《磁控电抗器》PPT课件.ppt
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1、第二章磁阀式电抗器,2.1 磁控电抗器在国内外研究概况,2.2 磁控电抗器的工作原理,2.4 基于ADuC7026和ADSP21992的MCR控制器,2.3 磁控电抗器的控制策略,2.5 结束语,2.1 磁控电抗器在国内外研究概况,2.1.1 MCR研究的现实意义,随着电力工业的飞速发展,人们生活水平的普遍提高,超高压、特高压电网相继投入运行,对供电质量及可靠性的要求越来越高。因此产生了一系列的新问题:超高压大电网的形成及负荷变化加剧,要求大量的无功功率源以调整电压,维持系统无功潮流平衡,减少损耗,提高供电可靠性。电网中效益和改善供电质量十分重要。根据电力工业的现状和发展,新型无功补偿装置的研
2、的无功平衡对提高全网经济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。,特别是近年来,铁路进行了大规模的电气化建设。其牵引电网具有的功率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点,对电网电能质量污染严重,因此必须采取措施治理。而目前常用的固定容量并联电容器组和LC 滤波器等无源设备,不能根据负载情况灵活地调节补偿容量,无法有效解决现代化高速、重载机车带来的问题。,在现有的无功补偿装置中,早期的典型代表是同步调相机,它能对无功功率进行动态补偿,同时具有快速的过载能力,但由于其运行噪声大、维护费用高,从总体上说这种补偿手段已显陈旧。并联电容器的成本较低,但其只能补偿固定的无功功率,且无过载能
3、力。静止无功补偿装置(SVC)在近年获得了较大的发展,典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器(FC+TCR)和晶闸管投切电容(TSC),SVC 的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率,且响应速度快,但由于TCR采用相控原理,故产生较大谐波,TSC只能分组投切,需和TCR配合才能实现连续调节。现代静止无功发生器(SVG)和有源电力滤波器(APF)等补偿装置,通过不同的控制策略,可以实现对电力系统谐波、无功和负序电流进行综合电能质量动态调节,正在工业系统中逐步进行实用化研究,然而在高压系统中,这种装置的广泛应用却受到了目前电力电子元器件电压水平和容量水平以及价格因素的制约。对于我国乃至国外未来
4、的电力系统而言,无功补偿装置的设备选型问题,技术经济性仍然是一个主要考虑的问题。,磁阀式可控电抗器由于其制造工艺简单,成本低廉,容量连续可调、适用高电压,可直接用于直到1150kV的任何电压等级的电网中,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。因此对其进行认真的研究和设计研制总结具有十分重要的工程实际意义。特别是在电气化铁路无功补偿系统中,利用磁阀式可控电抗器建立的动态无功补偿系统与现有的常用无功补偿系统方案相比,具有很多突出的优点。同时利用磁阀式可控电抗器构建的电气化铁路电能质量调节系统,还可对电气化铁道的无功、谐波及负序电流进行综合治理,这对
5、于保证电力系统正常运行和提高铁路部门的经济效益都具有十分重要的意义。,MCR是基于美国人在1916年发表的在磁通放大器的研究基础之上发展的。随着高磁感应强度以及低损耗的晶粒取向钢片的出现,对磁通放大器和饱和电抗器的理论及应用达到了一个新的水平。1955年,通用电气公司成功制造了世界上第一台100Mvar/6.6kV的MCR,但是这台MCR的弊端是产生巨大的损耗以及调节速度缓慢。1986年,前苏联专家提出了新型结构MCR,第一次提出了电磁阀的概念。基于这个理论,电抗器的性能得到大大的改善,MCR的研究得到了突破。,2.1.2 MCR研究的现状和应用情况,随后,60Mvar/500kV,25Mva
6、r/110kV,100Mvar/220kV,180Mvar/330kV和180Mvar/500kV的MCR分别在1989,1999,2000,2003和2005年投产并运行成功。国外俄罗斯学者也在MCR方面进行了深入的研究,取得了显著的进展,其可应用于直至1150kV的任何电压等级。俄罗斯电工研究院及相关企业已经设计制造了50多台35500kV不同类型的MCR。主要业绩有:赤塔电站(俄罗斯)电压等级为220kV、容量为l00MVA的三相MCR于2002年投入运行;巴拉诺维奇电站(白俄罗斯)电压等级为330kV、容量为180MVA的三相MCR于2003年投入运行;西伯利亚(俄罗斯)电压等级为50
7、0kV、容量为180MVA的三相MCR于MCR 2005年投入运行。从而MCR在独联体国家的电网中发挥了重要作用。,国内对MCR的研究始于上世纪90年代,各种电压等级的MCR得到迅速发展,35KV电压等级的MCR在铁路,钢铁厂和电力系统中得到了广泛的应用。武汉大学对MCR的研究开展得较早,已成功地研制出磁控式动态无功补偿装置和消弧线圈,运行效果良好。上海交通大学,华北电力大学等院校对直流可控电抗器进行了研究,浙江大学等对交流可控电抗器进行了较为细致的研究。2007年9月29日,由中国电力科学研究院、华东电力设计院、特变电工沈阳变压器集团、西电集团等相关单位联合攻关自主研发的国内首台首套500k
8、V MCR江陵站可控高抗的全部调试工作顺利结束,与右荆(峡江)II回线路同时进入24小时试运行,标志着我国已经掌握了MCR的核心技本,达到国际先进水平。,目前有动态补偿装置如晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactors,TCR)不仅价格昂贵,而且占地面积大、结构复杂,不能推广。由于TCR可控硅处在设备的高压侧,故不能直接用于电压等级高的电网,需经变压器降压使用。而MCR采用自耦励磁和极限磁饱和先进技术,较TCR和变压器型可控电抗器(CRT)具有输出谐波小、结构简单、可靠性高、价格低廉、占地面积小等显著优点,是超高压和特高压电网理想的动态无功补偿装置。又由于在特高
9、压长距离输电线路中使用MCR对于限制过电压以及实时补偿系统的无功功率、提高线路的输电能力、调整线路电压、显著减少线路空载(轻载)损耗,提高电网可靠性和优化电网运行状况的功能等方面都有非常大的潜力。所以MCR必将在我国超/特高压输电线路中得到广泛应用。,目前世界上最主要的MCR制造商有独联体可控电抗器集团(Controllable Electfic Reactors Consortium of Russia&the Commonwealth of Independent States(CIS),CERC),在美国建立了网站()进行宣传;俄罗斯表示将会用MCR全部取代TCR;美国电力科学研究院(E
10、PRI)于2002年9月宣布推广MCR技术在国内的应用,并给予经费资助;印度和巴西等国也表示出对MCR的极大关注。为满足电力系统结构不断升级的要求,相信随着我国特高压电网建设时代的到来,MCR在我国也将具有广阔的应用前景。,2.2 磁控电抗器的工作原理,2.2.1 磁控电抗器的结构,磁阀式可控电抗器根据电压等级和容量大小不同可划分为高压小容量,高压大容量以及超高压大容量三种基本结构形式。在本文中以10KV的电压等级电网为例,电抗器容量比较小,在这种低压等级下,采用主线圈与控制线圈合二为一,以简化结构和减小损耗。为获得所需的输出电流和减小谐波,电抗器铁芯采用分段布置的小截面段,工作时,小截面段饱
11、和,大截面始终处于未饱和状态,铁芯结构为图2.1,图2.1 磁控电抗器结构图,为了便于分析,参考以下的磁路系统图,图2.2 磁控电抗器的磁路系统图,如图2.2所示,电抗器铁心磁路由大面积Acore(长度为l-Lt)和小面积段AFe(长度为Lt)串联而成。因为在磁阀式可控电抗器的整个容量调节范围内,大面积段铁心的工作状态始终处于磁特性的未饱和线性区,其磁阻相对Lt段铁心很小,故予以忽略。因此磁路系统可简化为图2.2(a)中的形式。由图可见磁阀式可控电抗器的磁路呈“阀式”结构,当面积为AFe的小截面段铁心完全饱和时,相当于磁阀门全部关闭,磁阻最大,此时整个磁路犹如面积为Acore,长度为Lt的磁阀
12、。当面积为AFe的小截面铁心段处于不饱和线性区时,磁阻十分小,磁力线几乎完全从中通过,磁阀门完全打开。图2.2(b)(c)分别为上述两种情况的示意图。在其它情况下,磁力线将有一部分通过面积为Acore-AFe的空气隙;另一部分磁力线通过小截面段铁心。前者磁阻为线性,后者磁阻则为非线性。所以磁控电抗器的磁路由两个并联的磁阻组成,如图2.2(d)所示。图中F为磁路磁势,Rq为空气隙部分磁阻:Rq=Lt/m0(Acore-AFe),(m0为空气磁导率),Rt为小截面段铁心磁阻:Rt=Lt/mAFe(m为铁心平均磁导率)。对应的磁通为F=AFeB,磁化曲线为:H=f(B)。,2.2.2 磁控电抗器的实
13、现原理,图2.3 磁控电抗器原理图,图2.3(a)为磁控电抗器结构图,图2.3(b)为相应的原理图。磁控电抗器的主铁芯分裂为两半(即铁心1和铁心2),截面积为Acore,每一半铁心截面积具有减小的一段,四个匝数为N/2的线圈分别为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a=N2/N的抽头,它们之间接有晶管T1(T2),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。,由图2.3(b)
14、的电路图可知,若晶闸管K1、K2不导通,由绕组结构的对称性可知可控电抗器与空载变压器相同。当电源e处在正半周期时,晶闸管K1承受正向电压,K2承受反向电压。若K1触发导通(a、b点电位相等),电源e经变比为d的线圈(N/2)自耦变压后由匝数N2的线圈向电路提供直流控制电压和电流iK、iK。不难得出K1导通时的等效电路,如图2.4(a)所示。同理,若K2在电源的负半周期导通(c、d电位相同),则可得出图2.4(b)所示的等值电路。由图可见,K1导通所产生的控制电流方向与K2导通时所产生的一致,也就是说在电源的一个工频周期内,K1、K2的轮流导通起了全波整流的作用,而二极管D的作用是续流。与一般的
15、可控整流原理一样,其有利于晶闸管K1、K2的关断,提高整流效率。,图2.4 晶闸管导通时可控电抗器等效电路图,改变晶闸管K1、K2的触发导通角就可以改变控制电流ik、ik的大小,从而改变铁心的磁饱和度,平滑调节可控电抗器容量。由图2可知,匝数N1/2的线圈中流过的电流分为两部分:直流控制电流ik、ik、工作电流i、i(约为i的一半)。直流控制电流ik、ik流过两个匝数为N1/2的线圈(串联),所产生的控制磁通在两个铁心内自我闭合,工作电流i、i流过上下两组串联的绕组,所产生的交流工作磁通通过两个并联铁心和另一铁心闭合,具体电路图如图2.5所示。显然,磁阀式可控电抗器的工作与控制绕组合并为一个,
16、这有利于减少损耗,简化结构。,图2.5 K1、K2导通时等效电路图,2.2.3 磁控电抗器的工作状态,根据上图的磁阀式可控电抗器原理,磁阀式可控电抗器的晶闸管K1、晶闸管K2及二极管D的可能导通情况,可以列出一下5种状态:(1)K1导通、D截止、K2截止;(2)K1导通、D导通、K2截止;(3)K1截止、D导通、K2截止;(4)K2导通、D截止、K2截止;(5)K1截止、D导通、K2导通;总结5种状态,磁阀式可控电抗器在正弦电压的作用下,K1、K2、D轮流导通的情况如下图2.6所示:,图2.6 磁阀式可控电抗器的工作状态变化图,下图为磁阀式可控电抗器等效电路:,在电源的正半周期,晶闸管K1触发
17、导通的过程与电源负半周期时K2触发导通过程完全相同。在接下来的周期K1、K2、D轮流导通、截止。因此只需对电抗器的前三个工作状态进行推导即可。电抗器的电流流通图2.7如所示,(a)K1导通、D截止、K2截止,图2.7 状态拓扑图,(b)K1截止、D导通、K2截止,(c)K1截止、D截止、K2导通,对于第一种状态,K1导通、D截止、K2截止,其拓扑结构如图2.7(a),控制电路图如图2.8所示,从图可以看出,得到该状态的相应状态方程,根据不同状态,得到每个状态方程,可以看出工作电流,工作电压的变化情况。,图2.8 K1导通时的控制电路,同理,对于其他几种状态,可以得出相应的控制电路图,在这不再介
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