一种新型磁控电抗器的快速励磁及去磁

      摘 要：磁控电抗器(MCR)作为一种SVC装置，主要应用在补偿系统无功、抑制电压波动和闪变等方面，因此快速性是其至关重要的一个特性。以提高可控电抗器在接入电网时自身响应速度为目的，根据其工作原理，对其快速性展开了深入探讨和研究，在快速励磁基础上，提出了快速去磁方法，通过EMTDC／PSCAD软件进行了仿真，并进行了实验验证。结果表明其快速性得到了很好改善。

      关键词：磁控电抗器；励磁；去磁；
   
      一、引 言
      可控并联电抗器可简化系统无功电压控制，抑制工频过电压和操作过电压，动态补偿线路充电功率，抑制潜供电流等，能满足系统多方面需求，因此具有广阔的应用前景。作为可控并联电抗器，MCR具有适用电压范围宽、可靠性高、谐波小等显著优点，是一种经济、高性能的静止型无功补偿装置。但MCR的部分特性(如谐波特性、快速性)需要进行改善，以便更好地应用于电力系统。这里针对MCR的快速性展开了相应探讨和研究，并提出一种可快速励磁及去磁的电路方案。

      二、磁控电抗器的工作原理及快速性
      磁控电抗器主铁心分裂为两半，即铁心1和铁心2，截面积为A，每一半铁心截面积具有减小的一段，4个匝数为N／2的线圈分别对称绕在两个半铁心柱上，半铁心柱上的线圈总匝数为N，每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2／N的抽头，它们之间接有晶闸管KP1(KP2)。不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管则横跨在交叉端点上，对大容量的MCR而言，δ取值通常很小，因此KP1(KP2)的工作电压远小于其额定电压。图1为MCR结构电路。

      在整个容量调节范围内，只有小面积段的磁路饱和，其余段均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器容量。在电源的一个工频周期内，KP1，KP2轮流导通，起到了全波整流的作用，二极管起续流作用。改变KP1，KP2的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电抗器铁心饱和度，以平滑连续地调节电抗器容量。2．2 磁控电抗器的快速性MCR的响应时间决定于：n=(1-δ)／(2δ)，n为MCR容量从空载到额定值所需的工频周期数。

      可见，n与MCR的抽头比6成反比。对大容量MCR而言，δ取值通常很小，并且在实际应用中考虑到MCR的有功损耗，其响应时间约在0．19～0．66s。但当MCR应用在抑制电压闪变、自动调谐消弧线圈、动态无功补偿等方面时，此响应时间显然不满足工况要求，因此需要有更快的响应速度，在一个工频周期内达到额定工作状态，即快速励磁，并且需要它从额定状态到空载的响应速度也在一个工频周期内，即快速去磁。

      三、磁控电抗器快速励磁及去磁工作原理
　　基于上述分析，提出MCR快速励磁及去磁的等效电路，如图2所示。电路由升压斩波电路(主要用于给电容储能)、电容C和V2构成的快速励磁电路、由去磁电阻R2和V4构成的快速去磁电路，及MCR本体的工作回路和控制回路组成。该电路具体工作原理为：
　　　
　　状态1：根据MCR具体的应用电压等级场合，来选择升压斩波电路中的电压源值，并调节其内部IGBT的导通占空比，使C上电压值满足在控制电源电压值最大时，其放电时间不少于一个工频周期(20 ms)。待电容电压值稳定后，此时C上的储能为：，U0为电容上电压值。此状态内V1，V2和V4处于断开状态，V3闭合。

　　状态2：当电力系统发生电压波动，需要MCR工作来补偿无功时，V2导通，C向控制绕组(电感L)放电，要让L中的电流在极短时间内从零变为一定值，由WL=LI2／2可知，需快速给控制绕组储能。这就需要电容和电感间迅速的能量传递。其又为一个二阶等效电路绕组电阻值。U的值在系统发生电压波动瞬间，由KP1(KP2)的导通角便可得出。
　　　
　　状态3：V1在V2关断5 ms后导通，投入工作电压，延时5 ms是防止两个不同的电压并联。此时电流仿真波形如图3a所示。由图可见，MCR经过快速励磁后，其工作电流在一个工频周期内即到达了额定状态。但也可明显看到当MCR退出系统后，仍有较长去磁时间，这对系统的稳定相当不利。因此电路中必须有快速去磁环节。

      状态4：在MCR退出瞬间，使V4导通，投入快速去磁回路，延迟5 ms后切断V3，防止V3先断开时对电路冲击过大，损坏器件。由其数学模型τ=L／R可知，R越大，τ越小，快速性越高。快速去磁后的工作电流ig和控制电流ik波形如图3b所示。可见，在MCR退出系统一个周波内，ig便可降到接近于零。此处控制电路的另一大优点是，在进行完一次无功补偿后，当检测到C值减小时，升压斩波电路与C连通，给C充电，使C上电压值恒为初始值，为下一次补偿作准备。从而可以连续、无限次地作用于系统。

      四、磁控电抗器实验结果
      此处装置控制器由DSP，FPGA和CPLD等构成，其中DSP模块负责完成数据处理，与上位机(人机交互系统)的通信及与下层结构(FPGA)的数据交换；FPGA模块完成电压、电流等各变量采样及各变量的逻辑运算，并上传数据给上层结构DSP。并将信息和数据下发给下层结构CPLD；CPLD负责直接给功率单元(IGBT模块)的控制板下发各项数据和指标，如PWM脉冲，死区产生。基于380 W12 A磁阀式MCR进行具体实验。交流电压源e有效值为380 V，大功率电阻R2=200 Ω，线路等效电阻为R1，工作电源和控制电源等效内阻分别为R3和Rk，C=330μF。实验波形见图4。

      由图可知，当投入快速励磁电路时，ik在半个工频周期内迅速达到稳定工作值，所对应的ig在其作用下也在半个工频周期内达到预定饱和值，实现快速励磁；当投入快速去磁电路后，ik在半个工频周期内迅速由稳定工作值降为零，所对应的ig在其作用下也在半个工频周期内从预定饱和值降为零，即实现快速去磁。

      五、磁控电抗器结论
      提出一种新型磁控电抗器的快速励磁及去磁电路。对所设计的电路进行仿真及具体实验，可见，从空载到额定状态和从额定状态到空载的工作电流均达到了一个工频周期内的响应速度。该电路起到了快速励磁及去磁作用，极大地提高了磁控电抗器的特性，很好地实现了快速处理电压闪变和波动。实验电路中用DSP和FPGA混合控制系统来控制各个IGBT的工作状态，更好地确保了该电路工作的稳定性。