【正文】 磁閥式可控電抗器的 n 次諧波電流標(biāo)幺值為 [21] (226)1sini(1)[(2)2I??????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 次諧波的電流幅值要小得多，分別不高于基波電流幅35值的 。因?yàn)楦鞔沃C波電流有著相互錯(cuò)開(kāi)的最大值，%、流波形的畸變率也很小。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。分析諧波的正確方法是：從電抗器的額定容量至最小容量，即整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，找到最大的各次諧波電流值，之后，把它們與額定的基波電流進(jìn)行分別比較，這樣就能夠分析得出可控電抗器的諧波產(chǎn)生情況。 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。磁閥式可控電抗器的伏安特性曲線能夠通過(guò)其電磁狀態(tài)方程計(jì)算出來(lái)，如 圖 27 所示。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。由 圖 27 可知，因?yàn)橛兄凭€性的伏安特性曲線，磁閥式可控電抗器能夠在其運(yùn)行過(guò)程中有效消除工頻參數(shù)諧振現(xiàn)象 [23][24]。0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 1 . 00 . 8 0 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0?1 8 0 176。1 4 4 176。 1 0 8 176。7 2 176。 3 6 176。0 176。mE?/標(biāo)幺值 mI?/ 標(biāo)幺值圖 27 伏安特性Figure 27 Voltampere characteristic 2 磁閥式可控電抗器的工作原理及數(shù)學(xué)模型17 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(chēng)為其控制特性 [25]。如 圖 28 所示：3 6 176。 7 2 176。1 0 8 176。 1 4 4 176。 1 8 0 176。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：(227)1(sin)/2I????晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)角 與飽和度 β 的關(guān)系如下：?(228)cos(icos)1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，近似余弦關(guān)系。晶閘管的控制采用的是直流偏磁，控制電壓僅是電網(wǎng)電壓的很小一部分，故所需晶閘管的功率較低，從而實(shí)現(xiàn)了用小功率去控制大功率的目的，可以應(yīng)用在高壓電網(wǎng)上。 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]：(229)4(1)PQ????δ由此可知，可控電抗器的抽頭比越小，其有功損耗也就越小。 響應(yīng)速度在晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)下，且電壓額定的磁閥式可控電抗器，其容量從空載過(guò)渡到額定的時(shí)間稱(chēng)為電抗器的響應(yīng)時(shí)間，它是可控電抗器的一個(gè)重要參數(shù)，由下式確定：碩士學(xué)位論文18(230) 12n???式中，n 是磁閥式可控電抗器從空載容量到額定值時(shí)所需的工頻周期數(shù)，從上式可以看出，n 與抽頭比 δ 成反比 [27]。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)。然而由于電抗器的抽頭比越小，其也就有越小的有功損耗，考慮到這個(gè)因素，一般抽頭比選擇為 ~ 之間。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(mǎn)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。 本章小結(jié)（Summary）本章介紹了磁閥式可控電抗器的物理構(gòu)造及其工作原理，對(duì)其磁路進(jìn)行了分析介紹，建立了磁閥式可控電抗器的數(shù)學(xué)模型，為方便分析給出了磁閥式可控電抗器的等效電路，描述了電抗器的五種工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換過(guò)程。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。3 磁閥式可控電抗器優(yōu)化方法193 磁閥式可控電抗器優(yōu)化方法3 MagicValve controllable reactors Optimization磁閥式可控電抗器作為電網(wǎng)的一種成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單的可調(diào)無(wú)功源，具有廣闊的應(yīng)用空間，因此對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)際意義。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。因此選擇合理的磁路結(jié)構(gòu)，對(duì)磁閥式可控電抗器的損耗降低有很大影響。對(duì)容量較大的磁閥式可控電抗器來(lái)說(shuō)，一般選取的抽頭比值較小，因此在磁閥式可控電抗器的容量從空載到額定變化時(shí)，可能需要十幾或幾十個(gè)工頻周期，這是絕對(duì)不會(huì)被允許的，因此必須采取有效措施，以提高電抗器的響應(yīng)速度，滿(mǎn)足工程實(shí)際需要 [28]。磁閥式可控電抗器工作電流的改變是通過(guò)控制其晶閘管的觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)的，電抗器的容量也因此而被改變，可控電抗器的工作電流在這一過(guò)程中存在大量的諧波分量，基本上不是正弦曲線，因此諧波抑制研究對(duì)磁閥式可控電抗器的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要作用。 磁路結(jié)構(gòu)分析（Magic circuit analysis of the structure）常見(jiàn)的六種典型鐵芯結(jié)構(gòu)如下：（ a ） 鐵心結(jié)構(gòu) 1（ b ） 鐵心結(jié)構(gòu) 2 （ c ） 鐵心結(jié)構(gòu) 3（ d ） 鐵心結(jié)構(gòu) 4 （ e ） 鐵心結(jié)構(gòu) 5 （ f ） 鐵心結(jié)構(gòu) 6圖 31 常見(jiàn)的鐵芯結(jié)構(gòu)Figure 31 Structures of normal cores圖 31（ a）所示鐵芯結(jié)構(gòu)是最基本的結(jié)構(gòu)，方便制造，有著較為廣泛的應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是鐵芯的磁狀態(tài)不能夠控制； 圖 31（b）結(jié)構(gòu)的鐵芯帶有小截面，制造起來(lái)較為復(fù)雜，但其鐵芯磁狀態(tài)可以通過(guò)對(duì)小截面段的控制來(lái)控碩士學(xué)位論文20制，因此這種鐵芯結(jié)構(gòu)的電抗器也被稱(chēng)作可控電抗器，也是比較廣泛應(yīng)用的；圖 31（ c）所示鐵芯結(jié)構(gòu)具有三級(jí)截面，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)節(jié)磁狀態(tài)，因此可以更靈活地對(duì)磁狀態(tài)進(jìn)行控制； 圖 31（d）是三相電抗器，其中一相帶有三級(jí)截面； 圖 31（e ）是在 圖 31（d）鐵芯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了中間相的空氣隙； 圖 31（f ）所示單相可控電抗器的鐵芯結(jié)構(gòu)是帶有旁軛的。在磁閥式可控電抗器工作過(guò)程中，兩個(gè)鐵芯小截面段是交替飽和的，橫向磁場(chǎng)分量在小截面段的附近鐵芯區(qū)域較多，這樣會(huì)增加可控電抗器的鐵芯和繞組的附加損耗。因此我們可以采取對(duì)鐵芯的小截面進(jìn)行分段處理的方法，例如可以采取 圖 31 中除圖（a）所示的其它幾種鐵芯結(jié)構(gòu)，將磁閥式可控電抗器磁場(chǎng)分布設(shè)計(jì)成為分段并聯(lián)式的，通過(guò)分析 [2]可以發(fā)現(xiàn)，這樣就減弱了小截面段附近鐵芯區(qū)域的橫向磁場(chǎng)分量，也就使得磁閥式可控電抗器鐵芯及繞組的附加損耗得到降低。表 31 不同結(jié)構(gòu)的鐵芯損耗比較Table 31 Loss parison of cores with different structures 鐵芯結(jié)構(gòu)激勵(lì)（線圈匝數(shù) N 匝*電流強(qiáng)度 I 安）損耗（W）=50 I鐵芯結(jié)構(gòu) 1 、.NI48=50 .125鐵芯結(jié)構(gòu) 2 03 I、.4鐵芯結(jié)構(gòu) 3N=10 .5I317 、鐵芯結(jié)構(gòu) 4 4=50 I.86N7鐵芯結(jié)構(gòu) 5 、=50 .981鐵芯結(jié)構(gòu) 6 73 磁閥式可控電抗器優(yōu)化方法21表 31 中的損耗指的是可控電抗器鐵芯的總損耗。從上表數(shù)據(jù)能夠看出，可控電抗器的鐵芯損耗與其線圈匝數(shù)或電流強(qiáng)度有關(guān)，也與兩者的乘積是相關(guān)的，即與電抗器的激勵(lì)也是相關(guān)，增大激勵(lì)時(shí)，鐵芯中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，繼而會(huì)引起電抗器鐵芯損耗的增加。在相同的激勵(lì)條件下，鐵芯的損耗與其鐵芯結(jié)構(gòu)也是相關(guān)的，選擇合適的鐵芯結(jié)構(gòu)及激勵(lì)條件可以大大降低電抗器的損耗。 提高響應(yīng)速度（Improving the response speed ）提高磁閥式可控電抗器響應(yīng)速度的方法主要有：增加直流控制電壓、利用充電電容放電、外加直流助磁繞組等。 增加直流控制電壓電抗器響應(yīng)時(shí)間與抽頭比是反比關(guān)系，影響響應(yīng)時(shí)間的直接因素是控制回路直流電流達(dá)到定值所需時(shí)間。直流電流的大小決定了鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量的大小。因此，如果要增加鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量的話，能夠通過(guò)加大直流控制電流的方法實(shí)現(xiàn)，以減小響應(yīng)時(shí)間。改變控制電流最直接方法是在整個(gè)控制回路中改變控制電壓，較為簡(jiǎn)易的增加直流控制電壓的激磁電路如 圖 3 2所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度直流分量與控制電壓關(guān)系的示意圖如 圖 33 [29]所示。LKRiyE圖 3 2 直流激磁電路圖Figure 32 DC exciting circuitBd11kE2k12kE?t1t2圖 33 不同控制電壓下， 的變化情況BdFigure 33 Transformation of under different control voltages圖中， 表示磁感性強(qiáng)度的直流分量， 、 表示電抗器不同的控制電Bd 1kE2碩士學(xué)位論文22壓。由 圖 33 可知，磁閥式可控電抗器的鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的直流分量變化速度與其控制電壓是成正比的，控制電壓越高， 上升到定值的時(shí)間越短。因此，Bd對(duì)于非滿(mǎn)負(fù)荷的電抗器，其電壓?jiǎn)?dòng)的方式可以通過(guò)額定直流控制實(shí)現(xiàn)，即在晶閘管的觸發(fā)角小于其正常工作的導(dǎo)通角之剛啟動(dòng)情況下，若維持幾個(gè)工頻周期的觸發(fā)角為零的狀態(tài)，將直流控制電壓降低至工作的正常值，從而利用提高初始控制電壓方法來(lái)快速建立鐵芯所需直流磁通，實(shí)現(xiàn)工作電流快速形成，響應(yīng)時(shí)間降低的目的。但此方法僅適用在非滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的電抗器，電抗器負(fù)荷量越高，其余量的可調(diào)節(jié)部分越小，收到的效果也就越差 [30][31]。 電容充放電提高響應(yīng)速度在不改變控制回路電壓的前提下，磁閥式可控電抗器的響應(yīng)時(shí)間是由其直流回路的電感值的大小所決定的，電感的存在減緩了電抗器直流電流從零變化到額定值的速度?？梢钥紤]采用初始電壓有一定值的電容器，在它對(duì)電抗器控制回路進(jìn)行放電的過(guò)程中，控制電流會(huì)在放電電容器與控制回路所構(gòu)成的串聯(lián)振蕩回路中快速形成，達(dá)到提高電抗器的響應(yīng)速度的目的，能夠使電抗器的響應(yīng)時(shí)間從十幾個(gè)工頻周期，降低到一個(gè)半工頻周期以?xún)?nèi) [4]。LKR????UCUi圖 34 LC 振蕩回路Figure 34 LC resonance circuit 圖 34 為振蕩回路，回路的微分方程為：(31)20ccduLCRutt??若設(shè)電容器的初始電壓為 ，電流初始值為 0，采用的是線性電感，由上0U式可以得到電容電壓、電感及回路電流的關(guān)系如下式所示：(32)0211021 11201()sin()i()Usin()RtLctRLutetitet?????????????3 磁閥式可控電抗器優(yōu)化方法23式中， 2101,(),()RLtgLC???????磁感應(yīng)強(qiáng)度在電感線圈中是按照指數(shù)規(guī)律衰減的，電感中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是不斷振蕩的，與其工作電流是正比關(guān)系。磁感應(yīng)強(qiáng)度在其振蕩過(guò)程中，最大值可以很快到達(dá)，對(duì)電容和其初始電壓參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)選取，能夠?qū)Ψ烹娬袷幍念l率以及幅值進(jìn)行調(diào)整，電感中的磁感應(yīng)強(qiáng)度第一次到峰值時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)控制。因此，電容器有初始電壓情況下輸出能夠快速振蕩變化的電流，對(duì)電抗器的控制回路放電，不過(guò)，振蕩由于沒(méi)有能量的補(bǔ)充，電流最終會(huì)衰減為 0。利用電容放電提高電抗器的響應(yīng)速度還存在著一些問(wèn)題需要解決：對(duì)于從需要空載變到額定狀態(tài)的響應(yīng)，可以采取電容放電方法，但如果對(duì)其他狀態(tài)情況下，由于不僅需求取電容器的工作電流、確定需給電容充電的電壓值，還要再對(duì)電容器進(jìn)行充電然后對(duì)控制回路進(jìn)行放電，這樣的響應(yīng)時(shí)間不符合要求；可控電抗器與電容器的連接是個(gè)問(wèn)題 [32]；電容器的充電電壓器選取由于電壓值很高（計(jì)算值 20kV）因此也是有困難的。 外加直流助磁繞組給電抗器的繞組接入額外助磁繞組，此附加繞組可以在晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后開(kāi)始工作，然后經(jīng)過(guò)幾個(gè)工頻周期，在電抗器工作電流穩(wěn)定后，將附加繞組斷開(kāi)。這樣能夠電抗器的響應(yīng)速度得到提高。提高繞組控制電壓與附加額外繞組直流助磁的方法相比來(lái)說(shuō)：提高繞組的控制電壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不再需要額外的接線，但控制起來(lái)比較復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)控制晶閘管的觸發(fā)角，直流助磁繞組不會(huì)對(duì)控制造成影響，需加設(shè)額外的控制繞組，會(huì)增加電抗器的復(fù)雜度。 諧波抑制研究（Harmonic suppression methods study）電抗器的諧波抑制方法主要有如下幾種：改變接線方式降低諧波含量：對(duì)三次及其奇數(shù)倍的諧波電流，由電網(wǎng)中性點(diǎn)接線方式，可有三種濾除諧波方法。相間三角形連接三相電抗器，提供短路通道給諧波電流。通過(guò)增加三角形連接的小容量附加繞組，提供短路通道給三次及其倍數(shù)的諧波電流。因?yàn)槭侵行渣c(diǎn)不接地星形接線，沒(méi)有零序通道，從而三次及其奇數(shù)倍的諧波電流就被自然阻塞而不存在 [33]。多組并聯(lián)運(yùn)行法：鐵芯的飽和度跟電抗器的諧波含量是相關(guān)的。多組可控飽和電抗器并聯(lián)運(yùn)行情況下，選用一定的控制策略使不同電抗器運(yùn)行于不同飽和度上，則它們產(chǎn)生的諧波即能相互抵消，大大降低總的諧波含量。這種諧波抑制方法不需改動(dòng)原有的可控飽和電抗器，只需要配合控制不同的電抗器，碩士學(xué)位論文