可调电抗器(磁控电抗器)的原理分析

　　关于可变电抗器的原理分析，从带气隙变压器的电压方程式的分析可知，如果向变压器的二次侧主动注入与一次侧相同频率、相反相位的电流，则随着注入电流的大小的变化，变压器的主磁通连续变化，变压器的一次侧阻抗连续的无级该新原理可应用于故障限流、电力系统潮流控制、消弧线圈和晶闸管控制串联电容器(TCSC  )等领域，在电力系统柔性输电装置中有广阔的应用前景。 实验结果证明了这一新原理的正确性。

　　1引言

　　为了提高电网输电能力，调节电网电压，补偿无功，电力系统需要采用具有可变阻抗的电抗器。 现有可调电抗器大致可分为以下方案[1~3] : 调节电抗器抽头； 调节电抗器气隙直流辅助式；  TCR  )晶闸管控制电抗器)，TCSC采用调节晶闸管触发角的方式。 在这几种方案中，采用调节电抗器抽头的方案成本低，容易调节，但电感量不能连续调节； 电抗器气隙调节方案的电感量可以连续调节，结构简单，但需要较精密的机械传动装置，响应缓慢，噪声大； 另一方面，采用直流辅助方式的方案，通过调节直流励磁电流的大小改变交流等效电导来实现电感的连续调整，其响应速度快，但长期正常运行时，铁芯处于磁饱和状态，损耗大，噪声大，谐波大在TCR、TCSC方式下，晶闸管通过调整触发角来改变电感量，必然产生高次谐波污染。

　　2、双磁通可控可调电抗器原理

　　设带气隙串联变压器铁心中的一次侧绕组AX的匝数为W1，二次侧绕组AX的匝数为W2，则一次侧和二次侧的匝数比k=W1/W2。 当该变压器的一次侧AX串联在电网和一个负载之间时，在其一次侧流过电流i1。 检测变压器一次侧的电流i1，用电压型逆变器跟踪该电流产生电流i2，以反相位将i2注入变压器二次侧，则该变压器成为图1所示的双边励磁的串联变压器。 该双边励磁串联变压器的t形等效电路如图2所示(将i2换算为变压器初级侧)，其中，Z1=r1 jx1是初级侧AX线圈的漏阻抗； 将变压器二次侧换算为一次侧的泄漏电阻； Zm=rm  jxm是变压器励磁阻抗？

　　变压器空载运行时，铁芯上产生的空载磁动势会产生空载磁动势引起的主磁通Mn，该主磁通会在变压器一次侧产生感应电动势？ 其中，a是实数，是0a1。从式(5)可以看出，从AX侧看，变压器显示的阻抗是可变量，其大小与a满足一定的比例关系。 因此，通过调节a的大小，可以改变变压器次级侧的磁势，可以改变变压器铁芯的主磁通，变压器初级侧也呈现无级可变阻抗。 该原理适用于目前许多柔性输电系统(FACTS  )装置和消弧圈，如UPFC  (统一潮流控制器)5)和TCSC  (晶闸管控制串联电容器)3)中，只需连续改变系统阻抗在故障限流器(FCL  )中，正常运行时a=1，可调电抗器初级侧漏阻抗小，对系统几乎没有影响。 发生故障时，在一定的控制下立即设为a=0，并将该可变电抗器设为励磁阻抗，从而将故障电流限制在一定范围内； 这些可以基于基于该磁通控制的可变电抗器的新原理来实现。 本方案通过变压器主磁通向下下降且具有气隙，因此该可调电抗器无饱和现象，且实现阻抗连续可调时不会产生任何谐波。

　　3、实验电路结构及控制方式

　　为了证明上述原理的正确性，本文设计了一种基于磁通控制的可调电抗器原理电路。 如图5所示，串联变压器的初级侧AX串联连接在电力系统和电阻负载Rd之间，Us是电网电压，Ls是电力系统的等效内阻。 将变压器次级侧ax和一个电压型逆变器连接起来，该逆变器用于产生一个磁通补偿电流。 Ud是逆变器的直流侧电压，Ld和Cd用于抑制逆变器产生的高频脉动。 检测电路和整个控制电路以与变压器初级侧电流相同的频率，用于产生反相位的补偿电流。

　　电压型PWM逆变器的电流控制方式一般有三种[6]，本文选择目前应用最广泛且实现的最简单的电流控制方法，将补偿基准电流与逆变器的输出电流进行比较，当实际电流大于给定值时，逆变器相反，实际电流小于规定值时，通过改变变频器对应的开关器件的开关状态，使实际电流增大。 滞环电流控制对负载和系统参数的变化具有较强的鲁棒性，其动态响应速度快。

　　4、实验结果与分析

　　根据磁通可控可调电抗器的原理电路图5设计了一系列实验装置。 其中，变压器的变比为1:1，励磁阻抗Zm为16.309W，初级侧泄漏阻抗Z1为0.088 W，负载Rd为10.1 W。 系统电压为150V，直流电压为240V，开关器件为SEMIKRON公司的NPT型IGBT  SKM300GB123D。 调节注入变压器二次侧的电流大小，使a在0和1之间变化，测量变压器一次侧的电压UAX和电流I1，可以计算出变压器一次侧的等效阻抗ZAX=UAX  /I1，其结果如表1所示。