论文导读:：磁阀式可控电抗器的出现为超高压、特高压电网的电压控制、无功调节提供了一种全新的技术手段。并联电容补偿方式因电气化铁路自然功率因数低，系统难以达到标准要求。新型磁阀式可控电抗器，可调节电气化铁路系统的无功功率，通过公式推导的方式对无功检测和控制回路进行理论分析, 另一方面，对磁阀式可控电抗器的谐波特性、伏安特性、控制特性、及响应特性分别进行了分析，给出各种特性曲线。设计将提高响应速度后的MVCR应用到电气化铁道动态无功补偿中，使用MVCR+FC进行动态补偿，且动态补偿效果良好。
关键词：电气化铁路，磁阀式可控电抗器，无功功率
1、技术背景：
新型无功补偿装置的研制和应用是我国当前电力系统需要着重解决的重大关键技术课题。传统的无功补偿技术有固定补偿、自动分组投切，这些装置由于技术本身的缺陷，难以达到理想的补偿效果；它们的价格昂贵且维护复杂。
固定补偿：电容器组固定连接，不能根据系统无功的变化自动调节补偿容量，容易出现过补和欠补，同时引起电压波动；自动分组投切：自动分组投切的原理是利用控制器对系统无功的采用计算补偿容量，分组自动投切电容器组，以调节补偿容量。其投切开关有真空开关和串联晶闸管（TSC）两种，其调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果，开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。由于新型设备和大型工矿对无功补偿的要求越来越高，原有的补偿技术已难以满足，随着技术的发展机电一体化论文，高压投切电容器式无功补偿装置已经逐渐处于中低端市场，因其不可克服的缺点逐步被静止型动态无功补偿装置（SVC）取代。
2、磁阀式可控电抗器基本原理
SVC是由电容器和电抗器组合而成的补偿设备，由于其各分组的电抗器和/或电容器能快速、连续地调节无功输出，故而是一种静止的、动态的无功补偿装置。自上世纪70年代兴起以来，随着电力电子技术的极大进步，SVC已经称为一种十分成熟的柔性交流输电系统装置，不但被用于动态无功和电压调节，还可获得诸如提高系统阻尼、增强电网稳定性等其它效益。SVC分为：晶闸管相控电抗器型静止动态无功补偿器，简称：TCR型SVC；磁阀式可控饱和电抗器型静止动态无功补偿器，简称：MCR型SVC；磁阀式可控电抗器技术于上世纪50年代在俄罗斯兴起，初期采用全饱和技术，损耗大，自身谐波含量达到35％，致使该技术一度被搁置。直到90年代，采用了小截面饱和技术，各项技术指标大大改善，使磁阀史可控电抗器技术得到了大量应用。磁阀式可控电抗器可以有效的调整电网电压，可靠性高，由于磁阀式可控电抗器的特殊结构，同TCR相比，更具有优越性。它具有较小的谐波，近似线性的伏安特性，增加了补偿的准确性，改善了补偿的暂态，它具有结构简单，谐波小，响应速度快机电一体化论文，调节范围广等优点，它不仅具有技术上的优势，而且经济上也具有优越性，被广泛地应用在电力系统电压控制和无功补偿中。磁阀式电抗器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. 可解决系统因潮流变化大所造成的无功补偿和电压调节十分困难的问题。其存在的缺点是：存在振动、噪声大及涡流损耗大的问题。磁阀式可控电抗器，简称磁控电抗器（MCR），是基于磁放大器原理来工作的，它是一种交直流同时磁化的可控其饱和度的铁芯电抗器，工作时，可以用极小的直流功率（约为电抗器额定功率的0.1%～0.5%）来改变控制铁芯的工作点（即铁芯的饱和度或者说改变铁芯的导磁率μ），来改变其感抗值，从而达到调节电抗电流的大小并平滑调节无功功率的目的中国论文网。其突出的优点是：稳定、可靠、体积小、成本较低、控制灵活、维护管理简便。
 
图 1 磁控电抗器的原理示意图及工作时的磁化曲线
图 2 磁控电抗器工作原理图
如上图所示，磁控电抗器的主铁心分裂为两半（即铁心1和铁心2），截面积为A,每一半铁心截面积具有减小的一段，四个匝数为N/2的线圈分别对称地绕在两个半铁心柱上（半铁心柱上的线圈总匝数为N），每一半铁心柱的上下两绕组各有一抽头比为δ=N2/N的抽头，它们之间接有晶闸管K1(K2),不同铁心上的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管则横跨在交叉端点上。在整个容量调节范围内，只有小面积段的磁路饱和，其余段均处于未饱和的线性状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。MCR制造工艺简单，结构稳定，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有非常大的应用潜力。
图 3 MCR电路结构图
由上图可以看出机电一体化论文，若K1、K2不导通，根据绕组结构的对称性可知，MCR相当于一个空载变压器。假设电源e处于正半周，晶闸管K1承受正向电压，K2承受反向电压。若K1被触发导通（即a、b两点等电位），电源e经变比为δ的线圈自耦变压后由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压（δEm sinωt）和电流iy′、iy′′。不难得出K1导通时的等效电路如下图(a)所示。同理，若K2在电源的负半周导通（即c、d两点等电位），则可以得出如下图(b)所示的等效电路。
图 4 晶闸管导通的等效电路图
由图可见，K2导通所产生的控制电流iy′和iy′′的方向与K1导通时所产生的一致，也就是说在电源的一个工频周期内，晶闸管K1、K2的轮流导通起了全波整流的作用，二极管起着续流作用。改变K1、K2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，以平滑连续地调节电抗器的容量。
3、电气化铁道无功检测和控制回路
用简约分析法，假定电气化铁路系统电压为正弦波，电流为非正弦波，分别表示为：
I1为基波电流有效值，I为总电流有效值，cosφ1为基波功率因数。
由于本系统中可控电抗器和电容器组的主要功能是补偿基波无功，其可表示为：
△Q=  (1- )= (1- ) (5)
为快速调节可控电抗器的容量，可以设定一个阈值，当Q′的绝对值大于此值时，我们把电抗器全投入或全退出（依据ΔQ的符号）。此阈值的设定要根据动态补偿装置中电容器组的容量来设定，避免负荷在电感和电容之间不停振荡。当ΔQ的绝对值小于此值时，依据ΔQ和触发角的关系，发出相应的触发脉冲。
4、技术特性
（1）谐波特性
磁阀式可控电抗器产生的谐波如图5所示，图中横坐标为电抗器输出基波电流标幺值机电一体化论文，纵坐标为电抗器产生谐波电流标幺值，基准值均为额定基波电流。
最大3次谐波电流为额定基波电流的7％，5次谐波电流为2.5％左右，7次谐波电流为1.1％。在一定控制导通角下，磁阀式可控电抗器伏安特性近似线性。
图5（a）磁阀式可控电抗器谐波电流分布
（2）控制特性
磁阀式可控电抗器控制特性如图6所示，图中横坐标为可控硅控制角度，纵坐标为电抗器在额定电压下的基波电流幅值标幺值，基准值为额定基波电流幅值。磁阀式可控电抗器的调节容量是连续的，其输出电流（电量）随控制角增加而减少。
（3）响应时间
图7示出磁阀式可控电抗器5％抽取此时，从空载到额定或从额定到空载容量的电流过渡过程波形，时间为0.3-0.5秒。
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