二磁控電抗器課件

第二章

磁閥式電抗器2.1磁控電抗器在國內(nèi)外研究概況2.2磁控電抗器的工作原理2.4基于ADuC7026和ADSP21992的MCR控制器2.3磁控電抗器的控制策略2.5結束語2.1磁控電抗器在國內(nèi)外研究概況2.1.1MCR研究的現(xiàn)實意義

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，人們生活水平的普遍提高，超高壓、特高壓電網(wǎng)相繼投入運行，對供電質量及可靠性的要求越來越高。因此產(chǎn)生了一系列的新問題：超高壓大電網(wǎng)的形成及負荷變化加劇，要求大量的無功功率源以調(diào)整電壓，維持系統(tǒng)無功潮流平衡，減少損耗，提高供電可靠性。電網(wǎng)中效益和改善供電質量十分重要。根據(jù)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展，新型無功補償裝置的研的無功平衡對提高全網(wǎng)經(jīng)濟制和應用是我國當前電力系統(tǒng)需要著重解決的重大關鍵技術課題。

特別是近年來，鐵路進行了大規(guī)模的電氣化建設。其牽引電網(wǎng)具有的功率因數(shù)低、諧波含量高、負序電流大等特點，對電網(wǎng)電能質量污染嚴重，因此必須采取措施治理。而目前常用的固定容量并聯(lián)電容器組和LC濾波器等無源設備,不能根據(jù)負載情況靈活地調(diào)節(jié)補償容量,無法有效解決現(xiàn)代化高速、重載機車帶來的問題。磁閥式可控電抗器由于其制造工藝簡單,成本低廉,容量連續(xù)可調(diào)、適用高電壓，可直接用于直到1150kV的任何電壓等級的電網(wǎng)中，對于提高電網(wǎng)的輸電能力,調(diào)整電網(wǎng)電壓,補償無功功率,以及限制過電壓都有非常大的應用潛力。因此對其進行認真的研究和設計研制總結具有十分重要的工程實際意義。特別是在電氣化鐵路無功補償系統(tǒng)中，利用磁閥式可控電抗器建立的動態(tài)無功補償系統(tǒng)與現(xiàn)有的常用無功補償系統(tǒng)方案相比，具有很多突出的優(yōu)點。同時利用磁閥式可控電抗器構建的電氣化鐵路電能質量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還可對電氣化鐵道的無功、諧波及負序電流進行綜合治理，這對于保證電力系統(tǒng)正常運行和提高鐵路部門的經(jīng)濟效益都具有十分重要的意義。MCR是基于美國人E.F.W.Alexandra在1916年發(fā)表的在磁通放大器的研究基礎之上發(fā)展的。隨著高磁感應強度以及低損耗的晶粒取向鋼片的出現(xiàn)，對磁通放大器和飽和電抗器的理論及應用達到了一個新的水平。1955年，通用電氣公司成功制造了世界上第一臺100Mvar/6.6kV的MCR，但是這臺MCR的弊端是產(chǎn)生巨大的損耗以及調(diào)節(jié)速度緩慢。1986年，前蘇聯(lián)專家A.M.Bryantsev提出了新型結構MCR，第一次提出了電磁閥的概念。基于這個理論，電抗器的性能得到大大的改善，MCR的研究得到了突破。2.1.2MCR研究的現(xiàn)狀和應用情況隨后，60Mvar/500kV,25Mvar/110kV，100Mvar/220kV,180Mvar/330kV和180Mvar/500kV的MCR分別在1989，1999，2000，2003和2005年投產(chǎn)并運行成功。國外俄羅斯學者也在MCR方面進行了深入的研究，取得了顯著的進展，其可應用于直至1150kV的任何電壓等級。俄羅斯電工研究院及相關企業(yè)已經(jīng)設計制造了50多臺35～500kV不同類型的MCR。主要業(yè)績有：赤塔電站(俄羅斯)電壓等級為220kV、容量為l00MVA的三相MCR于2002年投入運行；巴拉諾維奇電站(白俄羅斯)電壓等級為330kV、容量為180MVA的三相MCR于2003年投入運行；西伯利亞(俄羅斯)電壓等級為500kV、容量為180MVA的三相MCR于MCR2005年投入運行。從而MCR在獨聯(lián)體國家的電網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用。目前有動態(tài)補償裝置如晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactors，TCR)不僅價格昂貴，而且占地面積大、結構復雜，不能推廣。由于TCR可控硅處在設備的高壓側，故不能直接用于電壓等級高的電網(wǎng)，需經(jīng)變壓器降壓使用。而MCR采用自耦勵磁和極限磁飽和先進技術，較TCR和變壓器型可控電抗器(CRT)具有輸出諧波小、結構簡單、可靠性高、價格低廉、占地面積小等顯著優(yōu)點，是超高壓和特高壓電網(wǎng)理想的動態(tài)無功補償裝置。又由于在特高壓長距離輸電線路中使用MCR對于限制過電壓以及實時補償系統(tǒng)的無功功率、提高線路的輸電能力、調(diào)整線路電壓、顯著減少線路空載(輕載)損耗，提高電網(wǎng)可靠性和優(yōu)化電網(wǎng)運行狀況的功能等方面都有非常大的潛力。所以MCR必將在我國超/特高壓輸電線路中得到廣泛應用。目前世界上最主要的MCR制造商有獨聯(lián)體可控電抗器集團(ControllableElectficReactorsConsortiumofRussia&theCommonwealthofIndependentStates(CIS)，CERC)，在美國建立了網(wǎng)站()進行宣傳；俄羅斯表示將會用MCR全部取代TCR；美國電力科學研究院(EPRI)于2002年9月宣布推廣MCR技術在國內(nèi)的應用，并給予經(jīng)費資助；印度和巴西等國也表示出對MCR的極大關注。為滿足電力系統(tǒng)結構不斷升級的要求，相信隨著我國特高壓電網(wǎng)建設時代的到來，MCR在我國也將具有廣闊的應用前景。2.2磁控電抗器的工作原理2.2.1磁控電抗器的結構

磁閥式可控電抗器根據(jù)電壓等級和容量大小不同可劃分為高壓小容量，高壓大容量以及超高壓大容量三種基本結構形式。在本文中以10KV的電壓等級電網(wǎng)為例，電抗器容量比較小，在這種低壓等級下，采用主線圈與控制線圈合二為一，以簡化結構和減小損耗。為獲得所需的輸出電流和減小諧波，電抗器鐵芯采用分段布置的小截面段，工作時，小截面段飽和，大截面始終處于未飽和狀態(tài)，鐵芯結構為圖2.1圖2.1磁控電抗器結構圖2.2.2磁控電抗器的實現(xiàn)原理圖2.3磁控電抗器原理圖圖2.3(a)為磁控電抗器結構圖，圖2.3(b)為相應的原理圖。磁控電抗器的主鐵芯分裂為兩半(即鐵心1和鐵心2)，截面積為Acore，每一半鐵心截面積具有減小的一段，四個匝數(shù)為N/2的線圈分別為對稱地繞在兩個半鐵心柱上(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a=N2/N的抽頭，它們之間接有晶管T1(T2)，不同鐵心上的上下兩個繞組交叉連接后，并聯(lián)至電網(wǎng)電源，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上。在整個容量調(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)，通過改變小截面段磁路的飽和程度來改變電抗器的容量。由圖2.3(b)的電路圖可知，若晶閘管K1、K2不導通，由繞組結構的對稱性可知可控電抗器與空載變壓器相同。當電源e處在正半周期時，晶閘管K1承受正向電壓，K2承受反向電壓。若K1觸發(fā)導通(a、b點電位相等)，電源e經(jīng)變比為d的線圈(N/2)自耦變壓后由匝數(shù)N2的線圈向電路提供直流控制電壓和電流iKˊ、iK〞

。不難得出K1導通時的等效電路，如圖2.4(a)所示。同理，若K2在電源的負半周期導通(c、d電位相同)，則可得出圖2.4(b)所示的等值電路。由圖可見，K1導通所產(chǎn)生的控制電流方向與K2導通時所產(chǎn)生的一致，也就是說在電源的一個工頻周期內(nèi)，K1、K2的輪流導通起了全波整流的作用，而二極管D的作用是續(xù)流。與一般的可控整流原理一樣，其有利于晶閘管K1、K2的關斷，提高整流效率。圖2.4晶閘管導通時可控電抗器等效電路圖改變晶閘管K1、K2的觸發(fā)導通角就可以改變控制電流ikˊ、ik〞的大小，從而改變鐵心的磁飽和度，平滑調(diào)節(jié)可控電抗器容量。由圖2可知，匝數(shù)N1/2的線圈中流過的電流分為兩部分：直流控制電流ikˊ、ik〞

、工作電流iˊ、i〞(約為i的一半)。直流控制電流ikˊ、ik〞流過兩個匝數(shù)為N1/2的線圈(串聯(lián))，所產(chǎn)生的控制磁通在兩個鐵心內(nèi)自我閉合，工作電流iˊ、i〞流過上下兩組串聯(lián)的繞組，所產(chǎn)生的交流工作磁通通過兩個并聯(lián)鐵心和另一鐵心閉合，具體電路圖如圖2.5所示。顯然，磁閥式可控電抗器的工作與控制繞組合并為一個，這有利于減少損耗，簡化結構。2.2.3磁控電抗器的工作狀態(tài)

根據(jù)上圖的磁閥式可控電抗器原理，磁閥式可控電抗器的晶閘管K1、晶閘管K2及二極管D的可能導通情況，可以列出一下5種狀態(tài)：(1)K1導通、D截止、K2截止；(2)K1導通、D導通、K2截止；(3)K1截止、D導通、K2截止；(4)K2導通、D截止、K2截止；(5)K1截止、D導通、K2導通；總結5種狀態(tài)，磁閥式可控電抗器在正弦電壓的作用下，K1

、K2

、D輪流導通的情況如下圖2.6所示：

圖2.6磁閥式可控電抗器的工作狀態(tài)變化圖

下圖為磁閥式可控電抗器等效電路：在電源的正半周期，晶閘管K1觸發(fā)導通的過程與電源負半周期時K2觸發(fā)導通過程完全相同。在接下來的周期K1、K2、D輪流導通、截止。因此只需對電抗器的前三個工作狀態(tài)進行推導即可。電抗器的電流流通圖2.7如所示(a)K1導通、D截止、K2截止圖2.7狀態(tài)拓撲圖(b)K1截止、D導通、K2截止(c)K1截止、D截止、K2導通2.2.4.1鐵芯的磁特性當鐵心中磁感應強度B以及磁場強度H僅有交流分量時鐵心的磁回線如圖(2.9)

，繞組感抗是一定的，大小取決于鐵心材料的磁特性參數(shù)（如磁導率m）。要改變鐵芯的磁狀態(tài)，從而改變繞組的感抗值以及激勵電流的大小，則需要改變鐵芯飽和度，或者改變電源電壓的大小。其中：w=2pf為角頻率，Sc為鐵芯截面積，lc為磁路平均長度，m為磁導率，N為繞組匝數(shù)2.2.4磁控電抗器的特性分析圖2.9鐵芯的磁特性當鐵心同時受到交流和直流激磁作用時，鐵芯的磁感應強度以及磁場強度既有交流分量，又有直流分量，隨著直流激勵作用的改變，鐵芯的磁感應強度以及磁場強度大小發(fā)生改變，鐵芯的磁化過程特性也發(fā)生改變，呈局部回線狀態(tài)，如圖2.10所示。這樣交流大小一定時，改變直流激勵的大小，就必然會改變交流回路參數(shù)（如繞組感抗，電流大小及波形等）圖2.10有直流和交流激勵時的磁滯回線（1）僅有交流激勵（2）有直流和交流激勵

當直流激勵電流為0時，交流繞組感抗值最大，繞組內(nèi)電流最小，相當于變壓器空載運行。在這設鐵心中磁感應強度為正弦變化，鐵心在一周內(nèi)磁狀態(tài)工作點的變化如圖2.11(a)所示。當直流激勵電流一定時，磁狀態(tài)工作點的變化如圖2.11(b)所示：由圖分析，由于交流與直流激勵的疊加，鐵心工作于磁特性的飽和段，隨著直流激勵的增大，鐵心飽和，磁感應強度增大，改變了鐵心的工作狀態(tài)點，交流繞組的感抗小，交流電流增大，相當于“閥門”打開。圖2.11鐵芯的磁狀態(tài)變化圖（a）僅有交流激勵（b）有直流和交流激勵圖2.13磁閥式可控電抗器輸出電流波形從圖中分析，改變晶閘管的觸發(fā)角a，則改變的了鐵芯的磁飽和度b，b越大，輸出工作電流越大，電流波形越接近正弦波，產(chǎn)生的諧波越小。2.2.4.3不同飽和度b下等效電抗的變化情況

首先從理論上分析，圖2.14及圖2.15其分別表示在不同直流控制磁場強度時磁導率曲線m=f(B)，及對應的m=f(Hk)。Hk越大，鐵心越飽和，m越小。無論直流激勵電流方向如何，這種變化規(guī)律是相同的。圖2.14不同Hk時m-Bm圖圖2.15m-f(±Hk)圖交流繞組的感抗值跟m有關，因此感抗值隨直流控制電流Ik有關，Hk越大，感抗值越小。2.3

MCR控制策略MCR可用調(diào)壓、無功補償?shù)??；贛CR的無功功率補償裝置是以三相電流為判據(jù)，快速地跟蹤現(xiàn)場電流的變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)各相投入的補償電納，調(diào)節(jié)三相不平衡系統(tǒng)的平衡化。這就是說，控制裝置應能自動檢測系統(tǒng)所需要的所有電量，并且能根據(jù)檢測量自動算出MCR的各相電納的大小和相應的晶閘管觸發(fā)延遲角。這樣，MCR就可根據(jù)三相電流的變化，自動調(diào)節(jié)投入各相的補償電納。此外，如果希望實現(xiàn)電力系統(tǒng)的集中控制，還需要添加切合實際的通信方案。根據(jù)MCR的工作要求，控制系統(tǒng)主要功能有:1、實現(xiàn)系統(tǒng)MCR無功補償?shù)娜嚯妷?、電流的采?2、實現(xiàn)三相補償無功功率、補償電流的計算，通過查表或者計算公式找出晶閘管觸發(fā)控制角a:3、實現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)控制;4、實現(xiàn)對MCR的保護控制，以及系統(tǒng)故障、晶閘管工作狀態(tài)的監(jiān)測等2.3.1控制方式的選擇

在控制器的控制規(guī)律上可以分為功率因數(shù)控制和無功功率（無功電流）控制。下面介紹分別介紹功率因數(shù)控制和無功功率（無功電流）控制兩種控制方式的特點。2.3.1.1功率因數(shù)控制

功率因數(shù)控制就是以功率因數(shù)滿足要求為控制目標。用無功補償裝置進行補償，使供電電網(wǎng)的功率因數(shù)滿足要求。參照圖，假設補償前的參數(shù)是有功電流為ip1

，無功電流iq1,總電流i1，功率因數(shù)cosj1<0.9。假定將cosj<0.9定為控制門限，當控制器檢測到當前的功率因數(shù)值小于0.9時，發(fā)出指令，調(diào)節(jié)電抗器進行補償(減小電抗值)。補償后的參數(shù)為有功電流ip2，顯然ip2=ip1，無功電流iq2，則有iq2=iq1-ic，功率因數(shù)cosj2>0.9。又設控制門限iq2>0。當控制器檢測到當前的無功電流小于零時，即得到超前的功率因數(shù)時，發(fā)出指令，加大電抗器的電抗值。當檢測到當前的功率因數(shù)值介于0.9到1之間時，則保持不變。2.3.1.2無功功率（無功電流）控制針對功率因數(shù)控制的問題，出現(xiàn)了以系統(tǒng)中的無功功率（無功電流）為被控制對象，即無功功率（無功電流）控制方式。

控制器對電網(wǎng)的電壓、電流進行采樣檢測，計算出當前的無功功率（無功電流）值。根據(jù)無功功率的值確定電抗器的調(diào)節(jié)方式。本方法補償?shù)慕Y果是使電網(wǎng)中的無功功率（無功電流）始終保持在一個較低的水平上。圖示如下2.3.1.3控制系統(tǒng)的基本組成部分從系統(tǒng)結構來看，無論是由磁閥式可控電抗器組成的調(diào)壓或無功補償系統(tǒng)，其都應能檢測系統(tǒng)的有關變量，并根據(jù)檢測量的大小以及給定（參考）輸入量的大小，產(chǎn)生相應的晶閘管觸發(fā)脈沖，以調(diào)節(jié)補償系統(tǒng)的無功功率，因此，其控制系統(tǒng)一般應包括以下三部分：（1）檢測部分：檢測控制所需的系統(tǒng)變量和補償變量。（2）控制部分：為獲得所需的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性對檢測信號和給定輸入進行處理。（3）觸發(fā)部分：根據(jù)控制電路輸出的控制信號，產(chǎn)生相應觸發(fā)延遲角的晶閘管觸發(fā)脈沖，并驅動晶閘管的觸發(fā)。(4)保護部分：根據(jù)檢測信號等對MCR系統(tǒng)故障進行相應保護控制系統(tǒng)框圖首先進行復位、自檢、初始化等工作。然后檢查鍵盤是否發(fā)出命令，有則運行相應程序，確定MCR的工作模式。首次運行時，須進行自測，在某一恒定電壓下，收集采樣所得數(shù)據(jù)，測出(三組)觸發(fā)角a從0o變化到180o時的無功容量值(電抗值)的變化，取整平均后保存為列表，供以后運行時使用。正常運行時，通過采集電壓電流，計算出功率因數(shù)角、瞬時有功功率、瞬時無功功率等，根據(jù)補償要求（可以是恒壓補償，也可以是恒功率因數(shù)補償），算出補償容量，查表（或者根據(jù)MCR控制特性），找出相應的晶閘管控制觸發(fā)角a，以實現(xiàn)連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)。通過對MCR補償裝置本身的電流采集，一是可以監(jiān)控電抗器的調(diào)節(jié)效果，二是作為本裝置的保護使用，對電抗器的保護還有瓦斯保護、溫度保護等。2.4基于ADSP21992和ADmC7026的MCR2.4.1.1ADSP21992基本結構

ADSP-2199x系列的DSP的結構包括：ADSP-219x內(nèi)核（3個計算單元，2個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器，1個程序控制順序控制器）1個A/D、1個編碼器接口、1個PWM模塊、1個CAN模塊、1個SPORT串行口、1個SPI同步串行口、1個DMA控制器、3個可編程定時器、通用可編程I/O引腳、17個中斷（3個內(nèi)部中斷、2個外部中斷和12個用戶自定義中斷）、片內(nèi)48K程序存取器和數(shù)據(jù)存取器。2.4.1ADSP21992信號采集電路主要實現(xiàn)三相電壓、三相電流信號的檢測、調(diào)理、A/D轉換等功能；信號處理控制部分是整個控制器的硬件核心。主要完成對采集信號的加工處理，最終得出相應的觸發(fā)控制角。以及計算無功有功功率，電壓電流有效值；顯示模塊，顯示設定信息；晶閘管觸發(fā)模塊主要完成得到晶閘管所需脈沖信號。2.4.1.2ADSP21992需完成的工作此外，還應具有如下功能:(1)利用捕獲單元實現(xiàn)實時跟蹤電網(wǎng)頻率;(2)利用DSP內(nèi)部自帶的14位AD轉換器(VIN0-VIN7)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;(3)數(shù)據(jù)運算和處理;(4)利用DSP的FIO模塊脈沖電壓器控制MCR的容量；(5)串行通訊與ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。2.4.1.3過零檢測電路和A/D采集電路A相相電壓經(jīng)過低通濾波后，通過一個過零比較器，將正弦交流信號轉換成方波信號，方波的頻率跟隨電網(wǎng)的頻率，從而達到與電網(wǎng)同步。DSP的捕獲單元檢測此方波信號，計算出電網(wǎng)的頻率，從而達到動態(tài)跟蹤電力網(wǎng)的頻率變化、定時刷新采樣模塊中的采樣間隔值的目的。之所以將正弦交流信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枙r便于DSP采樣。

根據(jù)過零檢測信號得到過零點，可以作為晶閘管觸發(fā)角的基準值，進行調(diào)整晶閘管觸發(fā)角。2.4.1.4過零檢測信號的采集：主電路的電流和電壓通過電流(第二級電流互感器變比為5:0.1)和電流互感器PT(變比為220:8)，將電流變換成有效值不超過100mA的交流信號，電壓變換成有效值不超過8V的交流信號。電壓信號首先經(jīng)過RC低通濾波，濾掉高次諧波，然后進過相位補償電路最后送入ADSP的VIN0口，同時同一線路的電流信號也經(jīng)過濾波和相位補償電路送入ADSP的VIN4口，這樣就實現(xiàn)了同一時刻采集一條線路上的電流電壓信號，進行數(shù)據(jù)處理。2.4.1.5信號采集2.4.1.6晶閘管導通檢測電路晶閘管兩極電壓經(jīng)過電壓互感器PT隔離，經(jīng)橋式整流、濾波輸入到三極管基極，當晶閘管不導通時，基極為高電平，三極管導通，PF0輸出高電平，反之，PF0輸出低電平。2.4.1.7晶閘管驅動電路當PF0為高電平的時候三極管8550導通，15V穩(wěn)壓源通過電阻R2給脈沖變壓器的初級供電，當PF0為低電平時三極管截止，脈沖變壓器初級電壓為0。通過控制三極管可以提供脈沖變壓器一個脈沖電壓。系統(tǒng)電壓、電流信號的采集可以通過過零檢測電路產(chǎn)生的脈沖信號來作為DSP的外部中斷信號，在中斷子程序中啟動A/D進行采樣。系統(tǒng)工作根據(jù)計算所得的觸發(fā)角，由控制器發(fā)出觸發(fā)脈沖信號啟動MCR的晶閘管導通角，然后要檢測其狀態(tài)，判斷其是否符合要求;根據(jù)情況顯示相應的信息。2.4.1.8ADSP21992軟件設計流程圖2.4.2.1ADmC7026基本結構16通道12位ADC，最高采樣速率為1MSPS。4通道12位DAC；支持外部晶振，41.78MHz的PLL，并支持可編程分頻；62KB片內(nèi)Flash存儲器，8KB的SRAM存儲器；40個GPIO；2個UART接口；4個定時器；1個SPI接口；2個I2C接口；3相16位PWM發(fā)生器；工作溫度范圍：–40℃至+125℃。2.4.2ADuC70262.4.2.2ADmC7026主要實現(xiàn)的功能：1利用ADuC7026內(nèi)置12通道ADC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；2