MSVC在变电站的应用

【摘要】由于现代电网的网架结构复杂，用电负荷性质种类繁多，变化无常等原因，经常会使电网出现功率因数低，电压波动大，谐波含量高等问题，严重的降低了电网的电能质量。而本文所采用的磁控电抗器式的动态无功补偿装置（MSVC），能快速补偿系统无功，使功率因数保持在较高水平，滤波效果好，抑制电网电压的波动，很好地改善了供电质量，提高了供电系统的经济效益。

【关键词】电气化铁路；固定式并联电容器；动态无功补偿装置； 磁控电抗器

1、引言

随着国家经济的快速发展，国家电力事业也得到了大力的发展。为了推动电力事业发展进程，国家电网公司提出了智能电网计划：以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。为了推动电力事业发展进程，智能电网涉及电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。而电能质量的降低使电网损耗变大，能源浪费严重，无法保障电网的安全运行与稳定运行。因此如何提高电网电能质量问题成为了智能电网建设中的关键，也是智能电网建设中急需解决的问题。磁控电抗器式的动态无功补偿装置（MSVC），能快速补偿系统无功，使功率因数保持在较高水平，滤波效果好，抑制电网电压的波动，很好地改善了供电质量，提高了供电系统的经济效益。

2、项目基本原理

2.1 磁控电抗器的结构和基本原理

磁控电抗器是利用附加直流励磁磁化铁芯，改变磁阀铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调。图2.1为单相磁控电抗器的结构图和原理示意图（磁控电抗器的铁芯和绕组设计形式有多种，此图只是其中一种）。

（a） （b）

图2.1单相MCR的结构图和原理示意图

（a）结构图 （b）原理接线图

从图2.1中我们可以看到，磁控电抗器的每相采用四柱铁芯结构，在中间两个工作铁芯柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，仅有小截面段铁芯磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作于线性区，其上套有线圈。中间的两个铁芯柱上分别对称地绕有匝数为N/2的两个线圈，其上有抽头比为δ=N2/N的抽头（N2=a、d之间绕组匝数=c、b之间绕组的匝数），δ一般为1%左右。它们之间接有晶闸管K1、K2，不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后并联到电网中，续流二极管D则横跨在交叉端点上。在电源的一个工频周期内，晶闸管轮流导通。通过改变导通角度的大小，改变电抗值大小，从而达到无功连续可调的目的。

图2.2为K1、K2导通时的磁控电抗器的等效电路示意图，图中u1=（1-δ）Esinωt，u2=δEsinωt，u3= u1+u2=Esinωt。

若晶闸管K1、K2不导通，由绕组结构的对称性知可控电抗器与空载变压器无异。当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触发导通，则使a，b点等电位，电源e经变比为δ的线圈（N/2）自耦变压后，由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压2u2和电流i1，i2。由此可得出K1导通时的等效电路图如图2.2（a）所示。同理，若K2在电源的负半周导通（c，d等电位），则可得出如图2.2（b）所示的等效电路图。

K2导通时所产生的控制电流方向与K1导通时的控制电流方向相同，也就是说在电源一个工频周期内，K1、K2的轮流导通起了全波整流作用，而二极管D 的作用是续流，有利于晶闸管K1、K2的关断，提高了整流效率。改变晶闸管K1、K2的触发导通角便可改变控制电流i1和i2的大小，从而改变磁阀铁芯的磁饱和度，平滑地调节可控电抗器的容量。

（a） （b）

图2.2 K1、K2导通时MCR的等效电路示意图

（a）K1导通 （b）K2导通

匝数为N/2的线圈中流过的电流有二部分：直流控制电流i1（或i2）、工作电流i。其中直流控制电流i1（或i2）流过两个匝数为N/2的线圈，所产生的控制磁通在两个半铁芯内自我闭合，工作电流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芯和另一个铁芯而闭合。磁控电抗器的直流控制电源是利用电网电压经自身自耦变压后由晶闸管整流获得，工作绕组和控制绕组合并，有利用简化结构。

2.2 MSVC的基本原理

MSVC装置由容性补偿、滤波支路和磁控电抗器并联支路组成。其中容性补偿、滤波支路经隔离开关固定接于母线，可以发出容性无功进行固定补偿并起到谐波滤除功能。通过调节磁控电抗器内部电力电子器件的触发角度，改变磁控电抗器的输出容量（感性无功），实现无功的柔性补偿。MSVC装置一次系统示意图见图2.3所示。

图2.3 MSVC一次系统示意图

MSVC补偿效果示意图见图2.4所示。

图2.4 MSVC补偿效果示意图

3、MSVC技术在电气化铁路上级变电站的应用

部分上级变电站采用TCR式SVC+滤波装置对电气化铁路进行无功调节。TCR式SVC可以实现无功功率的连续补偿，使得电气化铁路对无功的要求得到满足。但TCR式SVC由于采用晶闸管串联的方式直接应用于高电压，而晶闸管的特性又不能完全一致，无法真正的做到均压，因此其可靠性和使用寿命难以得到保证，无法满足电气化铁路的高可靠性要求。同时TCR式SVC自身会产生大量的谐波，其加装的滤波装置大部分用于滤除这部分谐波，很少的一部分用于滤除电网谐波，因此其滤波装置利用率很低，无形中增加了用户的成本。并且TCR式SVC还有对运行环境要求高，体积大，空心电抗会对周围环境产生大量电磁干扰、伤害人体及设备，晶闸管阀组需要定期维护及更换等缺点。这些缺点使其不能真正的解决电网在电气化铁路所遇到的上述问题。

针对以上方式所遇到的问题，有些电气化铁路上级变电站采用了MCR+固定电容器的无功补偿及滤波方式，即通过MSVC对电气化铁路进行电压、无功调节及滤波，这种方式对电气化铁路领域电能质量的改善起到了良好的作用，也提供了新的研究方向。由于MCR的电力电子器件工作于低压环境中，因此器件工作稳定，寿命长，使MSVC具有高可靠性。又由于MCR内部调节励磁的工作原理，使得运行时产生很少的谐波，MSVC的滤波装置几乎都用于滤除电网谐波，滤波装置利用率高。同时MSVC还具有高性能、连续可调、占地面积小、能适应恶劣环境、维护工作量小、可实现无人值守等优点，并且是唯一能够对特/高压进行直接补偿的动态无功补偿装置。如果在控制信号高压隔离可靠性、漏磁屏蔽、抗电压闪变、线性拟合闭环控制等关键技术上取得突破的话，MSVC将成为电气化铁路领域治理电压、无功、谐波的最佳选择。因此在现有MSVC的基础上研发出完全满足电气化铁路电网要求的电压、无功调节装置及滤波装置已经成为了今后的发展方向，MSVC将为电气化铁路的发展及智能电网的建设贡献出应有的力量。

4、总结

本研究针对电气化铁路领域的电网关于电压、无功、谐波的相关要求及目前MSVC的特点和现状，应用国内外最新的MCR技术，结合电力电子、磁路、控制、数字处理和电磁兼容等领域的最新研究成果，对MSVC在智能电网建设中的关键技术问题进行了深入的研究。通过仿真、计算和试验，解决MSVC在智能化控制中控制信号高压隔离可靠性、漏磁屏蔽、抗电压闪变、线性拟合闭环控制等关键技术问题，从根本上发挥出MSVC高性能、高可靠性、低谐波、补偿效果好、低电磁干扰、体积小、使用寿命长、不需定期维护等优点。使MSVC成为电气化铁路领域治理电压、无功、谐波的最佳选择。

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