磁阀式可控电抗器原理及应用

磁阀式可控电抗器原理及应用

研发部范少春

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。而无功补偿技术是电压控制的重要方法之一。

交流电网输出的功率包括两部分：有功功率和无功功率。有功功率是指直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能或化学能，利用这部分能量作功。而无功功率则是指为建立交变磁场所需要的电功率，这部分电能并不做功。

1.无功补偿目的

供电部门对电网的期望是安全稳定、输电能力好。工业用户的期望则是提高用户侧电能质量、提高用电效率和降低电能损耗。然而大型电力电子装置、非线性电力电子器件、大型冲击性负载（如轧机、电弧炉等）、铁磁饱和型设备（如变压器、电抗器等）、电弧型设备（各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机等）、新能源接入（风电等）等的应用，造成电网的电压波动、闪变，产生大量的谐波，导致功率因数低、三相不平衡等。同步发电机是电力系统中最基本的有功和无功电源（额定功率因数为0.85～0.9，即每发出100kW有功就要发出62～48kvar无功）。输电线路是一个被动的无功电源（主要在超高压电网影响显著）。然而由于无功消耗源的分散性，如果仅仅依靠发电机集中提供无功电源，将造成无功功率的长距离传输，将加大有功损耗和电压降落；因此，国家统一规定了各分散点电压、频率偏移幅度的容许范围，谐波允许范围，功率因数奖惩制度等，使得供电部门和用户需要分散性地配置各类无功补偿装置，如同步调相机、并联电容器、静止无功补偿器等。

1）对电力系统

随着空调负荷的增长，特别是各类电力电子负荷的快速增加，配电网络无功波动变化率越来越大，谐波影响也越来越明显，极大地影响了供电质量。而各类民用、工业设备对供电电压、系统谐波等要求日趋严格，对供电质量的要求越来越高。因此，在配电网中也存在应用SVC装置的客观要求：一是就地补偿各类动态无功负荷变化；二是抑制无功变化引起的电压波动和闪变；三是消除谐波；四是通过分相调节，补偿三相不平衡度。

在高压、超高压输电系统中应用无功补偿装置则着力于提高通道输送容量、增强暂态稳定性、抑制低频振荡、控制电压波动、缓解次同步谐振、改善直流输电系统性能、限制工频过电压等作用。

综合起来说，对电力系统而言，无功补偿有以下五个目的：

A. 保持系统稳定的同时提高输电能力，增加电网的输电容量，抑制电压波动和电压闪变；

B. 改善负荷的相间平衡，在重复出现大负荷或事故情况下提高电力系统的稳定性；

C. 对负荷变化时提供可快速变化调节的无功功率补偿，提高功率因数，降低网损；

D. 和滤波器并联使用，滤除高次谐波和抑制谐披引起的电网电压畸变；

E. 在长距离输电系统中，阻尼系统振荡，提高阻尼极限，消除系统的功率震荡。

2）对工业用户

对工业用户而言，无功补偿也有以下五个目的：

A. 稳定端点电压（防止电压过高或过低），提高变压器与输电线以及其他电器设备的寿命，抑制电

压波动和闪变，提高用户电能质量；

B. 提高功率因数，降低网损，降低无功损耗，节省电费开支；

C. 消除谐波污染，提高系统安全系数，延长设备寿命，减少设备运维费用；

D. 降低异步机启动、电弧炉运行等对本地电网的冲击，提高系统安全性；

E. 降低电压不平衡度、减少负序干扰。

2.磁阀式可控电抗器原理与特点

无功补偿技术的可分为传统无功补偿装置和静止型动态无功补偿器（SVC）。

传统无功补偿装置包括同步调相机、固定电容器或固定电抗器等。同步调相机经常运行在过励状态，励磁电流较大，损耗也比较大，发热比较严重，容量较大的同步调相机常采用氢气冷却。传统无功补偿装置由于响应速度慢、调节性能差、运行维护和管理不便、长年运行损耗过大、自动监控跟踪性能差以及对整个电网的技术效益和经济效益都偏低等，并且国产电容器质量的上升及电力电子器件的成熟应用，传统无功补偿方式现已逐渐退出历史舞台。据统计，上世纪80年代初调相机安装比重（调相机/(调相机+电容器)）为20%左右，到80年代后期已降至10%左右。

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（Flexible AC Transmission System, FACTS）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。磁阀式可控电抗器属于SVC中的一类，是一种基于晶闸管控制的静止的、动态的、快速的无功补偿设备。

2.1.基本原理

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。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，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 sinω

t）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。

2.2.与传统可控饱和电抗器的比较

显然，MCR的工作绕组与控制绕组合并为一个，有利于减少损耗，简化结构。综上所述，可以归纳出MCR的结构特点，并指出与传统可控饱和电抗器的异同：

（1）基本工作原理都是利用直流控制电流控制铁心的饱和度来平滑连续调节电抗器容量的。

（2）可控饱和电抗器需单独的直流控制电源，而MCR则利用电网电压本身经绕组自耦变压后由晶闸管整流获得，不需外加激磁电源。控制电流不同的获取形式将导致伏安特性很大的差异，前者的伏安特性具有明显的非线性特征，后者则近似线性。

（3）可控饱和电抗器工作绕组和控制绕组是分开的，而MCR将工作绕组和控制绕组有机地结合在一起，有利于减少损耗，简化结构。

（4）MCR铁心面积具有减小的一段，在电抗器整个工作范围内，只有小截面段磁路饱和，其余段均处于未饱和线性状态，相当于一个磁阀，故有“磁阀”之说。

2.3.M CR的特点

与其他SVC装置相比，MCR型SVC具有以下特点：

（1）MCR运行可靠，结构简单，维护工作量相当小（在TCR中控制空心电抗器的阀串须由多对反并联的晶闸管串联组成，而MCR只需一对晶闸管即可完成无功控制）。有资料统计，有40多套MCR 已运行了20多年，无一台被更换过，因为MCR是封闭式系统，能免受电动力的损害；TCR是开放式系统，需专业人员维护、检修和操作，其寿命一般为10年左右。

（2）MCR的过电压极限为额定电压的2.3倍；而TCR为1.8倍。

（3）同样不使用滤波装置的情况下，MCR的波形畸变系数为3%；TCR为5%。

（4）MCR占地面积及其体积都远小于TCR。

（5）MCR磁路封闭，漏磁小，不需电磁屏蔽；而TCR是开放式磁路，必须进行电磁屏蔽。

（6）MCR的运行损耗约为TCR的一半，空载损耗为0.05kW/kVar，额定功率下损耗为0.5

kW/kVar，是TCR相应损耗的一半。

（7）MCR的响应时间可设计成与TCR相同即0.02秒，响应时间与成本有关，若为0.02秒，则两者价格相当，但对于很多场合（电网）对响应时间没有严格要求，若响应时间为1秒，则MCR的价格只有TCR的一半。

（8）MCR的安装、运行、维护费用约为TCR的一半。

（9）TCR直挂电网的电压等级最高是35KV，若要用于再高的电压等级，就要采用升压变压器了，而MCR可以直挂35KV、110KV、220KV、500KV、750KV。

（10） MCR产生的噪声比TCR大，动特性比TCR稍差。

3.磁阀式可控电抗器的应用

世界上第一台MCR（6.6kV、100Mvar）于1955年在英国研制成功，并投入运行。1986年原苏联科学家提出的MCR新的设计理论，使MCR的综合性能得以大大改善。近年来，由于磁性材料制造水平及其性能的迅速提高和控制理论的不断完善，再加上MCR的成本低、性能好、运行可靠、维护简便，受到了各国政府和电力部门的高度重视，成为高压和超高压可控补偿的首选设备。俄罗斯于上世纪90年代研制出500kVMCR并成功投入运行。近年来，受到我国各级领导的重视，发展迅速。我国国家电网公司舒副总经理曾专门召开会议，听取有关部门、研究系统和厂商关于MCR研制情况汇报，指出要总结经验、大胆创新、运行好高压超高压MCR，并做好750kV和1000kV超高压MCR的论证和研究工作。

在电力、冶金、煤炭、矿山、电气化铁道等输配电系统，通过MCR快速自动调整无功量，使系统功率因数从0.7左右提高到0.95以上，具有重大的节能作用。由于我国大部分能耗集中在电力、钢铁、有色金属、电气化铁道、煤炭、矿山、建材等行业中，在上述行业中推广应用无功补偿是实现工业节能的有效手段。通过装设无功补偿，减少因功率因数过低带来的罚款，甚至因高功率因数可获得奖励，是推动工业企业应用无功补偿装置的重要经济因素。

3.1.电力行业输变电

电力系统中使用MCR 可有效降低线路无功损耗，使电网传输效率提高 30％以上。

全球电力目前正在趋向大功率电网互联，长距离输电，高能量消耗，同时也迫使输配电系统不得不更加有效，MCR可以明显提高电力系统输配电性能：包括稳定系统电压、减少传输损耗、增加传输动力、使现有电网发挥最大功率、远距离电力传输、提高瞬变稳态极限、增加小干扰下的阻尼、增强电压控制及稳定性、缓冲功率振荡等。2007年4月11日，由特变电工沈阳变压器厂历经两年研制的500kV可控并联电抗器励磁及控制系统在完成各项试验后，顺利装车出厂。并于当年10月9日在国家电网湖北荆州江陵换流站一次投运成功，这是我国自主研发的第一组（三台）500kV输电系统用自动联续调节磁控式可控电抗器。这种高技术的MCR的投运，将有力的推动我国超高压柔性输变电技术的发展。

使用MCR+FC替代或升级城市二级变电站原有MSC或者FC方式，实现无功快速、精确的无级补偿。

3.2.风电行业

风电场是应用现代技术对风能资源进行大规模开发利用的一个创举。目前世界上发达国家的风力发电已投入了商品化生产阶段，有些已成为电力生产中的一个重要组成部分。例如，美国加州的一个风电场总装机容量达134×106kW，是乌鲁木齐市电网总容量的二倍。新疆风能公司达坂城风电场并网风力机总装机容量为2050kW，自1989年10月正式并网发电到1990年6月共向电网输送电量370×106kW·h，

单机平均运行小时数已达4500小时，预计全年可向电网送电470×106kW·h，运行达6000多小时。风电场的经济效益也已引起人们的重视，美国与丹麦合资兴建的风力发电场不仅比水电、核电建设周期短，投资回收快，而且发电成本也与油电、核电不相上下(1987年美国风力发电场的发电成本仅为7～8美分／kW·h)。这些事实无一不向人们说明风电场与电力系统联网运行可以充分利用自然界的可再生能源，为人类提供更多的电力。

然而，风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性电压脉动等。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响。将MCR安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制MCR补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。

3.3.电气化铁路牵引变电站

对于三相对称的电力系统供电来说，电气化铁路牵引负荷具有非线性、不对称和冲击性等特点，将产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，对电网的影响主要体现在对电能质量的影响上包括负序电流、谐波电流、功率因素偏低、电压波动、电磁兼容等问题。

根据国家有关标准必须对此类负荷接入电网后所产生的谐波、负序、电压闪变等进行分析论证。如不能满足国家标准所规定的允许值，则必须采取补偿措施。

1）MCR解决的电气化铁路无功补偿问题

MCR是电气化铁路无功补偿的主要设备，主要用于解决：

A. 消除无功倒送，提高功率因数；

B. 抑制高次谐波；

C. 降低电压不平衡度、减少负序干扰；

D. 减少机车所引起的电流冲击、电压波动，优化电能质量，提高运输能力。

2）MCR在电气化铁道中的应用方式

MCR在27.5kV牵引变电站的应用可采用MCR+FC的方式。在牵引母线上投入固定电容器（可构成3次、5次滤波器）与可控电抗器。电容器产生超前无功电流，电抗器产生滞后无功电流，以调节电抗器电感量来改变电抗电流。根据牵引负荷无功功率的大小，自动调节可控电抗器的电感量，便可控制变电站的综合无功和功率因数。优点是无功补偿无级自动调节，控制简单，可靠性极高，占地少，成本低。适合于所有牵引变电站，但对空载率高的线路不是非常有利。

3.4.冶金行业

在冶金行业中通过应用MCR，可将功率因数从0.7提高到0.95 以上，避免了电力部门对低功率因数用电企业的罚款，同时稳定电压，节约电能损耗。一般钢铁企业一年左右即可回收投资成本，效益非常明显，在冶金行业的应用增长很快。

MCR 对轧机等非线性负荷产生的电压波动和闪变、谐波电流以及功率因数等一系列电能质量问题都有良好的改善作用。轧机及其他工业对称负载在工作中所产生的无功冲击会对电网造成如下影响：

A. 引起电网电压降低及电压波动，严重时使电气设备不能正常工作，降低了生产效率，使功率因数降低。

B. 负载的传动设置中会产生有害高次谐波，主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波及旁频，会使电网电压产生严重畸变。