可調電抗器(磁控電抗器)的原理分析

　　關于可變電抗器的原理分析，從帶氣隙變壓器的電壓方程式的分析可知，如果向變壓器的二次側主動注入與一次側相同頻率、相反相位的電流，則隨著注入電流的大小的變化，變壓器的主磁通連續變化，變壓器的一次側阻抗連續的無級該新原理可應用于故障限流、電力系統潮流控制、消弧線圈和晶閘管控制串聯電容器(TCSC  )等領域，在電力系統柔性輸電裝置中有廣闊的應用前景。 實驗結果證明了這一新原理的正確性。

　　1引言

　　為了提高電網輸電能力，調節電網電壓，補償無功，電力系統需要采用具有可變阻抗的電抗器。 現有可調電抗器大致可分為以下方案[1~3] : 調節電抗器抽頭； 調節電抗器氣隙直流輔助式；  TCR  )晶閘管控制電抗器)，TCSC采用調節晶閘管觸發角的方式。 在這幾種方案中，采用調節電抗器抽頭的方案成本低，容易調節，但電感量不能連續調節； 電抗器氣隙調節方案的電感量可以連續調節，結構簡單，但需要較精密的機械傳動裝置，響應緩慢，噪聲大； 另一方面，采用直流輔助方式的方案，通過調節直流勵磁電流的大小改變交流等效電導來實現電感的連續調整，其響應速度快，但長期正常運行時，鐵芯處于磁飽和狀態，損耗大，噪聲大，諧波大在TCR、TCSC方式下，晶閘管通過調整觸發角來改變電感量，必然產生高次諧波污染。

　　2、雙磁通可控可調電抗器原理

　　設帶氣隙串聯變壓器鐵心中的一次側繞組AX的匝數為W1，二次側繞組AX的匝數為W2，則一次側和二次側的匝數比k=W1/W2。 當該變壓器的一次側AX串聯在電網和一個負載之間時，在其一次側流過電流i1。 檢測變壓器一次側的電流i1，用電壓型逆變器跟蹤該電流產生電流i2，以反相位將i2注入變壓器二次側，則該變壓器成為圖1所示的雙邊勵磁的串聯變壓器。 該雙邊勵磁串聯變壓器的t形等效電路如圖2所示(將i2換算為變壓器初級側)，其中，Z1=r1 jx1是初級側AX線圈的漏阻抗； 將變壓器二次側換算為一次側的泄漏電阻； Zm=rm  jxm是變壓器勵磁阻抗？

　　變壓器空載運行時，鐵芯上產生的空載磁動勢會產生空載磁動勢引起的主磁通Mn，該主磁通會在變壓器一次側產生感應電動勢？ 其中，a是實數，是0a1。從式(5)可以看出，從AX側看，變壓器顯示的阻抗是可變量，其大小與a滿足一定的比例關系。 因此，通過調節a的大小，可以改變變壓器次級側的磁勢，可以改變變壓器鐵芯的主磁通，變壓器初級側也呈現無級可變阻抗。 該原理適用于目前許多柔性輸電系統(FACTS  )裝置和消弧圈，如UPFC  (統一潮流控制器)5)和TCSC  (晶閘管控制串聯電容器)3)中，只需連續改變系統阻抗在故障限流器(FCL  )中，正常運行時a=1，可調電抗器初級側漏阻抗小，對系統幾乎沒有影響。 發生故障時，在一定的控制下立即設為a=0，并將該可變電抗器設為勵磁阻抗，從而將故障電流限制在一定范圍內； 這些可以基于基于該磁通控制的可變電抗器的新原理來實現。 本方案通過變壓器主磁通向下下降且具有氣隙，因此該可調電抗器無飽和現象，且實現阻抗連續可調時不會產生任何諧波。

　　3、實驗電路結構及控制方式

　　為了證明上述原理的正確性，本文設計了一種基于磁通控制的可調電抗器原理電路。 如圖5所示，串聯變壓器的初級側AX串聯連接在電力系統和電阻負載Rd之間，Us是電網電壓，Ls是電力系統的等效內阻。 將變壓器次級側ax和一個電壓型逆變器連接起來，該逆變器用于產生一個磁通補償電流。 Ud是逆變器的直流側電壓，Ld和Cd用于抑制逆變器產生的高頻脈動。 檢測電路和整個控制電路以與變壓器初級側電流相同的頻率，用于產生反相位的補償電流。

　　電壓型PWM逆變器的電流控制方式一般有三種[6]，本文選擇目前應用最廣泛且實現的最簡單的電流控制方法，將補償基準電流與逆變器的輸出電流進行比較，當實際電流大于給定值時，逆變器相反，實際電流小于規定值時，通過改變變頻器對應的開關器件的開關狀態，使實際電流增大。 滯環電流控制對負載和系統參數的變化具有較強的魯棒性，其動態響應速度快。

　　4、實驗結果與分析

　　根據磁通可控可調電抗器的原理電路圖5設計了一系列實驗裝置。 其中，變壓器的變比為1:1，勵磁阻抗Zm為16.309W，初級側泄漏阻抗Z1為0.088 W，負載Rd為10.1 W。 系統電壓為150V，直流電壓為240V，開關器件為SEMIKRON公司的NPT型IGBT  SKM300GB123D。 調節注入變壓器二次側的電流大小，使a在0和1之間變化，測量變壓器一次側的電壓UAX和電流I1，可以計算出變壓器一次側的等效阻抗ZAX=UAX  /I1，其結果如表1所示。