磁控电抗器优化设计论文(编辑修改稿)

磁控电抗器优化设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

gure 512 Waveforms of voltage and current, α=0176。 48 图 513 α=60176。 时，电压电流仿真波形 49 Figure 513 Waveforms of voltage and current, α=60176。 49 图 514 α=120176。 时，电压电流仿真波形 50 Figure 514 Waveforms of voltage and current, α=120176。 50 图 515 α=150176。 时，电压电流仿真波形 51 Figure 515 Waveforms of voltage and current, α=150176。 51 图 516 δ=， α=150176。 时电压电流波形 52 Figure 516 Waveforms of voltage and current, δ=， α=150176。 52 图 517 δ=， α=150176。 时电压电流波形 53 Figure 517 Waveforms of voltage and current, δ=， α=150176。 53 VII 图 518 MCR 三相补偿仿真模型 53 Figure 518 Threephase pensating simulation model of MCR 53 图 519 系统稳定运行后的电压电流波形 54 Figure 519 System Voltage and Current of steady operation 54 表清单 List of tables 表序 号 表名称 页码 表 11 可控电抗器基本类型及特点 4 Table 11 Basic type and characteristic of controllable reactor 4 表 3 1 不同结构的铁芯损耗比较 18 Table 31 Loss parison of cores with different structures 18 表 3 2 不同移相角下的电流畸变结果 26 Table 32 Current harmonic distortion under different shifting angles 26 1 绪论 1 1 绪论 1 Introduction 课题的研究背景及意义 （ The Background and Significance of the Subject） 上世纪七十年代 改革开放以来，国民经济 呈 迅猛发展 趋势 ， 电力行业作为工业发展的支撑行业 ， 也迈入 了快速发展时期。 用户 对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，电力系统各节点无功功率的平衡决定了该节点的电压水平，而当今的电力系统用户存在大量无功功率快速变化的设备；如轧钢机、电气化铁道、电弧 炉等。 同时用户中又存在着大量对系统电压稳定性有较高要求的精密设备如计算机、医用设备等。 从而迫切需要对系统无功功率进行补偿。 在电力系统中装设无功补偿装置 [1]，可以降低线 路 损 耗 ，提高功率因数，降低设备容量，改善电力系统的稳定性，提高输电能力和供电质量。 因此对无功补偿装置进行研究，具有重要的现实意义。 无功补偿技术在发展中不断改进，从早期的同步调相机，到固定补偿电容器组、开关投切电容器及晶闸管控制电抗器等，近年来受到广泛关注的无功补偿装置是无功发生器。 同步调相机有相应速度慢，维护起来比较困难的缺点，开关投切电容 器要频繁操作开关的关断，容易引起开关故障，而且响应速度也不快，容易产生 过电压及谐振 ，控制起来也很复杂，只能实现电容器的分组投切，不能实现连续平滑地对无功进行调节，会将大量谐波注入到系统中；晶闸管控制的电抗器要求晶闸管有较高的抗压耐流能力，价格比较昂贵；静止无功发生器的补偿效果较好，但其成本也是非常之高。 可控并联电抗器能够实现对补偿容量进行连续调节，是柔性灵活交流输电的重要组成部分。 可以对补偿线路的无功功率动态补偿，对 工频过电压及操作过电压 进行限制，在与适当的中性点小电抗结合后，施以合适的控制方法，在系统线路 有单相接地故障发生时，可控电抗器能够有助于潜供电弧加速 地 熄灭、 将 单相重合闸 的 成功率提高、抑制恢复电压， 且成本低廉，制造简单，目前可以说是一种 高压电网 的 核心技术。 可控电抗器在电力系统的输电过程中可实现连续平滑地调节无功功率的输出，抑制电压波动。 在系统发生扰动时，可控高抗能够快速 地 做出响应，据其母线电压或线路功率调节其无功容量，抑制电压和功率振荡 [2]。 可控电抗器有着各种不同的结构，性能也各不相同。 研究表明 ,近几年的最有应用前景的是两种基本工作原理一致的磁控电抗器，即磁阀式可控电抗器和裂芯式可控电抗器，两者都 是用直流电流控制铁芯的磁饱和度来达到平滑调节系统无功功率的目的。 它们各具特色适用于不同的应用范围。 磁阀式可控电抗器，不硕士学位论文 2 需要外加直流控制电源，可以提高电网输电能力，调整电网电源；裂芯式可控电抗器有较简单的工作绕组，并且可将额定工作时的磁饱和度选择的较低，具有一定的瞬间过负荷能力。 本文将着重对磁阀式可控电抗器进行研究。 磁阀式可控电抗器是电力系统中电压控制和无功补偿的重要装置。 近 些 年 以来， 电力系统中 越来越广泛 地 应用 到了 磁阀式可控电抗器。 它 的绕组分为 直流和交流绕组 ， 是一种 带 有铁芯的非线性电路，铁芯的饱和程度 可以通 过 直流激磁控制， 从而能够达到 控制、改变交流绕组电感感抗值的目的。 对于 可控电抗器 进行 性能改善 时，就会与 新工艺、新材料的发展有密切的联系。 运行时的电抗器损耗是 考核电抗器性能的 一项重要的性能指标 ，电抗器的损耗 包括铜损 耗 、铁损 耗以及 杂散损耗。 在这些运行损耗中，除 了 绕组的电阻损耗之外，电抗器的损耗都是由 磁通 所产生的。 这样的话，采用更改 铁芯结构 的方式去 控制磁路 的 方向，对 降低电抗器 损耗 的 设计 及 计算 有 重 大的 意义 [3]。 磁阀式可控电抗器的作用主要有以下几个方面： 对电网 来说 （ 1）提高功率因数，降低网损，可以使功率因数达 到 ； （ 2）电网电压的稳定能力 可以得到很大的提升。 （ 3）阻尼系统振荡，提高阻尼极限，提高 电力系统的输电能力 ； 对用户 来说 （ 1） 使 端点电压 保持稳定，不发生闪变 (抑制 电压过高 、 过低 现象 )， 将电力系统的 变压器 以及 输电线 路和 其 它 电器设备的 使用 寿命 延长。 （ 2） 是否安装了无功补偿装置 ， 会 对端点电压的波动幅度 造成很大的影响 ； （ 3） 使 功率因数 得到提高。 能够 达到功率因数 为 ， 大大减少 网损 及无功损耗； （ 4） 适合用在 庞大 的 电力系统 以及有 非常严重网损的 用户中，能够降低 电费 的 开支 ； （ 5） 减少电力 系统 的 损耗，延长 电力 设备 的使用 寿命，消除 电网的 谐波污染，提高 电力 系统 的 安全系数； （ 6） 减少 电弧炉运行 以及 异步机启动等本地电网 造成 的冲击， 增强 系统 的安全性，对于弱电网 作用效果更明显； （ 7） 对电网 电压闪变 予以消除 ，针对闪变设计 了 专门的算法， 把 电压闪变水平降至最低， 使 用户 的 电能质量 得以提高 ； （ 8）扩容。 在 无功补偿装置安装 之后 ，在很多 情况下能使系统 扩容 倍， 可以实现将 扩容 的 开支 大幅度地降低。 课题的国内外研究现状 (Overseas and Domestic Research 1 绪论 3 Outline of the Subject) 可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的， 在 国外 的 文献中 ，于 1916年 出现了的 “ 磁放大器 ” 专业名词， 磁放大器是 基于饱和电抗器原理 的，然而 直到高性能磁性材料 的 出 现以及 非线性铁磁理论 得到 发展以后， 可控 饱和电抗器技术 的 应用才有较大的发展 [4][5][6][7]。 随着工业自动控制系统的发展， 20 世纪 40 年代时期，饱和电抗器作为放大元件的一种得到了较大发展。 20 世纪 50 年代，磁放大器理论完整形成了，并被引入利用到电力系统中。 1955 年，世界上第一台可控电抗器在英国 BEC 电气公司制造成功，然而由于响应时间缓慢、有效材料消耗以及有功损耗较大，限制了其推广应用。 70 年代后，随着快速发展的电力电子技术，晶闸管控制的电抗器成为研究热点。 世界上第一台 TCR 型静止无功补偿设备在美国的 GE 公司研制成功。 而后晶闸管控制设备一直占据主导地位，包括晶闸管控制的变压器、晶闸管控制式电抗器以及晶闸管投切电容器组。 前苏联专家于 1986 年提出了一种新型的磁阀式可控电抗器，这标志着饱和式可控电抗器的研究有了突破性的进展。 90 年代俄罗斯学者提出了变压器式可控电抗器的概念，与传统的磁通控制的可控电抗器相比， 它具有响应速度更快、谐波电流和功率损耗更小的优点。 欧美等国家随着高压直流输电以及高压、超高压交流输电的发展，也认识到了可控电抗器巨大的发展前景，开始着手研究可控电抗器，在国内，科研院所和专家学者也展开了可控电抗器的研究工作，并取得了巨大的成果以及众多的宝贵经验。 如由西电变压器公司 20xx 年生产的全国首台 50Mvar/500kV 有级可控单相并联可控电抗器出厂试验通过， 20xx 年我国第一台 30Mvar/110kV 磁阀式可控电抗器通过了专家和机构 鉴定，同 一年，荆州 顺利投运 了由中国电 科院研制的120Mvar/500kV 直流磁控式电抗器。 武汉大学 是在 国内对磁阀式可控电抗器的开展研究 比 较早 的高校 ， 实现了对消弧线圈 以及 动态磁控式 的 无功补偿装置 成功研制 ， 有 良好 的 运行效果 ，此外，华北电力大学 、 上海交通大学等院校研究直流 式 可控电抗器 ， 浙江大学等较为细致 地研究了 交流 式 可控电抗器 ， 20xx 年，国内首台 500kV— 江陵站可控高压电抗器 是 由西电集团、特变电工沈阳变压器集团、华东电力设计院、中国电力科学研究院等相关单位联合攻关自主研发的 ，其 全部的调试工作顺利结束，与右荆（峡山） II 回线路同时进入全天试运行， 这意味 着 MCR 的核心技术已经 为 我国 所 掌握， 并 达到 了 国际 的 先进水平 [8]。 如今可控电抗器，已发展成为具有多种结构和控制方法的族群，用途各异，各有优缺点 [9][10][11][12]。 近几年国内学者提出了可控电抗器的几种新理论 ： 一、 在电网中 把 两个互感器 进行 串联， 将互感器的 二次侧通过开关装置进行硕士学位论文 4 连接，通过磁通耦合 的 改变，来 对 一次线圈的等效电感 进行 调节， 实现 对系统进行传输功率 的 调节。 二、在电网中 将变压器原边串入，在 变压器的 副边注入 与 原边频率相同、相位相反的电流， 通过对 电流幅值 的 调节 来 变压器 的 主磁通， 实现 连续无级 地调节变压器的原边阻抗。 三、 改进 现有的磁阀式可控电抗器， 把 饱和段 加长 以避免磁力线过于集中，达到 降低振动和噪音 的作用。 表 11 为可控电抗 器的基本类型及特点。 表 11 可控电抗器基本类型及特点 Table 11 Basic type and characteristic of controllable reactor 利用自身参数调节 类型 特点 调匝式 原理简单实现方便但不能连续调节 调磁导式 调气隙式 震动噪声大，很难实现连续调节 直流磁控式 偏磁式 需外加直流电源，连续可调 磁阀式 不需外加直流电源，连续可调 正交铁芯式 不需外加直流电源，连续可调 依靠辅助调节措施 开关投切式 原理简单，不产生谐波，不能连续可调 电力电子开关控制式 TCR 型 低次谐波含量大，须配备滤波器，连续可调 PWM 型 不产生低次谐波，成本高、控制复杂，容量较小 逆变器控制式 容量受开关器件限制，价格昂贵 本文的主要工作 （ Main Study Contents of This Thesis） 本文主要研究内容可以分为以下几个方面： 介绍可控电抗器的发展现状及现有无功补偿装置的优缺点，分析磁阀式可控电抗器在无功补偿方面的优势。 在数学原理、理论分析及仿真分析基础上研究磁阀式可控电抗器的工作原理和工作特性。 对磁阀式可控电抗器响应速度的提高、谐波抑制方法及降低损耗的方法进行理论分析及研究，为磁控电抗器性能优化打下理论基础。 以减小磁控电抗器自身谐波含量的角度出发，将磁阀式和裂芯式可控电抗器结合，提出了一种新型的多级磁控电抗器。 采用理论推导的方法，分析了其可以减小自身谐波的原理。 对磁控电抗器无功补 偿原理及方法进行介绍，介绍无功补偿控制器的软硬件1 绪论 5 设计思想。 对优化后的新型磁控电抗器采用 MATLAB 仿真，根据仿真结果分析电抗器无功补偿效果。 硕士学位论文 6 2 磁阀式可控电抗器的工作原理及数学模型 2。