磁閥式可控電抗器MCR原理及應(yīng)用

磁閥式可控電抗器原理及應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重要的指標(biāo)。而無功補償技術(shù)是電壓控制的重要方法之一。交流電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分：有功功率和無功功率。有功功率是指直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、熱能或化學(xué)能，利用這部分能量作功。而無功功率則是指為建立交變磁場所需要的電功率，這部分電能并不做功。無功補償目的供電部門對電網(wǎng)的期望是安全穩(wěn)定、輸電能力好。工業(yè)用戶的期望則是提高用戶側(cè)電能質(zhì)量、提高用電效率和降低電能損耗。然而大型電力電子裝置、非線性電力電子器件、大型沖擊性負載（如軋機、電弧爐等）、鐵磁飽和型設(shè)備（如變壓器、電抗器等）、電弧型設(shè)備（各種煉鋼電弧爐、交流電弧焊機等）、新能源接入（風(fēng)電等）等的應(yīng)用，造成電網(wǎng)的電壓波動、閃變，產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致功率因數(shù)低、三相不平衡等。同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最基本的有功和無功電源（額定功率因數(shù)為0.85?0.9,即每發(fā)出100kW有功就要發(fā)出62?48kvar無功）。輸電線路是一個被動的無功電源（主要在超高壓電網(wǎng)影響顯著）。然而由于無功消耗源的分散性，如果僅僅依靠發(fā)電機集中提供無功電源，將造成無功功率的長距離傳輸，將加大有功損耗和電壓降落；因此，國家統(tǒng)一規(guī)定了各分散點電壓、頻率偏移幅度的容許范圍，諧波允許范圍，功率因數(shù)獎懲制度等，使得供電部門和用戶需要分散性地配置各類無功補償裝置，如同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器、靜止無功補償器等。1）對電力系統(tǒng)隨著空調(diào)負荷的增長，特別是各類電力電子負荷的快速增加，配電網(wǎng)絡(luò)無功波動變化率越來越大，諧波影響也越來越明顯，極大地影響了供電質(zhì)量。而各類民用、工業(yè)設(shè)備對供電電壓、系統(tǒng)諧波等要求日趨嚴(yán)格，對供電質(zhì)量的要求越來越高。因此，在配電網(wǎng)中也存在應(yīng)用SVC裝置的客觀要求：一是就地補償各類動態(tài)無功負荷變化；二是抑制無功變化引起的電壓波動和閃變；三是消除諧波；四是通過分相調(diào)節(jié)，補償三相不平衡度。在高壓、超高壓輸電系統(tǒng)中應(yīng)用無功補償裝置則著力于提高通道輸送容量、增強暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制低頻振蕩、控制電壓波動、緩解次同步諧振、改善直流輸電系統(tǒng)性能、限制工頻過電壓等作用。綜合起來說，對電力系統(tǒng)而言，無功補償有以下五個目的：保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時提高輸電能力，增加電網(wǎng)的輸電容量，抑制電壓波動和電壓閃變；改善負荷的相間平衡，在重復(fù)出現(xiàn)大負荷或事故情況下提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對負荷變化時提供可快速變化調(diào)節(jié)的無功功率補償，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損；和濾波器并聯(lián)使用，濾除高次諧波和抑制諧披引起的電網(wǎng)電壓畸變；在長距離輸電系統(tǒng)中，阻尼系統(tǒng)振蕩，提高阻尼極限，消除系統(tǒng)的功率震蕩。2）對工業(yè)用戶對工業(yè)用戶而言，無功補償也有以下五個目的：穩(wěn)定端點電壓（防止電壓過高或過低），提高變壓器與輸電線以及其他電器設(shè)備的壽命，抑制電第1頁共7頁壓波動和閃變，提高用戶電能質(zhì)量；提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損，降低無功損耗，節(jié)省電費開支；消除諧波污染，提高系統(tǒng)安全系數(shù)，延長設(shè)備壽命，減少設(shè)備運維費用;降低異步機啟動、電弧爐運行等對本地電網(wǎng)的沖擊，提高系統(tǒng)安全性；降低電壓不平衡度、減少負序干擾。磁閥式可控電抗器原理與特點無功補償技術(shù)的可分為傳統(tǒng)無功補償裝置和靜止型動態(tài)無功補償器（SVC）。傳統(tǒng)無功補償裝置包括同步調(diào)相機、固定電容器或固定電抗器等。同步調(diào)相機經(jīng)常運行在過勵狀態(tài)，勵磁電流較大，損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴(yán)重，容量較大的同步調(diào)相機常采用氫氣冷卻。傳統(tǒng)無功補償裝置由于響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)性能差、運行維護和管理不便、長年運行損耗過大、自動監(jiān)控跟蹤性能差以及對整個電網(wǎng)的技術(shù)效益和經(jīng)濟效益都偏低等，并且國產(chǎn)電容器質(zhì)量的上升及電力電子器件的成熟應(yīng)用，傳統(tǒng)無功補償方式現(xiàn)已逐漸退出歷史舞臺。據(jù)統(tǒng)計，上世紀(jì)80年代初調(diào)相機安裝比重（調(diào)相機/（調(diào)相機+電容器））為20%左右，到80年代后期已降至10%左右。SVC是由電容器和電抗器組合而成的補償設(shè)備，由于其各分組的電抗器和/或電容器能快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)無功輸出，故而是一種靜止的、動態(tài)的無功補償裝置。自上世紀(jì)70年代興起以來，隨著電力電子技術(shù)的極大進步，SVC已經(jīng)稱為一種十分成熟的柔性交流輸電系統(tǒng)（FlexibleACTransmissionSystem,FACTS）裝置，不但被用于動態(tài)無功和電壓調(diào)節(jié)，還可獲得諸如提高系統(tǒng)阻尼、增強電網(wǎng)穩(wěn)定性等其它效益。磁閥式可控電抗器屬于SVC中的一類，是一種基于晶閘管控制的靜止的、動態(tài)的、快速的無功補償設(shè)備?；驹泶砰y式可控電抗器，簡稱磁控電抗器（MCR），是基于磁放大器原理來工作的，它是一種交直流同時磁化的可控其飽和度的鐵芯電抗器，工作時，可以用極小的直流功率（約為電抗器額定功率的0.1%?0.5%）來改變控制鐵芯的工作點（即鐵芯的飽和度或者說改變鐵芯的導(dǎo)磁率以），來改變其感抗值，從而達到調(diào)節(jié)電抗電流的大小并平滑調(diào)節(jié)無功功率的目的。其突出的優(yōu)點是：穩(wěn)定、可靠、體積小、成本較低、控制靈活、維護管理簡便。圖1磁控電抗器的原理示意圖及工作時的磁化曲線

圖2磁控電抗器工作原理圖如上圖所示，磁控電抗器的主鐵心分裂為兩半（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，四個匝數(shù)為N/2的線圈分別對稱地繞在兩個半鐵心柱上（半鐵心柱上的線圈總匝數(shù)為N），每一半鐵心柱的上下兩繞組各有一抽頭比為0=N2/N的抽頭，它們之間接有晶閘管K1（K2），不同鐵心上的上下兩個繞組交叉連接后，并聯(lián)至電網(wǎng)電源，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上。在整個容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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的容量。MCR制造工藝簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對于提高電網(wǎng)的輸電能力、調(diào)整電網(wǎng)電壓、補償無功功率以及限制過電壓都有非常大的應(yīng)用潛力。圖3MCR電路結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，若K1、K2不導(dǎo)通，根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)的對稱性可知，MCR相當(dāng)于一個空載變壓器。假設(shè)電源e處于正半周，晶閘管K1承受正向電壓，K2承受反向電壓。若K1被觸發(fā)導(dǎo)通（即a、b兩點等電位），電源e經(jīng)變比為。的線圈自耦變壓后由匝數(shù)為N2的線圈向電路提供直流控制電壓。Emsinwt）和電流iy'、iy’’。不難得出K1導(dǎo)通時的等效電路如下圖（a）所示。同理，若K2在電源的負半周導(dǎo)通（即c、d兩點等電位），則可以得出如下圖（b）所示的等效電路。導(dǎo)迎導(dǎo)通圖4晶閘管導(dǎo)通的等效電路圖導(dǎo)迎導(dǎo)通圖4晶閘管導(dǎo)通的等效電路圖由圖可見，K2導(dǎo)通所產(chǎn)生的控制電流iy‘和iy‘‘的方向與K1導(dǎo)通時所產(chǎn)生的一致，也就是說在電源的一個工頻周期內(nèi)，晶閘管K1、K2的輪流導(dǎo)通起了全波整流的作用，二極管起著續(xù)流作用。改變K1、K2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的飽和度，以平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)電抗器的容量。與傳統(tǒng)可控飽和電抗器的比較顯然，MCR的工作繞組與控制繞組合并為一個，有利于減少損耗，簡化結(jié)構(gòu)。綜上所述，可以歸納出MCR的結(jié)構(gòu)特點，并指出與傳統(tǒng)可控飽和電抗器的異同：（1）基本工作原理都是利用直流控制電流控制鐵心的飽和度來平滑連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器容量的。（2）可控飽和電抗器需單獨的直流控制電源，而MCR則利用電網(wǎng)電壓本身經(jīng)繞組自耦變壓后由晶閘管整流獲得，不需外加激磁電源?？刂齐娏鞑煌墨@取形式將導(dǎo)致伏安特性很大的差異，前者的伏安特性具有明顯的非線性特征，后者則近似線性。（3）可控飽和電抗器工作繞組和控制繞組是分開的，而MCR將工作繞組和控制繞組有機地結(jié)合在一起，有利于減少損耗，簡化結(jié)構(gòu)。（4）MCR鐵心面積具有減小的一段，在電抗器整個工作范圍內(nèi)，只有小截面段磁路飽和，其余段均處于未飽和線性狀態(tài)，相當(dāng)于一個磁閥，故有“磁閥”之說。MCR的特點與其他SVC裝置相比，MCR型SVC具有以下特點：（1）MCR運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維護工作量相當(dāng)?。ㄔ赥CR中控制空心電抗器的閥串須由多對反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)組成，而MCR只需一對晶閘管即可完成無功控制）。有資料統(tǒng)計，有40多套MCR已運行了20多年，無一臺被更換過，因為MCR是封閉式系統(tǒng)，能免受電動力的損害；TCR是開放式系統(tǒng)，需專業(yè)人員維護、檢修和操作，其壽命一般為10年左右。（2）MCR的過電壓極限為額定電壓的2.3倍；而TCR為1.8倍。（3）同樣不使用濾波裝置的情況下，MCR的波形畸變系數(shù)為3%；TCR為5%。（4）MCR占地面積及其體積都遠小于TCR。（5）MCR磁路封閉，漏磁小，不需電磁屏蔽；而TCR是開放式磁路，必須進行電磁屏蔽。（6）MCR的運行損耗約為TCR的一半，空載損耗為0.05kW/kVar，額定功率下?lián)p耗為0.5kW/kVar，是TCR相應(yīng)損耗的一半。（7）MCR的響應(yīng)時間可設(shè)計成與TCR相同即0.02秒，響應(yīng)時間與成本有關(guān)，若為0.02秒，則兩者價格相當(dāng)，但對于很多場合（電網(wǎng)）對響應(yīng)時間沒有嚴(yán)格要求，若響應(yīng)時間為1秒，則MCR的價格只有TCR的一半。（8）MCR的安裝、運行、維護費用約為TCR的一半。（9）TCR直掛電網(wǎng)的電壓等級最高是35KV，若要用于再高的電壓等級，就要采用升壓變壓器了，而MCR可以直掛35KV、110KV、220KV、500KV、750KV。（10）MCR產(chǎn)生的噪聲比TCR大，動特性比TCR稍差。磁閥式可控電抗器的應(yīng)用世界上第一臺MCR（6.6kV、100Mvar）于1955年在英國研制成功，并投入運行。1986年原蘇聯(lián)科學(xué)家提出的MCR新的設(shè)計理論，使MCR的綜合性能得以大大改善。近年來，由于磁性材料制造水平及其性能的迅速提高和控制理論的不斷完善，再加上MCR的成本低、性能好、運行可靠、維護簡便，受到了各國政府和電力部門的高度重視，成為高壓和超高壓可控補償?shù)氖走x設(shè)備。俄羅斯于上世紀(jì)90年代研制出500kVMCR并成功投入運行。近年來，受到我國各級領(lǐng)導(dǎo)的重視，發(fā)展迅速。我國國家電網(wǎng)公司舒副總經(jīng)理曾專門召開會議，聽取有關(guān)部門、研究系統(tǒng)和廠商關(guān)于MCR研制情況匯報，指出要總結(jié)經(jīng)驗、大膽創(chuàng)新、運行好高壓超高壓MCR，并做好750kV和1000kV超高壓MCR的論證和研究工作。在電力、冶金、煤炭、礦山、電氣化鐵道等輸配電系統(tǒng)，通過MCR快速自動調(diào)整無功量，使系統(tǒng)功率因數(shù)從0.7左右提高到0.95以上，具有重大的節(jié)能作用。由于我國大部分能耗集中在電力、鋼鐵、有色金屬、電氣化鐵道、煤炭、礦山、建材等行業(yè)中，在上述行業(yè)中推廣應(yīng)用無功補償是實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能的有效手段。通過裝設(shè)無功補償，減少因功率因數(shù)過低帶來的罰款，甚至因高功率因數(shù)可獲得獎勵，是推動工業(yè)企業(yè)應(yīng)用無功補償裝置的重要經(jīng)濟因素。電力行業(yè)輸變電電力系統(tǒng)中使用MCR可有效降低線路無功損耗，使電網(wǎng)傳輸效率提高30%以上。全球電力目前正在趨向大功率電網(wǎng)互聯(lián)，長距離輸電，高能量消耗，同時也迫使輸配電系統(tǒng)不得不更加有效，MCR可以明顯提高電力系統(tǒng)輸配電性能：包括穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、減少傳輸損耗、增加傳輸動力、使現(xiàn)有電網(wǎng)發(fā)揮最大功率、遠距離電力傳輸、提高瞬變穩(wěn)態(tài)極限、增加小干擾下的阻尼、增強電壓控制及穩(wěn)定性、緩沖功率振蕩等。2007年4月11日，由特變電工沈陽變壓器廠歷經(jīng)兩年研制的500kV可控并聯(lián)電抗器勵磁及控制系統(tǒng)在完成各項試驗后，順利裝車出廠。并于當(dāng)年10月9日在國家電網(wǎng)湖北荊州江陵換流站一次投運成功，這是我國自主研發(fā)的第一組（三臺）500kV輸電系統(tǒng)用自動聯(lián)續(xù)調(diào)節(jié)磁控式可控電抗器。這種高技術(shù)的MCR的投運，將有力的推動我國超高壓柔性輸變電技術(shù)的發(fā)展。使用MCR+FC替代或升級城市二級變電站原有MSC或者FC方式，實現(xiàn)無功快速、精確的無級補償。風(fēng)電行業(yè)風(fēng)電場是應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)對風(fēng)能資源進行大規(guī)模開發(fā)利用的一個創(chuàng)舉。目前世界上發(fā)達國家的風(fēng)力發(fā)電已投入了商品化生產(chǎn)階段，有些已成為電力生產(chǎn)中的一個重要組成部分。例如，美國加州的一個風(fēng)電場總裝機容量達134X106kW，是烏魯木齊市電網(wǎng)總?cè)萘康亩?。新疆風(fēng)能公司達坂城風(fēng)電場并網(wǎng)風(fēng)力機總裝機容量為2050kW，自1989年10月正式并網(wǎng)發(fā)電到1990年6月共向電網(wǎng)輸送電量370X106kW?h，單機平均運行小時數(shù)已達4500小時，預(yù)計全年可向電網(wǎng)送電470X106kW-h,運行達6000多小時。風(fēng)電場的經(jīng)濟效益也已引起人們的重視，美國與丹麥合資興建的風(fēng)力發(fā)電場不僅比水電、核電建設(shè)周期短，投資回收快，而且發(fā)電成本也與油電、核電不相上下（1987年美國風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電成本僅為7?8美分/kW?h）。這些事實無一不向人們說明風(fēng)電場與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行可以充分利用自然界的可再生能源，為人類提供更多的電力。然而，風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率是波動的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負面影響。將MCR安裝在風(fēng)電場的出口，根據(jù)風(fēng)電場接入點的電壓偏差量來控制MCR補償?shù)臒o功功率，能夠穩(wěn)定風(fēng)電場節(jié)點電壓，降低風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)電壓的影響。電氣化鐵路牽引變電站對于三相對稱的電力系統(tǒng)供電來說，電氣化鐵路牽引負荷具有非線性、不對稱和沖擊性等特點，將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流和基波負序電流注入系統(tǒng)，對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在對電能質(zhì)量的影響上包括負序電流、諧波電流、功率因素偏低、電壓波動、電磁兼容等問題。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)必須對此類負荷接入電網(wǎng)后所產(chǎn)生的諧波、負序、電壓閃變等進行分析論證。如不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的允許值，則必須采取補償措施。1）MCR解決的電氣化鐵路無功補償問題MCR是電氣化鐵路無功補償?shù)?/p>