一種新型磁控電抗器的快速勵(lì)磁及去磁 摘 要：磁控電抗器(MCR)作為一種SVC裝置，主要應(yīng)用在補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功、抑制電壓波動(dòng)和閃變等方面，因此快速性是其至關(guān)重要的一個(gè)特性。以提高可控電抗器在接入電網(wǎng)時(shí)自身響應(yīng)速度為目的，根據(jù)其工作原理，對(duì)其快速性展開了深入探討和研究，在快速勵(lì)磁基礎(chǔ)上，提出了快速去磁方法，通過(guò)EMTDC／PSCAD軟件進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明其快速性得到了很好改善。
關(guān)鍵詞：磁控電抗器；勵(lì)磁；去磁；
一、引 言
可控并聯(lián)電抗器可簡(jiǎn)化系統(tǒng)無(wú)功電壓控制，抑制工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線路充電功率，抑制潛供電流等，能滿足系統(tǒng)多方面需求，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。作為可控并聯(lián)電抗器，MCR具有適用電壓范圍寬、可靠性高、諧波小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高性能的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置。但MCR的部分特性(如諧波特性、快速性)需要進(jìn)行改善，以便更好地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。這里針對(duì)MCR的快速性展開了相應(yīng)探討和研究，并提出一種可快速勵(lì)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(gè)匝數(shù)為N／2的線圈分別對(duì)稱繞在兩個(gè)半鐵心柱上，半鐵心柱上的線圈總匝數(shù)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(gè)繞組交叉連接后，并聯(lián)至電網(wǎng)電源，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點(diǎn)上，對(duì)大容量的MCR而言，δ取值通常很小，因此KP1(KP2)的工作電壓遠(yuǎn)小于其額定電壓。圖1為MCR結(jié)構(gòu)電路。
在整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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(tài)，通過(guò)改變小截面段磁路的飽和程度來(lái)改變電抗器容量。在電源的一個(gè)工頻周期內(nèi)，KP1，KP2輪流導(dǎo)通，起到了全波整流的作用，二極管起續(xù)流作用。改變KP1，KP2的觸發(fā)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(xù)地調(diào)節(jié)電抗器容量。2．2 磁控電抗器的快速性MCR的響應(yīng)時(shí)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(shù)。
可見，n與MCR的抽頭比6成反比。對(duì)大容量MCR而言，δ取值通常很小，并且在實(shí)際應(yīng)用中考慮到MCR的有功損耗，其響應(yīng)時(shí)間約在0．19～0．66s。但當(dāng)MCR應(yīng)用在抑制電壓閃變、自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫鏁r(shí)，此響應(yīng)時(shí)間顯然不滿足工況要求，因此需要有更快的響應(yīng)速度，在一個(gè)工頻周期內(nèi)達(dá)到額定工作狀態(tài)，即快速勵(lì)磁，并且需要它從額定狀態(tài)到空載的響應(yīng)速度也在一個(gè)工頻周期內(nèi)，即快速去磁。
三、磁控電抗器快速勵(lì)磁及去磁工作原理
基于上述分析，提出MCR快速勵(lì)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(chǔ)能)、電容C和V2構(gòu)成的快速勵(lì)磁電路、由去磁電阻R2和V4構(gòu)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(tài)1：根據(jù)MCR具體的應(yīng)用電壓等級(jí)場(chǎng)合，來(lái)選擇升壓斬波電路中的電壓源值，并調(diào)節(jié)其內(nèi)部IGBT的導(dǎo)通占空比，使C上電壓值滿足在控制電源電壓值最大時(shí)，其放電時(shí)間不少于一個(gè)工頻周期(20 ms)。待電容電壓值穩(wěn)定后，此時(shí)C上的儲(chǔ)能為：，U0為電容上電壓值。此狀態(tài)內(nèi)V1，V2和V4處于斷開狀態(tài)，V3閉合。
狀態(tài)2：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生電壓波動(dòng)，需要MCR工作來(lái)補(bǔ)償無(wú)功時(shí)，V2導(dǎo)通，C向控制繞組(電感L)放電，要讓L中的電流在極短時(shí)間內(nèi)從零變?yōu)橐欢ㄖ担蒞L=LI2／2可知，需快速給控制繞組儲(chǔ)能。這就需要電容和電感間迅速的能量傳遞。其又為一個(gè)二階等效電路繞組電阻值。U的值在系統(tǒng)發(fā)生電壓波動(dòng)瞬間，由KP1(KP2)的導(dǎo)通角便可得出。
狀態(tài)3：V1在V2關(guān)斷5 ms后導(dǎo)通，投入工作電壓，延時(shí)5 ms是防止兩個(gè)不同的電壓并聯(lián)。此時(shí)電流仿真波形如圖3a所示。由圖可見，MCR經(jīng)過(guò)快速勵(lì)磁后，其工作電流在一個(gè)工頻周期內(nèi)即到達(dá)了額定狀態(tài)。但也可明顯看到當(dāng)MCR退出系統(tǒng)后，仍有較長(zhǎng)去磁時(shí)間，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定相當(dāng)不利。因此電路中必須有快速去磁環(huán)節(jié)。
狀態(tài)4：在MCR退出瞬間，使V4導(dǎo)通，投入快速去磁回路，延遲5 ms后切斷V3，防止V3先斷開時(shí)對(duì)電路沖擊過(guò)大，損壞器件。由其數(shù)學(xué)模型τ=L／R可知，R越大，τ越小，快速性越高�？焖偃ゴ藕蟮墓ぷ麟娏鱥g和控制電流ik波形如圖3b所示�？梢姡贛CR退出系統(tǒng)一個(gè)周波內(nèi)，ig便可降到接近于零。此處控制電路的另一大優(yōu)點(diǎn)是，在進(jìn)行完一次無(wú)功補(bǔ)償后，當(dāng)檢測(cè)到C值減小時(shí)，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(bǔ)償作準(zhǔn)備。從而可以連續(xù)、無(wú)限次地作用于系統(tǒng)。
四、磁控電抗器實(shí)驗(yàn)結(jié)果
此處裝置控制器由DSP，F(xiàn)PGA和CPLD等構(gòu)成，其中DSP模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理，與上位機(jī)(人機(jī)交互系統(tǒng))的通信及與下層結(jié)構(gòu)(FPGA)的數(shù)據(jù)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(yùn)算，并上傳數(shù)據(jù)給上層結(jié)構(gòu)DSP。并將信息和數(shù)據(jù)下發(fā)給下層結(jié)構(gòu)CPLD；CPLD負(fù)責(zé)直接給功率單元(IGBT模塊)的控制板下發(fā)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，如PWM脈沖，死區(qū)產(chǎn)生。基于380 W12 A磁閥式MCR進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)。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(nèi)阻分別為R3和Rk，C=330μF。實(shí)驗(yàn)波形見圖4。
由圖可知，當(dāng)投入快速勵(lì)磁電路時(shí)，ik在半個(gè)工頻周期內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定工作值，所對(duì)應(yīng)的ig在其作用下也在半個(gè)工頻周期內(nèi)達(dá)到預(yù)定飽和值，實(shí)現(xiàn)快速勵(lì)磁；當(dāng)投入快速去磁電路后，ik在半個(gè)工頻周期內(nèi)迅速由穩(wěn)定工作值降為零，所對(duì)應(yīng)的ig在其作用下也在半個(gè)工頻周期內(nèi)從預(yù)定飽和值降為零，即實(shí)現(xiàn)快速去磁。
五、磁控電抗器結(jié)論
提出一種新型磁控電抗器的快速勵(lì)磁及去磁電路。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真及具體實(shí)驗(yàn)，可見，從空載到額定狀態(tài)和從額定狀態(tài)到空載的工作電流均達(dá)到了一個(gè)工頻周期內(nèi)的響應(yīng)速度。該電路起到了快速勵(lì)磁及去磁作用，極大地提高了磁控電抗器的特性，很好地實(shí)現(xiàn)了快速處理電壓閃變和波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)電路中用DSP和FPGA混合控制系統(tǒng)來(lái)控制各個(gè)IGBT的工作狀態(tài)，更好地確保了該電路工作的穩(wěn)定性。 |
