可控电抗范文

可控电抗范文（精选7篇）

可控电抗 第1篇

改革开放以来, 我国国民经济得到迅猛发展, 电力事业步入快速发展阶段。由于我国目前用电需求不断增大, 使得我国传统的电力形式不能够满足现代用电需求。因此, 在我国发展阶段, 建设电压等级较高、网架结构较强、并且资源配置更大的电力系统来支撑整个用电需求, 对于未来电力系统发展具有重要意义。正交铁芯式可控电抗器的应用, 对于我国供电网络的建设具有重要促进作用, 能够有效提升用电可靠性。

1 正交铁芯式可控电抗器的结构以及工作原理

正交铁芯式可控电抗器是一种新型技术, 其在具体研制过程中具有多方面的应用价值, 可以应用于高、低压电力系统并联电抗器当中, 同样可以应用于电子负荷较大的供电网络补偿装置当中, 在众多电力设备当中具有重要的应用价值。下面对于正交铁芯式可控电抗器的结构以及工作原理分析, 为性能分析奠定基础[1]。

1.1 正交铁芯式可控电抗器结构

正交铁芯式可控电抗器的铁芯主要是由两个形状相同的C型铁芯相互旋转90度组合而成, 其中铁芯的主要材料使用的是硅钢片, 并且在两个C型铁芯上分别绕有工作绕组以及控制绕组, 通过这几个部分构成整个正交铁芯可控电抗器[2]。

1.2 正交铁芯式可控电抗器工作原理

正交铁芯在实际应用于电力系统当中时, 当工作绕组接入电网交流电, 同时控制绕组接入直流电流时, 两个绕组之间会产生交流磁通以及直流磁通。由于整个铁芯的构成结构对称, 控制绕组在进行工作的过程中, 将耦合较小的交流磁通变化, 即工作绕组以及控制绕组之间没有电感耦合作用。当两个绕组之间相互正交时, 则能够通过调节控制绕组电流大小进而改变电抗器的实际电抗值。因此, 在接入电网的过程中, 能够通过不同形式保证电力工作的有效开展, 为今后高负荷的电力需求提供保障。

2 正交铁芯式可控电抗器的性能分析

在实际的工业以及生活用电负荷当中, 感性负荷方式在其中具有重要比例。特别是目前工业生产过程中, 需要对电网提出供给可变无功功率的要求。针对我国轧钢生产为例, 由于在实现工业生产过程中主要采用连轧机以及可逆轧机, 并且使用晶闸管供电系统, 这一系统能够消耗大量的无功功率。晶闸管供电系统是一个无功的冲击负荷, 能够随着时间的变化产生无功变化。由于晶闸管供电系统对于无功功率的实际要求过大, 导致轧钢生产受到影响。因此, 为了满足无功符合的实际需求, 传统的补偿方式显然已经不能够适应现代用电需求。基于正交铁芯可控电抗器无功补偿的研究, 能够有效的缓解无功功率过大问题, 提升用电质量[3]。

2.1 无功补偿基本原理以及具体作用

2.1.1 无功补偿的基本原理

无功补偿的基本原理是将具有容性功率的负载以及感性负载相结合, 并且并联在整个电路当中。当感性负载吸收能量时, 容性负载进行能量的释放。当感性负载进行能量的释放时, 容性负载进行能量吸收, 通过这样的方式实现能量之间的相互转换。基于此, 感性负载所吸收的感性无功功率, 能够通过电容器所输出的容性功率方面得到相应补偿, 这种电容方式的装置被称之为无功补偿装置。传统采用并联固定电容器的补偿原理功率呈现三角形, 相互之间不能够实现无功功率的相互转化, 导致能量的浪费。在整个电力系统当中, 采用无功功率之后, 电源实际输送的压力减小, 使得在整个电网线路的传输过程中线路损耗降低, 是提升整个电网供电效率是关键因素。同时能够针对无功补偿的量, 减少电力系统设计过程中的相应容量, 使得投资有效减少[4]。

2.1.2 在电力系统无功补偿的作用

由于并联电容器在整个电力系统当中的应用, 具体的电力无功补偿的容量相对固定, 在负载变动过于激烈的情况之下, 无功补偿出现过补以及欠补的情况。在目前的实际发展中, 存在切投不同电容组的方法, 这样的方式在进行负载变化以及调整补偿的过程中, 依旧存在精准补偿缺点。

具体的构成是静止电容器与正交铁芯式可控电抗器, 形成动态的无功补偿单元。静止电容器在整个无功补偿当中保持无功功率不变, 通过控制正交铁芯可控电抗器的直流控制电流的大小, 实现整个电抗器的磁饱和度调节。通过这样的方式来改变电抗大小, 实现线路无功功率的实际平衡[5]。

2.2 在远距离输电系统中能够抑制过电压

在电力系统终端使用固定形式的大容量并联电抗器, 将会使得整个阻抗增大, 降低自然功率以及线路的实际传输能力, 并且在输电过程中依旧需要电抗器提供无功功率。正交铁芯式可控电抗器在远程输电系统当中的应用, 能够有效限制以及操控过电压, 保证整个传输过程无功功率的供应, 提升输电效率[6]。

2.3 保证电力系统稳定性

由于现代供电需求的增加, 使得传统电力系统在提供大电压的过程中, 会导致终端电压不稳的现象发生。正交铁芯式可控电抗器具体的响应速度较快, 能够在整个系统受到干扰的过程中, 及时发现干扰位置以及干扰原因, 保证母线的电压稳定, 保证整个系统安全运行。在整个电力系统出现故障时, 能够抑制系统功率震 (振) 荡。正交铁芯式可控电抗器在直流以及交流当中的作用相同, 对于维护电力系统的稳定具有重要意义[7]。

2.4 保证负荷平衡化

正交铁芯式可控电抗器在不平衡负电荷用户当中的具体应用, 能够消除不平衡负电荷带来的影响。在谐振接地配电网当中, 能够通过正交铁芯式可控电抗器消除消弧线圈以及故障选线。并且在整个正交铁芯式可控电抗器中, 单相可控电抗器能够接入到三相整流电路的回路当中, 保证整个负荷平衡。同时, 能够根据负荷变化来自动调节容量使得整个系统的功率系数接近1.0, 高次谐波大大减小, 这对于整个电力系统的安全运行具有重要意义[8]。

3 结束语

综上所述, 在整个电力系统的实际运行过程中, 正交铁芯式可控电抗器在其中的应用具有重要作用。文章通过对正交铁芯式可控电抗器的具体构成以及原理, 并且分析其在无功补偿当中的应用, 实现对整个正交铁芯式可控电抗器的性能分析, 促进电力系统的可持续发展。

参考文献

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220V磁饱和式可控电抗器分析 第2篇

近年来, 随着电网电压等级的逐步提高, 系统无功不平衡, 电压失稳等现象越来越严重;针对高压电网轻负荷和发生故障时无功缺额的情况, 多种可控电抗器被应用到静止无功补偿装置中, 如晶闸管控制电抗器, PWM控制电抗器, 磁阀式电抗器等[1~3]。其中, 晶闸管控制电抗器通过改变晶闸管的触发角来调节输出的励磁电流, 从而改变电抗值;其控制灵活, 响应速度快, 但电流无法连续调节, 且会产生大量的谐波, 需要加装专门的滤波装置。PWM控制电抗器响应速度快, 谐波含量低, 可平滑调节, 但电力电子器件耐压条件的约束, 使其应用范围受限[4,5]。磁阀式电抗器通过与晶闸管的配合来调节励磁电流, 改变局部区域的饱和程度, 实现电抗值的连续可调;但装置控制复杂, 且体积、损耗、噪声等很大, 调节范围小, 有严重的谐波。本文研究的单相磁饱和式可控电抗器将饱和区域扩大, 使整个铁心处于饱和状态, 通过控制励磁电流来调节工作点, 进而改变电抗值, 其控制简单, 电感调节范围大, 装置体积小, 克服了磁阀式电抗器振动噪声过大, 铁心用料过多的缺点, 适合在高电压等级电网应用[6,7]。

2 结构与原理

单相磁饱和式可控电抗器采用卷铁心绕制, 由两个卷铁心组成, 中间留有间隙, 如图1所示。铁心的上下部分采用卷形结构, 使得其漏磁较小, 磁性能可以充分利用。电抗器的绕组布置如图2所示, 控制绕组绕在两个卷形铁心的内侧心柱上, 工作绕组绕在外侧心柱上, 两个工作绕组相互串联。控制绕组由直流电源励磁, 工作绕组与交流电源相连。图3给出了单相磁饱和式可控电抗器样机的实物照片。

单相磁饱和式可控电抗器的等效电路如图4所示, 其中, DC为直流励磁电源, AC为交流工作电源, Nk为控制绕组匝数, Ng为工作绕组匝数, Rk、Rg为保护电阻。通过直流励磁电源调节

控制电流Ik, 改变两个卷形铁心的磁饱和程度, 即改变其磁阻的大小, 根据公式L=μN2Sc/lc, 使得电感发生变化, 保持交流电源电压不变, 等效交流电抗得以连续调节, 其工作电流Ig也随之变化, 从而调整其无功输出的大小。

磁化曲线如图5所示, AB段为线性区, BC段为饱和区, 单相磁饱和式可控电抗器工作在饱和区BC段, 此段相对磁导率μ逐渐减小, 便于电感的调节。

该电抗器的平均磁路长度为l, 左侧铁心a, 右侧铁心b的磁通和磁场强度分别为Φa、Φb, Ha、Hb, 结合电抗器的结构和等效电路, 其电磁方程可以表示如下

磁通与磁感应强度的关系为:Φ=BS, S为铁心等效截面积。由于该电抗器的铁心结构和绕组布置均为对称结构, 其磁感应强度有如下关系:

在正常工作时, 磁感应强度一般为非正弦波,

工作绕组的感应电动势为:

由此可见, 工作电流ig不含偶次谐波, 仅含奇次谐波。

3 磁场分布和电感调节

根据电抗器设计方法, 对额定参数为220V/20A的磁饱和式可控电抗器进行设计。其结构参数如表1所示。其中, a为矩形部分的宽度, c为两矩形部分的间距, h为矩形部分的高度, r为半圆形的外半径, l为两卷形铁心的间距, t为铁心的厚度。

根据上述参数, 在仿真软件中建立磁饱和式可控电抗器的3维磁路模型, 如图2所示。按图6所示的原理进行仿真。

在额定工作情况下, 铁心内部的磁场分布如图7所示。从中可以看出, 铁心的矩形部分磁场分布十分均匀, 磁感应强度B约为1.7~1.8T;半圆形部分由于内外径间的差异使得径向磁化不均匀, 内层磁路比外层小, 先饱和, B约为1.9T, 外层略小, B约为1.6T。但这种结构有助于减弱漏磁现象, 并使得该电抗器工作在图5所示的饱和区BC段。由于电抗器铁心为对称结构, 取右侧铁心矩形部分的中心处为参考, 其磁感应强度B随时间的变化如图8所示, 范围在1.65~1.85T之间。由此可见, 电抗器铁心处在直流励磁电流和交流工作电流产生的磁场中, 在原有交流磁场的基础上增添了直流偏置分量, 可以保持在饱和区段工作。

单相磁饱和式可控电抗器在额定工作情况下, 其电抗值为X=U/I=220/20=11Ω, 利用电抗值与电感的关系, X=ωL=2πfL, 电感L=35m H。保证交流侧参数不变, 不断调节控制绕组的励磁电流, 范围为2~20A, 可得到其电感值的变化情况, 如图9所示。

从中可以看出, 工作绕组等效交流电感可随控制电流的改变平滑调节, PQ段对应地励磁电流为3.3~10A, 其相应的无功容量为25%~100%。上述仿真分析表明磁饱和式可控电抗器可以在较大范围内调节电感进而调节无功输出。

4 工作绕组电流的分析

通过建立仿真模型, 对该单相磁饱和式可控电抗器的工作电流进行分析。如上述工作原理, 搭建实验平台, 对图3所示的样机进行实验, 通过调节控制绕组的励磁电流, 使得电抗器趋于饱和, 在额定工况下, 电抗器交流工作电流的仿真波形和实验波形如图10、图11所示。从中可以看出, 在额定工况下, 对于工作电流而言, 仿真分析和实验结果符合得较好, 因为工作在饱和区BC段, 因而其呈现尖顶波形, 含有奇次谐波。

经过谐波分解, 其三次谐波含量较大, 五次谐波, 七次谐波含量较小, 其他奇次谐波含量很小。对于三相电抗器而言, 三次谐波可以通过绕组的不同接法消除。由此可见, 仿真分析和实验结果符合较好, 该单相磁饱和式可控电抗器输出波形与分析一致, 若加装滤波装置效果会更好。

5 结束语

本文对单相磁饱和式可控电抗器的结构和原理进行研究, 主要围绕其铁心磁场分布情况, 电感调节范围, 工作电流的输出波形等方面进行分析。三维磁路仿真分析和实验结果符合较好, 说明了磁饱和式可控电抗器在直流和交流共同作用的情况下, 工作在磁化曲线的饱和区段;其电感调节范围较大, 便于无功的连续平滑调节;其工作输出电流含有奇次谐波, 若通过滤波装置, 可以输出较好的波形, 且控制简单。

摘要：文中研究了一种单相磁饱和式可控电抗器, 利用磁化曲线非线性的特点, 通过调节控制绕组的励磁电流, 来改变铁心柱的磁饱和程度, 即调节磁路中铁心的工作点, 进而改变工作绕组的交流等效电抗。

关键词：电抗器,磁饱和,磁场,电感,谐波

参考文献

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高漏抗超导可控电抗器工作原理仿真 第3篇

随着电力系统的不断发展, 对电抗器的性能要求越来越高。超导可控电抗器是基于超导材料的超导电特性制成的, 在低温下运行的超导可控电抗器和传统意义上的可控电抗器相比, 具有体积小、重量轻、效率高、阻燃、谐波小等优点, 大大降低了装置的成本和空间, 提高了系统的稳定性。

2 工作原理

高漏抗可控电抗器与普通电力变压器原理类似, 电抗器主线圈为普通铜线绕制的线圈, 而二次绕组作为控制绕组由超导体绕制。具体结构如图1。

高漏抗超导可控电抗器可以通过分别对超导控制绕组进行全部开路、一个超导线圈开路, 另一个超导线圈短路、两个超导线圈均短路来实现对电抗器的磁通的调节, 从而实现对电抗的调节。本文将对上述三种情况分别进行电磁仿真分析。

通过双向可控硅开关 (可与普通断路器并联配合使用) , 将超导绕组1短路, 则超导绕组中的磁控被挤出, 形成如下的磁通回路, 此时主绕组中的截面积如图2中A1部分所示。其相当于壳式铁心电抗器, 其电抗值由截面积A1和主绕组高度, 及线圈匝数所确定。

通过双向可控硅开关 (可与普通断路器并联配合使用) , 将超导绕组2和1短路, 则超导绕组中的磁控被挤出, 形成如下的磁通回路, 此时主绕组中的截面积如图3中A2部分所示。由于A2小于A1, 故此时可控电抗器的电抗值小于将超导绕组1短路时的电抗值。

当超导线圈1和2均开路时, 超导电抗器相当于磁路高度耦合的单相两线圈的变压器, 其二次侧空载, 等效电路模型图如图4。

当电抗器由两个超导绕组均开路的状态切换到超导线圈1短路, 超导线圈2开路的状态时, 只需通过开关把超导线圈一进行短路即可。此时, 可以将交流工作绕组所含的铁心的磁通看成两部分磁通之和。磁路等效模型图见图5。

当电抗器的由超导线圈1短路、超导线圈2开路的状态切换到超导线圈1和超导线圈2线圈均短路时, 只需通过开关把超导线圈2进行短接即可。此时, 可以将交流工作绕组所含的铁心的磁通看成两部分磁通之和。磁路等效模型图见图6。

3 电磁仿真分析

仿真参数设计如下:

系统交流工作电压幅值Um=35/1.732k V, 电抗器铁心的高度d=110cm, 电抗器的额定容量为5 MVar, 交流工作绕组的匝数N0=800, HTS-1绕组的匝数N1=300, HTS-2绕组的匝数N2=250, 交流工作绕组所含铁心的截面积A0=8 710-4m2, HTS-1绕组所含的铁心截面积A1=510-4m2, HTS-2绕组所含的铁心的截面积A2=1010-4m2。不考虑电抗器的漏抗, 并且认为系统阻抗呈恒定的纯电抗, 电抗器也是纯电抗。

3.1 均开路时仿真分析

图7、8给出了在超导线圈1和超导线圈2均开路情况下, 交流工作绕组所含铁心的截面积A0=51 010-4m2时候的仿真波形:

当交流工作绕组所含铁心的截面积A0=51 010-4m2时, 电抗器的铁心处于完全深度饱和, 电抗器各参数变化显著, 此时, 在每四分之一个时间周期的时候, 交流工作绕组的工作电流都会急剧升高, 容易导致系统的保护误动作, 对系统的稳定性和安全性产生严重的威胁。在两超导线圈均空载的情况下, 交流工作绕组的电流与系统的大电流相比, 小到几乎可以完全忽略不计, 此时, 电抗器对系统的作用很小, 也即当不对电抗器进行调节的时候, 可以看成与系统完全断开。

另外, 在两超导线圈均空载的情况下, 电抗器的空载电抗值都相当大, 且会随时间变化呈现周期性正弦变化, 从而使得电抗器失去控制调节作用。同时, 电抗器的交流工作绕组电流以及容量都较小, 两个超导线圈的空载电压也不是很大。在每半个时间周期的时候, 电抗器的电感值和容量一般都出现突变。

3.2 短路、开路时仿真分析

图9、10给出了超导线圈1短路, 超导线圈2开路情况下, 交流工作绕组所含铁心的截面积A0=51 010-4m2时候的仿真波形:

当交流工作绕组所含铁心的截面积A0=51 010-4m2时候, HTS-2线圈的空载电压很大, 电抗器的容量也比较大, 过大的电压会导致超导带材的绝缘击穿。另外, 在每半个时间周期, 都会出现电感值急剧变大, 电抗器的容量急剧变小, HTS-2线圈的空载电压急剧变到最大, 其根本原因是在每半个时间周期时, 电抗器的铁心没有饱和, 此时的磁导率很大, 从而导致电感值变大, 所需的励磁电流较小, 因此电抗器的容量比较小。

另外, 电抗器的容量会在2MW附近做周期性的波动, 而且, 此时交流工作绕组的电流会产生比较明显的畸变, 会有比较大的谐波干扰。此时, 必须产生一定的滤波措施, 否则会对系统产生比较大的谐波污染。由于在此种情况下, HTS-2线圈的空载电压会相当大, 超出了一般的超导带材的所能承受的绝缘电压水平, 当电抗器的铁心截面积比较小时, 会在交流工作绕组中产生比较明显的谐波电流, 因此要合理地选择电抗器的尺寸, 主要包括交流工作绕组的匝数、交流工作绕组所含铁心的截面积、电抗器铁心的高度。

3.3 均短路时仿真分析

图11、12给出了在超导线圈1和超导线圈2均短路情况下, 交流工作绕组所含铁心的截面积A0=51 010-4m2时候的仿真波形:

从图中可以看到, 当HTS-1和HTS-2线圈均短路的时候, 跟只有HTS-1线圈短路时候相比, HTS-1线圈的短路电流会急剧减小, 从最大值20A减小到不到1A, 而此时, HTS-2线圈的短路电流却很大, 这是因为, 此时A2所含的截面积的磁通主要是由HTS-2线圈的交流电流所产生的, 因此, 在其饱和的情况下, 在HTS-2线圈中会产生很大的短路励磁电流, 而HTS-1线圈的电流对其所含铁心截面的磁通几乎不起任何作用, 故其短路电流很小。

从电抗器的容量来看, 跟只有HTS-1线圈短路, HTS-2线圈开路情况相比, 此时电抗器的容量会明显变的很大, 这是因为交流工作绕组的电流在两个超导线圈均短路的情况下很大, 从而电抗器的容量也很大。但没有超过其额定容量。

另外, 铁心的截面积大小对电抗器的电感以及容量也有着很显著的影响, 当铁心截面积变大的时, 电抗器的电感值会变大, 容量也跟着变大, 因此合理的选择铁心的尺寸由为重要。当电感值急剧变大时, HTS-1的短路电流会出现畸变, 电抗器的容量急剧变到最小值, 这是因为此时HTS-2的短路电流很小, 此时, 电抗器铁心非饱和, 磁导率较大, 导致电感值变大, 进而导致HTS-1线圈短路电流出现畸变, 含有大量谐波, 但由于其值很小, 因此其对交流工作绕组电流产生的影响可以忽略不计。

4 结论

通过对高漏抗超导可控电抗器模型的仿真结果可以看出, 该模型不具备实现电抗值的可控连续调节。由于其控制绕组中通过的是交流电流, 因此电抗器的铁芯的饱和度会发生类似正弦波形式的周期性变化, 当控制绕组中的交流电流过零时, 铁芯中的磁通很小, 电抗器的电感值会出现急剧增大;当控制绕组中的交流电流达到峰值时, 电抗器的铁心深度饱和, 那么会在超导短路控制绕组中产生很大的电流, 以产生足够的励磁磁通。另外, 在对其中的一个超导绕组由空载到短路的控制操作时, 会在两外一个超导空载控制绕组中产生很大的空载电压。过大的电压和电流显然对超导带材的性能提出了严峻的挑战, 就目前的超导带材的性能来看, 是不能满足电抗器工作的需要, 因此, 在材料上是不能实现的。另外, 高漏抗超导可控电抗器的控制绕组和工作绕组之间是高度耦合的, 这对于装置工作的稳定性和可靠性都很不利, 绕组的工艺设计也很难实现。

参考文献

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可控电抗 第4篇

关键词：磁阀,可控电抗器,等效电路,仿真

0 引言

磁阀式可控电抗器作为一种新型的可控电抗器, 在实际中的应用越来越多, 这种借助直流控制的铁磁可控电抗器制造工艺简单、成本低廉, 对于提高电网的输电能力, 调整电网电压, 补偿无功功率, 以及限制过电压都具有非常大的应用潜力[1]。

1 工作原理及特性分析

1.1 基本结构及工作原理

磁阀式可控电抗器是可控电抗器中的一种, 其铁心具有截面积较小的一段, 在整个容量调节范围内只有面积较小的一段磁路饱和, 其余段均处于未饱和线性状态, 通过改变小截面段的磁路饱和程度来改变电抗器的容量。磁阀式可控电抗器的原理接线图如图1所示。

电抗器的主铁心分裂为两半, 每一半铁心的上下两绕组各有一个抽头, 其间跨接可控硅。不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联到电网中, 续流二极管则横跨在交叉端点上。在电源的一个工频周期内, 可控硅轮流导通, 二极管续流。改变可控硅的触发角便可改变控制电流的大小, 从而改变电抗器铁心的饱和度, 平滑、连续地调节电抗器的容量。

1.2 特性分析

分析磁阀式可控电抗器的工作特性, 当可控硅K1单独导通时, 由等效直流电源Ek向控制回路提供控制电流;而在Kl关断期间, 由续流二极管D维持, 可得此时其等效电路如图2。

2 仿真分析

根据图2所示可控电抗器等效电路, 取R1、R2和R3阻值分别为5.15Ω、5.15Ω和0.565Ω, Em=380*sqrt (2) V, 自耦比δ为0.052[2], 选择变步长ode23tb算法, 在Matlab中建立仿真模型。改变触发控制角α, 即可得到不同触发角下流过可控电抗器的电流波形, 由此, 便可以得到磁阀式可控电抗器中晶闸管的触发角α与其工作特性的关系。当触发控制角α=90°时, 磁阀式可控电抗器两端加有额定正弦电压时, 电流波形如图3所示。

当触发控制角α=30°时, 磁阀式可控电抗器两端加有额定正弦电压时, 电流波形如图4所示。

分析仿真波形可知, 随着α的减小, 电抗器直流偏磁加大, 因而其容量由小变大。在α=0°时, 电抗器容量达到最大值。不难看出, 电抗器容量越大, 波形正弦性越好。

参考文献

[1]陈柏超.新型可控饱和电抗器理论及应用.武汉水利电力大学出版社.1999.10:70～79.111～116.

磁阀式可控电抗器的换流过程研究 第5篇

随着超高压、远距离电网的建设和发展,线路对地的充电容量显著增加,造成轻载和空载时超前无功功率过大,使线路末端电压上升,同时超前的电流将使电力损耗增大。在风力发电系统中,通常都是采用电压型逆变器与电网相连,而电压型逆变器的交流输出端必须要接入能限制电流的感性器件,否则就可能出现高脉冲的充放电电流,从而导致开关器件的损坏[1]。而磁阀式可控电抗器(以下简称磁控电抗器)就是通过改变电抗器铁芯中的磁通来实现电抗器参数的无级变化,能够适应负荷的需要。由于磁控电抗器采用电力电子器件作为开关器件,其各支路间电流的转移必然包含着电力电子器件开关状态的变化。本文通过分析换流时晶闸管和二极管电压电流的变化,为分析磁控电抗器的实际运行状况提供了理论基础[2,3]。

1 磁控电抗器的换流过程分析

磁控电抗器是基于偏磁可调原理,通过改变晶闸管的触发角,来改变直流偏磁电流的大小,进而改变铁芯的饱和程度,达到平滑调节无功的目的[4]。

如图1所示是磁阀式可控电抗器的结构图,图2是它的等效电路图。根据图2可知,磁阀式可控电抗器的晶闸管VT1、晶闸管VT2及二极管VD的可能导通情况,可以列出5种状态:(1)VT1截止,VD导通,VT2截止;(2)VT1导通,VD导通,VT2截止;(3)VT1导通,VD截止,VT2截止;(4)VT1截止,VD导通,VT2导通;(5)VT1截止,VD截止,VT2导通。

假定,磁阀式可控电抗器的工作绕组两端加有正弦电压:u(t)=Emsinωt,每一电源半周开始到可控硅(VT1或VT2)触发导通时的电角度为ωt=α,α称为触发角。

当无直流励磁(α=π),电抗器已处于稳定空载运行时,由图2知e、f两点电位差为零,因而可以假定从ωt=0开始,电抗器已处于状态1,即VD导通,VT1、VT2截止。可控硅VT1、VT2两端电压Uab、Udc如公式(1)所示。

可见,两个可控硅上的正向电压与电源电势成正比,比例系数为变比δ,且彼此反相。

在电源正半周期间,VT1上承受正向电压,VT2上承受反向电压。因此,若在此正半周某一时刻ωt=α,向VT1门极输入触发脉冲后,其将会导通,而VT2将维持截止状态。因此,可控电抗器进入状态2,即VT1、VD导通,VT2截止。

VT1、VD导通以后,流过它们的电流如公式(2)所示。

故,对于具有直流励磁的可控电抗器,则下式成立:f(B1t)-f(B2t)≥0。

所以,从公式(2)可知,VT1导通后,VD的关断时间取决于铁芯直流励磁大小,其可能随VT导通而立即关断,也可能会延迟一个很短时间才关断。

VD关断后,可控电抗器进入VT1导通,VD、VT2截止状态,即状态3。

由图2可得,VD、VT2上的电压分别如公式(3)所示。

流过VT1的电流如公式(4)所示。

由公式(3)、(4)知:在电源的正半周,电抗器处于状态1时的可控硅VT1是不会截止的,且VT2上承受反向压降,不具备导通条件。而二极管VD则在接近半周期末的某个时刻导通,导通条件为:

当VD导通后,电抗器又进入状态2。当Emsinωt=0,即电源正半周结束时,可控硅VT1电流过零而截止,电抗器进入状态1,即VD导通,VT1、VT2截止。在电源的负半周,可控硅VT2触发导通的过程分析与电源正半周时VT1触发导通过程完全相似。在以后的周期里,VT1、VT2轮流导通、截止,重复以上过程。以下是电源电势负半周时VT2导通的有关电压、电流表达式。

当VT2、VD导通,VT1截止时,如公式(5)所示。

当VT2导通,VD、VT1截止,如公式(6)所示。

总结以上几种状态,磁阀式可控电抗器在正弦电压的作用下,VT1、VT2、VD轮流导通的情况如图3所示,其中u(t)=Emsinωt[5]。

2 仿真模型与实验测量

从上面通过对磁控电抗器的工作原理分析,推导出不同工作状态下的电压电流变化情况,先从理论上通过对电流变化方程进行仿真,再针对具体设计的磁控电抗器模型,得出实测波形,进行分析和探讨。

2.1 状态方程的仿真

为了验证以上对换流过程电压电流变化的理论分析,通过仿真,得出了不同触发角对应的晶闸管和二极管的电压电流变化情况。

在下面图4中所示曲线分别为晶闸管VT1的电压和电流波形、二极管VD的电流波形。从图中可以看出,在换相的瞬间(重叠角γ和γ1)晶闸管和二极管都出现了很大的冲击电流,因此在实际中应该选择适当的保护电路,以防止冲击电流损坏二极管和晶闸管。同时在晶闸管VT2导通的瞬间,晶闸管VT1两端电压出现下凹,晶闸管VT1承受的反向峰值,其幅值为此时电压大小的2倍,与理论分析得出的结果相似。

2.2 实验测量分析

通过样机试验,测量出二极管和晶闸管电压和电流的波形,分析随着触发角的变化,电流和电压大小也随之变化。实验中制作的低电压小容量磁控电抗器参数如表1所示。

实验得出的工作交流电流是在电压等级一定时,改变晶闸管的触发角α,在此主要列出角分别为120、60。的实验波形,通过示波器测出的电压电流变化实验波形如图5所示。图5中所示曲线分别为晶闸管VT1的电压和电流波形,二极管VD的电流波形。从图5中可看出实验波形跟仿真波形相似,尽管在换相时有冲击电流,由于选择了相应的保护电路,因此避免了器件的损坏。同样,在晶闸管VT2导通的瞬间,晶闸管VT1两端电压出现下陷的凹口,此为晶闸管VT2导通时,该晶闸管所承受的反向峰值电压,此反向电压的幅值为此时电压大小的2倍左右。由图5实验可知,理论分析结果与实验测量的结果基本吻合。当晶闸管和二极管承受反向电压时,只有极小的漏电流可通过该器件。而且当反向电压超过其截止电压的时候,反向电流将迅猛增加。

3 功率元件和保护电路选取

电力电子器件的换相会使电流迅速变化而产生过电压。较之电工产品,电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多,极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。故在电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的。

3.1 阻容吸收保护

晶闸管在换相时会产生过电压,为了限制电路电压上升率过大,确保晶闸管的安全运行,在晶闸管两端并联RC阻容吸收电路,利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。由于电路本身存在电感的,所以它与电容C串联电阻R可起阻尼作用,它可以防止RLC电路在过渡过程中,因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时可以在过电压给电容充电的过程中,让电阻消耗过电压的能量,还可以限制过电压时产生的瞬间电流,避免电容器通过晶闸管放电电流过大,造成过电流而损坏晶闸管。

关于阻容吸收电路的参数选取,众所周知,影响晶闸管反向恢复过电压的因素是多方面的,过电压的大小难以精确计算,如果阻容吸收的参数设计不当,往往难以达到最佳的吸收效果。这种过电压不仅会直接导致元件击穿,还会威胁到邻近设备的绝缘。因此考虑到过电压倍数以及电阻损耗的关系,在工程应用中阻容吸收回路的RC时间常数一般情况下取1～10 ms。

在这里取C=1μF,同时取RC常数为1 ms,可得R=1 kΩ,其中Id理论计算得,晶闸管导通后流过的电流的最大值Id=23.6 A,考虑到做实验时工作不平衡时及可能出现的短路情况,留一定的裕量,取Id=30 A。

加上RC吸收电路后,吸收了增长的反压,使器件电压击穿损坏减少;同时在电路换相过零时,RC电路的电容上电压特性相反,使晶闸管加入反相电压,从而使器件可靠关断。实验表明,加装了阻容吸收保护后效果明显,这对下一阶段制作10 kV的磁控电抗器样机提供了宝贵的经验。

3.2 压敏电阻保护

压敏电阻是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变的电阻。其最大特点是当加在它上面的电压低于它的阈值时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门;而当电压超过其阈值时,流过它的电流激增,相当于阀门打开。利用这一功能,将压敏电阻并联在需要保护的电路的两端,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,使被保护电路免受过电压的损害。因此压敏电阻的选取是至关重要的,它关系到保护效果以及器件的使用寿命。

压敏电阻的阈值电压,指在规定电流下的电压值。在工程应用中,用1 mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。其选取原则一般为V1mA=(1.4～1.6)Vp,式中,Vp为电路额定电压的峰值。理论计Vp=25.8 V,V1mA=(36.12～41.28)V,因此取阈值电压为40 V的压敏电阻。

在这里,将压敏电阻并联于续流二极管两端,防止在换相时冲击电流损坏二极管。如果电器设备耐压水平较低,而浪涌能量又比较大,则可选择压敏电压V1m A较低、片径较大的压敏电阻器;如果耐压水平较高,则可以选择压敏电压V1mA较高的压敏电阻器,这样既可以保护电器设备,还能延长压敏电阻使用寿命。

4 结语

本文通过理论分析磁控电抗器在换流时晶闸管、二极管电压电流的变化情况,得出电压电流变化的最大值,同时通过实验验证了理论分析的合理性,为下一步的500 kvar/10 kV实验样机的各个功率元件选取提供了一定的参考。

参考文献

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[2]钱建华,陈柏超.基于磁阀式可控电抗器的无功补偿系统[J].电力系统及其自动化学报,2003,15(2):66-70.

[3]李达义,陈乔夫,贾正春.基于磁通可控的可调电抗器的新原理[J].中国电机工程学报,2003,23(2):116-120.

[4]宋江保,王贺萍,张战永,赵国生.三相磁阀式可控电抗器的分析研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(23):20-23.

可控电抗 第6篇

关键词：ANSYS,磁阀式可控电抗器,损耗

0前言

改革开放以来, 随着社会生产生活的电力使用需求不断提升, 使得我国的电力系统呈现出超负荷状态。因此, 在充分利用再生能源发电的同时, 需要不断开发高电压以及高功率的电力系统, 提升整个电力系统的高效率性。保证电力传输无功功率平衡, 减少损耗的产生, 推动电力系统的不断完善。因此, 基于ANSYS对整个磁阀式可控电抗器损耗进行研究, 具有重要的现实意义。

1 ANSYS概述

ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序之一, 是一种基于各项电场以及磁场分析的大型有限元分析软件。随着社会需求的增长, 该软件在不断的创新, 逐渐形成结构线性分析以及热分析, 在现代应用中主要针对电力以及电磁场进行应用, 为现代工程学问题提供处理与解决依据。

2 磁阀式可控电抗器损耗分析

2.1 空载损耗分析

电抗器在运行过程中主要基于交流状态下, 会对铁芯产生一定的功率损耗, 即空载损耗。空载损耗的产生主要有以下几种方式:

2.1.1 磁滞损耗

磁滞损耗是铁芯在磁化的过程中, 由于磁滞现象产生的损耗, 被称之为磁滞损耗。该种损耗类型的损耗大小与磁滞回线所包围的面积正相关, 随着磁滞回线包围面积的大小变化而变化。目前可抗器中使用硅钢材料作为电抗器的铁芯, 主要由于硅钢的磁滞回线所包围的范围较小, 对于磁滞损耗的影响较小。

2.1.2 涡流损耗

磁阀式可控电抗器在进行工作的过程中, 工作线圈当中会产生交变电流, 其磁通同样发生一定变化。交变磁通能够感应电流, 使得电流垂直于磁通的方向出现环流, 被称之为涡流损耗。涡流损耗会使得铁芯发热, 造成涡流回路增长, 截面变得狭小。硅钢的使用能够使得材料的电阻值增大, 实现减小涡流的作用。

2.1.3 附加损耗

铁芯的附加损耗主要体现在材质特性、设计结构、工艺加工等几个方面。保证这三个因素对铁芯的影响, 能够有效控制磁阀式可控电抗器的附加损耗。

2.2 负载损耗分析

磁阀式可控电抗器绕制过程中需要大量的铜线或者是铝线, 各个线性质当中都存在一定的电阻, 电流通过电阻会产生相应的功率, 并且其中一部分损耗在电抗器运行散热过程中被消耗, 该种消耗方式被称之为负载损耗[1]。磁阀式可控电抗器, 其主要的工作原理为使用晶闸管进行直流电流激励, 通过这样的方式改变电抗器磁饱和程度。

3 基于ANSYS的磁阀式可控电抗器损耗的分析与求解

磁阀式可控电抗器主要是通过电场与磁场的相互作用形成, 需要通过ANSYS有限元分析进行模型建立。由于ANSYS进行3D模型构建的过程中需要具体的规划, 并且相对复杂。本文进行磁阀式可控电抗器损耗研究的过程中采用2D模型进行分析, 明确可控电抗器的工作状态, 保证模型的建立, 并对损耗进行具体分析。

3.1 耦合场分析

耦合场分析, 主要是通过ANSYS软件进行分析, 将两种或者多种工程学科进行相互作用, 将多种工程学科进行耦合。耦合场分析需要对多个物理量进行处理, 目前针对耦合场分析主要分为两种方式, 顺序耦合以及直接耦合。顺序耦合是通过各个物理场的顺序分析与排列, 将前一种分析方式以及结果在另一个物理场当中进行耦合, 其中包含顺序耦合物理场分析以及顺序弱耦合分析。直接耦合法则是通过一次分析, 将多个耦合单元进行多场自由度处理, 保证单元向量以及负载向量的稳定。顺序耦合法在进行实际处理的过程中, 将多种物理量进行具体命名, 而直接耦合法主要是针对同一文件在不同的物理场之间进行处理。两种耦合方法在进行实际计算的过程中具有良好的效果, 能够保证求解以及运算的准确性。

3.2 场路耦合模型建立与求解

3.2.1 损耗模型建立

在ANSYS中, 采用集中电阻、电容、电感以及电源等相应的元件来描述电器设备。保证在进行电路模型设计的过程中建立电路单元, ANSYS软件在进行分析的过程中主要有节点法、棱边法、静电场分析法等相关方法[2]。考虑到在运行的过程中磁阀式可控电抗器存在漏磁现象, 针对空气区域需要进行建模, 采用SDLID98进行模型构建, 线圈使用SOURCE36单元构建, 将空气当中的相对磁导率定为1, 铁芯当中的磁导率定位2000, 创建模型, 保证能够使用剖分工具进行剖分。

3.2.2 求解

ANSYS有限元分析主要是针对检查结构之后构建载荷的相应程序, 保证函数计算的准确性。本文通过DOFs进行约束并求解, 假设导磁区为Ω1, 自由度空间为Ω0, S1主要表示Ω1边界。在铁芯区域范围内Ω1内有Hg=Hs, 边界S1上的约束条件为-=0, 公式当中n为μ方向的矢量, 将公式进行代入得到的铁区内的场值为H1=Hs-, 在具体的空气范围内Ω0内包含Hg=Hs, 边界S1上的约束关系为n×Hg=n×H1[3]。根据上述公式能够的得出, 在进行计算以及利用ANSYS程序进行分析时, 对于磁阀式可控电抗器损耗的分析具有一定作用, 能够充分的反应在可抗器运行过程中的损耗, 明确具体的损耗性质, 进行处理分析, 保证整个磁路平稳, 降低磁阀式可控电抗器损耗。

4 结论

我国资源配置与经济发展呈现出不平衡状况, 社会的整个电力供应是保证经济可持续发展的关键, 对长距离、大容量的特高压输电进行研究, 对社会经济发展具有重要意义。因此, 本文针对磁阀式可控电抗器进行研究, 明确具体的损耗位置, 减少损耗, 对我国特高压电力系统的建设与发展具有重要的推动作用。SS

参考文献

[1]刘鹏升.基于磁阀式可控电抗器的配电网无功补偿系统研究[D].中南大学, 2013.

[2]朱青山.基于磁阀式可控电抗器的动态无功补偿应用研究[D].华侨大学, 2012.

可控电抗 第7篇

如何降低网损, 提高电力系统的输电效率, 保证电力系统的经济运行是电力系统面临的实际问题, 也是电力系统研究的主要方向之一。目前, 由于各种新型的电力电子整流装置的投入使用使电网无功功率大量增加, 最终导致功率因数的下降, 网损增加, 因此, 进行无功功率补偿, 提高输电效率, 势在必行[1]。

1、控制系统总体框图

基于M C R的无功电压综合补偿控制装置采集两路电压、电流信号, 根据两表法计算系统的有功功率及无功功率, 快速跟踪电压及无功功率的变化, 动态地调节各相投入的补偿电抗, 调节无功及电压。即:根据检测量自动调整M C R的各相电抗的大小和相应的晶闸管触发延迟角, 自动调节投入各相的补偿电抗[2,3]。控制装置主要需要以下八部分电路:

(1) 数据采集电路检测负载的电压和电流。

(2) 同步信号检测电路获取三相同步信号。

(3) 控制电路根据相应的策略, 对检测信号进行计算, 给出控制信号。

(4) 晶闸管控制电路根据控制电路输出的控制信号产生相应的晶闸管触发脉冲。

(5) 键盘、显示电路通过键盘控制显示当前电抗器投入角度、电流值、有功功率、无功功率等。故障时显示出错信息。

(6) 开关量输入电路将表征有载变压器分接头位置的数字量输入至单片机。

(7) 开关量输出电路将由控制策略所得的控制量以开关量的形式输出到外部控制电路中去, 以控制变压器分接头的升降, 达到无功电压综合补偿的目的。

(8) 通信电路根据实际需要, 采集各个装置的运行参数, 实现电力系统的集中控制。

整个控制系统框图如图1所示。

2、硬件电路设计

2.1 控制电路

控制电路的核心是单片机, 系统的采集、控制、通信等任务都是通过单片机来管理和协调的, 单片机的选择非常重要[4]。选用Intel公司的80C196KC单片机。

2.2 数据采集电路

数据采集系统的任务, 就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号, 然后送入计算机, 根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理, 得出所需的数据。

2.3 同步信号检测

同步信号是整个电路的时基, 所有的计算都依赖该信号来对时, 一旦同步出错图1控制装置框图整个运行就会出错。

2.4 晶闸管控制电路

本系统用80C196KC单片机的高速输出口HSO来产生触发晶闸管的驱动信号。

2.5 键盘和显示电路

为实现人机对话, 提供一个控制操作平台, 通过操作台显示现场参数, 在本控制器中包含显示键盘电路。

2.6 开关量输入/输出电路

CPU在测得变电站二次侧电压和无功后, 参照变电站当前运行情况, 综合考虑变电站当前的运行方式、运行参数、分接头位置和各组电抗器投切状态及负载情况等诸多因素, 采用一定控制策略进行判决。然后将获得的最优控制以数字量的形式向外部控制电路输出去控制变压器分接头的升、降, 达到控制变电站无功和电压的目的[5]。

2.7 通信电路

为便于控制器与P C机通信, 选用M A X 2 3 2 E作为通讯接口芯片, 可减少元件数量, 提高集成度。

3、基于MCR的无功电压综合补偿的实验验证

下面是基于M C R的无功电压综合补偿的实验电路, 如图2所示。

从图2可知, 电源通过电感给可控电抗器和电容提供无功。电容通过调压器接入可控电抗器两端。通过调节调压器变比来改变电容负载的无功功率消耗, 然后观测电抗器投入运行状况及其两端电压的变化来检验其补偿无功功率及调节电压的能力。实验结果见表1几组数据。结果表明, 投入可控电抗器控制装置后基本上能够很好的保持可控电抗器两端电压的稳定。特别需要说明的是, 在最后一组实验中, 电容负荷太大, 消耗无功功率超出了可控电抗器工作范围, 此时电压仅能回落到225.1V, 对应的晶闸管触发角为设定的极限2°。但是, 在这种恶劣的工作条件下, 可控电抗器还是起到了补偿无功功率和改善电压的作用。几组实验证明了可控电抗器在实际中, 具有无功功率补偿和维持电压稳定的作用。

4、小结

本文对晶闸管可控电抗器补偿无功功率的电子电力系统的硬件部分进行了设计, 并进行了简单的实验验证, 从而进一步证明了晶闸管可控电抗器补偿无功功率的可行性, 对实际工作有着实际的意义。

摘要：本文研究的基点是电力系统可控电抗器无功功率补偿技术。对晶闸管可控电抗器补偿无功功率电子电力系统的硬件进行了设计, 且进行了基于MCR的无功电压综合补偿的实验验证。

关键词：电子电力系统,可控电抗器,无功功率补偿

参考文献

[1]李天然.蔡敬义.电力电子用广电力系统无功补偿技术综述. 江苏电器.2003, 2

[2]王正风.徐光勇.浅谈电力系统的无功优化和无功补偿.电力电容器. 2002, 3

[3]唐新龙.谈顺涛.张建华等.电力电子技术在电力系统无功补偿方面的应用.2003, 23 (2)

[4]簪亚波. 单片机无功补偿控制器的设计.电测与仪表仪表.2001, 5:8-11