摘 要：磁控電抗器(MCR)作為一種SVC裝置，主要應用在補償系統(tǒng)無功、抑制電壓波動和閃變等方面，因此快速性是其至關重要的一個特性。以提高可控電抗器在接入電網時自身響應速度為目的，根據其工作原理，對其快速性展開了深入探討和研究，在快速勵磁基礎上，提出了快速去磁方法，通過EMTDC／PSCAD軟件進行了仿真，并進行了實驗驗證。結果表明其快速性得到了很好改善。

     一、引 言

     可控并聯電抗器可簡化系統(tǒng)無功電壓控制，抑制工頻過電壓和操作過電壓，動態(tài)補償線路充電功率，抑制潛供電流等，能滿足系統(tǒng)多方面需求，因此具有廣闊的應用前景。作為可控并聯電抗器，MCR具有適用電壓范圍寬、可靠性高、諧波小等顯著優(yōu)點，是一種經濟、高性能的靜止型無功補償裝置。但MCR的部分特性(如諧波特性、快速性)需要進行改善，以便更好地應用于電力系統(tǒng)。這里針對MCR的快速性展開了相應探討和研究，并提出一種可快速勵磁及去磁的電路方案。

     二、磁控電抗器的工作原理及快速性

     磁控電抗器主鐵心分裂為兩半，即鐵心1和鐵心2，截面積為A，每一半鐵心截面積具有減小的一段，4個匝數為N／2的線圈分別對稱繞在兩個半鐵心柱上，半鐵心柱上的線圈總匝數為N，每一半鐵心柱的上下兩繞組各有一抽頭比為δ=N2／N的抽頭，它們之間接有晶閘管KP1(KP2)。不同鐵心上的上下兩個繞組交叉連接后，并聯至電網電源，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上，對大容量的MCR而言，δ取值通常很小，因此KP1(KP2)的工作電壓遠小于其額定電壓。圖1為MCR結構電路。

     在整個容量調節(jié)范圍內，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容量。在電源的一個工頻周期內，KP1，KP2輪流導通，起到了全波整流的作用，二極管起續(xù)流作用。改變KP1，KP2的觸發(fā)角便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵心飽和度，以平滑連續(xù)地調節(jié)電抗器容量。2．2 磁控電抗器的快速性MCR的響應時間決定于：n=(1-δ)／(2δ)，n為MCR容量從空載到額定值所需的工頻周期數。

     可見，n與MCR的抽頭比6成反比。對大容量MCR而言，δ取值通常很小，并且在實際應用中考慮到MCR的有功損耗，其響應時間約在0．19～0．66s。但當MCR應用在抑制電壓閃變、自動調諧消弧線圈、動態(tài)無功補償等方面時，此響應時間顯然不滿足工況要求，因此需要有更快的響應速度，在一個工頻周期內達到額定工作狀態(tài)，即快速勵磁，并且需要它從額定狀態(tài)到空載的響應速度也在一個工頻周期內，即快速去磁。

     三、磁控電抗器快速勵磁及去磁工作原理

  基于上述分析，提出MCR快速勵磁及去磁的等效電路，如圖2所示。電路由升壓斬波電路(主要用于給電容儲能)、電容C和V2構成的快速勵磁電路、由去磁電阻R2和V4構成的快速去磁電路，及MCR本體的工作回路和控制回路組成。該電路具體工作原理為：  

  狀態(tài)1：根據MCR具體的應用電壓等級場合，來選擇升壓斬波電路中的電壓源值，并調節(jié)其內部IGBT的導通占空比，使C上電壓值滿足在控制電源電壓值******時，其放電時間不少于一個工頻周期(20 ms)。待電容電壓值穩(wěn)定后，此時C上的儲能為：，U0為電容上電壓值。此狀態(tài)內V1，V2和V4處于斷開狀態(tài)，V3閉合。

  狀態(tài)2：當電力系統(tǒng)發(fā)生電壓波動，需要MCR工作來補償無功時，V2導通，C向控制繞組(電感L)放電，要讓L中的電流在極短時間內從零變?yōu)橐欢ㄖ担蒞L=LI2／2可知，需快速給控制繞組儲能。這就需要電容和電感間迅速的能量傳遞。其又為一個二階等效電路繞組電阻值。U的值在系統(tǒng)發(fā)生電壓波動瞬間，由KP1(KP2)的導通角便可得出。 

  狀態(tài)3：V1在V2關斷5 ms后導通，投入工作電壓，延時5 ms是防止兩個不同的電壓并聯。此時電流仿真波形如圖3a所示。由圖可見，MCR經過快速勵磁后，其工作電流在一個工頻周期內即到達了額定狀態(tài)。但也可明顯看到當MCR退出系統(tǒng)后，仍有較長去磁時間，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定相當不利。因此電路中必須有快速去磁環(huán)節(jié)。

     狀態(tài)4：在MCR退出瞬間，使V4導通，投入快速去磁回路，延遲5 ms后切斷V3，防止V3先斷開時對電路沖擊過大，損壞器件。由其數學模型τ=L／R可知，R越大，τ越小，快速性越高。快速去磁后的工作電流ig和控制電流ik波形如圖3b所示。可見，在MCR退出系統(tǒng)一個周波內，ig便可降到接近于零。此處控制電路的另一大優(yōu)點是，在進行完一次無功補償后，當檢測到C值減小時，升壓斬波電路與C連通，給C充電，使C上電壓值恒為初始值，為下一次補償作準備。從而可以連續(xù)、無限次地作用于系統(tǒng)。

     四、磁控電抗器實驗結果

     此處裝置控制器由DSP，FPGA和CPLD等構成，其中DSP模塊負責完成數據處理，與上位機(人機交互系統(tǒng))的通信及與下層結構(FPGA)的數據交換；FPGA模塊完成電壓、電流等各變量采樣及各變量的邏輯運算，并上傳數據給上層結構DSP。并將信息和數據下發(fā)給下層結構CPLD；CPLD負責直接給功率單元(IGBT模塊)的控制板下發(fā)各項數據和指標，如PWM脈沖，死區(qū)產生。基于380 W12 A磁閥式MCR進行具體實驗。交流電壓源e有效值為380 V，大功率電阻R2=200 Ω，線路等效電阻為R1，工作電源和控制電源等效內阻分別為R3和Rk，C=330μF。實驗波形見圖4。

     由圖可知，當投入快速勵磁電路時，ik在半個工頻周期內迅速達到穩(wěn)定工作值，所對應的ig在其作用下也在半個工頻周期內達到預定飽和值，實現快速勵磁；當投入快速去磁電路后，ik在半個工頻周期內迅速由穩(wěn)定工作值降為零，所對應的ig在其作用下也在半個工頻周期內從預定飽和值降為零，即實現快速去磁。

     五、磁控電抗器結論

     提出一種新型磁控電抗器的快速勵磁及去磁電路。對所設計的電路進行仿真及具體實驗，可見，從空載到額定狀態(tài)和從額定狀態(tài)到空載的工作電流均達到了一個工頻周期內的響應速度。該電路起到了快速勵磁及去磁作用，極大地提高了磁控電抗器的特性，很好地實現了快速處理電壓閃變和波動。實驗電路中用DSP和FPGA混合控制系統(tǒng)來控制各個IGBT的工作狀態(tài)，更好地確保了該電路工作的穩(wěn)定性。

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