fā)展的電力電子技術(shù)，晶閘管控制的電抗器成為研究熱點(diǎn)。世界上第一臺 TCR 型靜止無功補(bǔ)償設(shè)備在美國的 GE 公司研制成功。而后晶閘管控制設(shè)備一直占據(jù)主導(dǎo)地位，包括晶閘管控制的變壓器、晶閘管控制式電抗器以及晶閘管投切電容器組。前蘇聯(lián)專家于 1986 年提出了一種新型的磁閥式可控電抗器，這標(biāo)志著飽和式可控電抗器的研究有了突破性的進(jìn)展。90 年代俄羅斯學(xué)者提出了變壓器式可控電抗器的概念，與傳統(tǒng)的磁通控制的可控電抗器相比， 它具有響應(yīng)速度更快、諧波電流和功率損耗更小的優(yōu)點(diǎn)。歐美等國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)。如由西電變壓器公司 20xx 年生產(chǎn)的全國首臺 50Mvar/500kV 有級可控單相并聯(lián)可控電抗器出廠試驗(yàn)通過， 20xx 年我國第一臺 30Mvar/110kV 磁閥式可控電抗器通過了專家和機(jī)構(gòu) 鑒定，同 一年，荊州 順利投運(yùn) 了由中國電 科院研制的120Mvar/500kV 直流磁控式電抗器。 武漢大學(xué) 是在 國內(nèi)對磁閥式可控電抗器的開展研究 比 較早 的高校 ， 實(shí)現(xiàn)了對消弧線圈 以及 動態(tài)磁控式 的 無功補(bǔ)償裝置 成功研制 ， 有 良好 的 運(yùn)行效果 ，此外，華北電力大學(xué) 、 上海交通大學(xué)等院校研究直流 式 可控電抗器 ， 浙江大學(xué)等較為細(xì)致 地研究了 交流 式 可控電抗器 ， 20xx 年，國內(nèi)首臺 500kV— 江陵站可控高壓電抗器 是 由西電集團(tuán)、特變電工沈陽變壓器集團(tuán)、華東電力設(shè)計(jì)院、中國電力科學(xué)研究院等相關(guān)單位聯(lián)合攻關(guān)自主研發(fā)的 ，其 全部的調(diào)試工作順利結(jié)束，與右荊（峽山） II 回線路同時進(jìn)入全天試運(yùn)行， 這意味 著 MCR 的核心技術(shù)已經(jīng) 為 我國 所 掌握， 并 達(dá)到 了 國際 的 先進(jìn)水平 [8]。 如今可控電抗器，已發(fā)展成為具有多種結(jié)構(gòu)和控制方法的族群，用途各異，各有優(yōu)缺點(diǎn) [9][10][11][12]。 近幾年國內(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 兩個互感器 進(jìn)行 串聯(lián)， 將互感器的 二次側(cè)通過開關(guān)裝置進(jìn)行碩士學(xué)位論文 4 連接，通過磁通耦合 的 改變，來 對 一次線圈的等效電感 進(jìn)行 調(diào)節(jié)， 實(shí)現(xiàn) 對系統(tǒng)進(jìn)行傳輸功率 的 調(diào)節(jié) 。 二、在電網(wǎng)中 將變壓器原邊串入，在 變壓器的 副邊注入 與 原邊頻率相同、相位相反的電流， 通過對 電流幅值 的 調(diào)節(jié) 來 變壓器 的 主磁通， 實(shí)現(xiàn) 連續(xù)無級 地調(diào)節(jié)變壓器的原邊阻抗。 三、 改進(jìn) 現(xiàn)有的磁閥式可控電抗器， 把 飽和段 加長 以避免磁力線過于集中，達(dá)到 降低振動和噪音 的作用 。 表 11 為可控電抗 器的基本類型及特點(diǎn)。 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，價格昂貴 本文的主要工作 （ Main Study Contents of This Thesis） 本文主要研究內(nèi)容可以分為以下幾個方面： 介紹可控電抗器的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，分析磁閥式可控電抗器在無功補(bǔ)償方面的優(yōu)勢。 在數(shù)學(xué)原理、理論分析及仿真分析基礎(chǔ)上研究磁閥式可控電抗器的工作原理和工作特性。 對磁閥式可控電抗器響應(yīng)速度的提高、諧波抑制方法及降低損耗的方法進(jìn)行理論分析及研究，為磁控電抗器性能優(yōu)化打下理論基礎(chǔ)。 以減小磁控電抗器自身諧波含量的角度出發(fā)，將磁閥式和裂芯式可控電抗器結(jié)合，提出了一種新型的多級磁控電抗器。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。 對磁控電抗器無功補(bǔ) 償原理及方法進(jìn)行介紹，介紹無功補(bǔ)償控制器的軟硬件1 緒論 5 設(shè)計(jì)思想。 對優(yōu)化后的新型磁控電抗器采用 MATLAB 仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析電抗器無功補(bǔ)償效果。 碩士學(xué)位論文 6 2 磁閥式可控電抗器的工作原理及數(shù)學(xué)模型 2