CN105702418A - 一种基于磁通量控制的可调电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁通量控制的可调电抗器，属于电力电子技术领域。本发明包括可调电抗器主体、自耦调压器和开关，其中所述可调电抗器主体为变压器铁芯，可调电抗器主体的原边绕组接入工作电网，可调电抗器主体的副边绕组与自耦调压器的输出端按照同名端一致的原则相连，自耦调压器的输入端通过开关与可调电抗器主体的原边绕组并联，通过调节自耦调压器的输出电压实现可调电抗器的阻抗调节。本发明基于变压器结构，易实现高压应用，控制简单、可靠；阻抗调节原理基于控制电流的磁通调节，技术成本低，且可实现容、感全范围调节，克服了目前机械式和变压器式可调电抗器的诸多缺点，工程应用推广前景大。

Description

一种基于磁通量控制的可调电抗器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，主要涉及一种基于磁通量控制的可调电抗器。

背景技术

伴随经济的发展，我国电力系统规模快速持续增长，也遇到了相应的技术问题。如在高压领域，大电网互联和超高压远距离输电，存在电压提升、容性无功过剩和接地故障短路电流超标等问题。在低压配电领域，电力电子非线性负载大量接入，存在无功缺失、电压波动和谐波污染等问题。

可调电抗器是可实时调节电抗值的新一代电抗器，可以动态稳定系统电压、补偿无功，被广泛应用于可控高抗、自动消弧线圈、故障电流限制等电力系统场合，可以有效地解决上述问题。根据发展历史和实现原理，可调电抗器主要可分为机械式、磁控式、电力开关式、变压器式等。

机械式可调电抗器的一般包括调匝式和调气隙式，即通过改变线圈匝数或铁芯的气隙长度来等效改变电抗值。其缺点是，调匝式不能连续调节，自动化水平低，换档需停机，而调气隙式气隙设计精度低，调节范围有限，且噪声大。

磁控式可调电抗器主要指磁阀式，基于控制励磁电流改变磁路饱和度进而调节材料磁导率的机理，已有市场产品。其缺点是谐波含量较大。

电力开关式可调电抗器，基于电力电子开关组成的逆变器调节和投切控制，高压实现受到管子容量局限，存在谐波，可靠性低。

变压器式可调电抗器，多采用多绕组结构，副边利用晶闸管控制电抗器控制或投切，主要应用于可控高抗等高压领域；部分产品直接利用多绕组副边高漏抗做负载，变压器设计困难，增加了成本和体积，副边绕组若采用晶闸管控制也会引入谐波。

发明内容

本发明目的是：针对当前机械式可调电抗器和变压器式可调电抗器存在的缺陷，本发明专利提出了一种综合机械式和变压器式特点的可实现容、感全范围调节的基于磁通量控制的磁控控制型可调电抗器。

具体地说，本发明所采取的技术方案是：包括可调电抗器主体、自耦调压器和开关，其中所述可调电抗器主体为变压器铁芯，可调电抗器主体的原边绕组接入工作电网，可调电抗器主体的副边绕组与自耦调压器的输出端按照同名端一致的原则相连，自耦调压器的输入端通过开关与可调电抗器主体的原边绕组并联，通过调节自耦调压器的输出电压实现可调电抗器的阻抗调节。

由以上技术方案可知，本发明的基于磁通量控制的可调电抗器，属于机械式和变压器式的综合类型，基于简单的变压器结构，通过耦合调压控制电流，进而调节磁通，进行输出电抗的全范围调节。该技术方案结构拓扑简单、可靠，易于工程化，控制方便、无谐波、噪声低、运行稳定可靠，且能实现容、感性全范围调节，实现成本较低，具有较大的市场应用价值。

上述技术方案中还可以包括隔离变压器，所述隔离变压器的原边绕组与可调电抗器主体的原边绕组并联，隔离变压器的副边绕组通过开关与自耦调压器的输入端相连。隔离变压器获取和系统同相位的电压，并起到隔离的作用。

上述技术方案中可调电抗器主体的副边绕组还可以为多绕组结构，其中一组副边绕组与自耦调压器的输出端按照同名端一致的原则相连，剩余的副边绕组均分别连相应的接投切电抗电路。这样的结构能够让其他副边绕组通过投切电抗进行分级粗控制，再通过基于电压调节的磁通控制完成阻抗的精细输出，实现大功率场合的输出电抗器可调，特别适用于对控制回路功率(主要是电流强度)耐受强度要求过大的场合。

为进一步提高上述技术方案中可调电抗器输出的精确性和快速性，可对上述技术方案进行进一步调整，即：包括可调电抗器主体和电力电子变流器，其中所述可调电抗器主体为变压器铁芯，可调电抗器主体的原边绕组接入工作电网，电力电子变流器的输入端与可调电抗器主体的原边绕组相连，电力电子变流器的输出端与可调电抗器主体的副边绕组相连，通过调节电力电子变流器实现可调电抗器的阻抗调节。这样的结构可以利用电力电子变流器实现对副边电流的快速、精确控制，使可调电抗器在输出精度和响应速度方面获得优势。

本发明的有益效果如下：本发明基于变压器结构，易实现高压应用，通过耦合调压实现连续调压，控制简单、可靠。阻抗调节原理基于控制电流的磁通调节，变压器副边绕组无需设计高短路阻抗，技术成本低。由于基于磁通控制原理，通过耦合电压的过平衡点调节，可实现容性输出，在某些电力系统应用场合可代替电容，从而避免了电容器局部放电、绝缘击穿等故障问题，可提高工程可靠性，因此具有容、感全范围调节能力。相比机械可调电抗器中调匝式无法连续调节、需换档停机，调气隙式调节范围有限、噪声大的缺点，本发明能在较大范围进行不停机连续调节，且无需在铁芯开气隙，噪声较低。相比变压器式可调电抗器需设计高短路阻抗、设计难度大、容易引入谐波、系统复杂的问题，本发明没有高短路阻抗需求，控制简单，运行可靠，成本低，因此本发明克服了目前机械式和变压器式可调电抗器的诸多缺点，工程应用推广前景大。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理图。

图2为本发明是实力1的输出阻抗Z_A随控制电压U_x变化曲线图。

图3为本发明实施例2的原理图。

图4为本发明实施例3的原理图。

图5为本发明实施例4的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的实施例1，其结构组成如图1所示，主要由3部分组成，可调电抗器主体T、开关、隔离变压器T₁和自耦调压器T_c。主体T为变压器铁芯，提供可调电抗器的主磁路，通过磁通变化，实现输出电抗值的改变。T₁的原边绕组与主体T的原边绕组并联，T₁的副边绕组通过开关与自耦调压器T_c的输入端相连。T₁获取和系统同相位的电压，并起到隔离的作用。控制回路中主体T的副边绕组k₂与耦合控制T_c的绕组需按照同名端一致的原则相连。T_c耦合调压，通过改变控制回路中的电流改变主磁路中的磁通。其中，主体两绕组k₂/k₁<1，且k₂/k₁越小，电抗控制效果越好，但控制回路中需承受的电流越大，因而k₂、k₁需根据实际情况合理设计。

主体T，可以参照变压器设计方法，根据装置的容量、电抗输出范围在绕组匝数、铁芯磁路等做一些相应设计。自耦调压器T_c，可参照耦合调压器的设计方法，根据调压范围、控制回路电流大小进行设计。

其工作原理如下：主体T(A+、A-点)接入工作电网，隔离变压器T₁获取系统同相位电压，兼有隔离作用。合上开关S₁，自耦调压器T_c通过调节输出电压U_x，调节控制回路中电流I₂值，电流I₂通过改变主体T中主磁路的磁通，可实现容、感全范围的阻抗可控输出。其中U_x＝U·k₂/k₁为平衡点电压值，在该值两端接入点输出阻抗分别为容、感性。正常工作时，设计耦合控制电压U_x初始值点为U_x＝U·k₂/k₁，这样保证S₁投入后，可调电抗器输出为极大值，避免投入时对系统产生冲击。U_x在初始值点往上或往下调节，即可实现Z_A在容、感性全范围的输出。

对实施例1进行全数字动态仿真试验。选取系统电压U＝10kV，主体T绕组比k₂/k₁＝1/4，控制电压U_x在0kV～6kV范围内调节，得到A点随U_x输出的容、感全范围阻抗曲线Z_A，结果如图2所示。数字仿真试验验证了发明的可调电抗器的优良性能。

实施例2：

为了进一步减小设备体积，降低成本，可以将实施例1中的隔离变压器T1去掉，得到如图3所示的实施例2的结构，即将自耦调压器T_c的输入端直接通过开关与主体T的的原边绕组并联，其它的部分则与实施例1基本相同通过调节自耦调压器的输出电压实现可调电抗器的阻抗调节。这样的结构已经过数字仿真试验的论证，输出效果与图1所示拓扑的输出效果完全一致，不会对系统造成额外不利影响。

实施例3：

在某些大功率场合，用单一的控制回路调节输出电抗，对控制回路功率(主要是电流强度)耐受强度要求过大，可以考虑采用如图4所示的实施例3的结构。即主体T的副边绕组为多绕组结构，其中一组副边绕组与自耦调压器T_c的输出端按照同名端一致的原则相连，剩余的副边绕组均分别连相应的接投切电抗电路扩展结构，其他的部分和实施例2基本一致。这样的结构能够让其他副边绕组通过投切电抗进行分级粗控制，再通过基于电压调节的磁通控制完成阻抗的精细输出，实现大功率场合的输出电抗器可调。

实施例4：

为了提高可调电抗器输出的精确性和快速性，可考虑采用采用如图5所示的实施例4的结构。即用电力电子变流器替代实施例2中的自耦调压器T_c和开关，电力电子变流器的输入端与主体T的原边绕组相连，电力电子变流器的输出端与主体T的副边绕组相连，通过调节电力电子变流器实现可调电抗器的阻抗调节。这样的结构可以对电力电子变流器采用PWM调制，实现对副边电流I₂的快速、精确控制。但该结构的成本较高，在实际的应用中，应根据实际需求权衡成本和性能的关系。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种基于磁通量控制的可调电抗器，其特征在于：包括可调电抗器主体、自耦调压器和开关，其中所述可调电抗器主体为变压器铁芯，可调电抗器主体的原边绕组接入工作电网，可调电抗器主体的副边绕组与自耦调压器的输出端按照同名端一致的原则相连，自耦调压器的输入端通过开关与可调电抗器主体的原边绕组并联，通过调节自耦调压器的输出电压实现可调电抗器的阻抗调节。

2.根据权利要求1所述的基于磁通量控制的可调电抗器，其特征在于：还包括隔离变压器，所述隔离变压器的原边绕组与可调电抗器主体的原边绕组并联，隔离变压器的副边绕组通过开关与自耦调压器的输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁通量控制的可调电抗器，其特征在于，所述可调电抗器主体的副边绕组为多绕组结构，其中一组副边绕组与自耦调压器的输出端按照同名端一致的原则相连，剩余的副边绕组均分别连相应的接投切电抗电路。

4.一种基于磁通量控制的新型可调电抗器，其特征在于：包括可调电抗器主体和电力电子变流器，其中所述可调电抗器主体为变压器铁芯，可调电抗器主体的原边绕组接入工作电网，电力电子变流器的输入端与可调电抗器主体的原边绕组相连，电力电子变流器的输出端与可调电抗器主体的副边绕组相连，通过调节电力电子变流器实现可调电抗器的阻抗调节。