CN109148112A - 一种磁控式并联电抗器绕组结构 - Google Patents

一种磁控式并联电抗器绕组结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁控式并联电抗器绕组结构。该结构包括网侧绕组、补偿绕组和控制绕组，左芯柱和右芯柱的外表面由内层到外层均依次缠绕有所述控制绕组、补偿绕组和网侧绕组，位于同一芯柱上的控制绕组的三相绕组角形连接，端部开路，形成开口三角，左芯柱对应的开口三角和右芯柱对应的开口三角反极性并联于直流母线之间；补偿绕组位于左芯柱和右芯柱上相同相之间反极性串联后，三相接成Y形，中性点接地；每相左芯柱和右芯柱上的网侧绕组同极性串联后，三相接成Y形，中性点接地。本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构能够消除网侧电流除基频分量外的其它次谐波，避免主磁通畸变和绕组过电压，且能够方便地测量控制绕组的分支电压。

Description

一种磁控式并联电抗器绕组结构
技术领域
本发明涉及动态无功功率补偿技术领域，特别是涉及一种磁控式并联电抗器绕组结构。
背景技术
由于我国能源资源与能源消费呈逆向分布，超/特高压输电技术得到快速发展及应用，有效支撑了我国“西电东送”战略的实施，目前，我国已有多条特高压线路投入运行。超/特高压线路的输电距离长，在不同负荷水平下，无功补偿和限制过电压的矛盾日益突出，可控高压并联电抗器作为一种灵活交流输电系统(FACTS)装置，能够根据负荷大小和电压水平自动调整容量，可以有效解决无功补偿和限制过电压之间的矛盾，同时，可控高压并联电抗器还具有提高系统稳定性和暂态运行极限，增大输电能力和抑制系统功率振荡等作用，是实现超/特高压输电通道高效经济运行的重要工具之一，对提高全网经济效益和改善供电质量至关重要。
目前，国内外在超/特高压电网中实际投运的可控高压并联电抗器，主要为分级式和磁控式两大类。分级式可控高压并联电抗器只能分级调节，考虑到成本问题，其容量设置不能过大。磁控式并联电抗器(MagneticallyControlled Shunt Reactor,MCSR)可以随着传输功率的变化而自动平滑调节本身的容量，且可调容量范围较大，谐波含量较小，具有较好的应用前景。
超/特高压MCSR由三个独立的单相MCSR构成三相电抗器组，传统的三相超高压MCSR采用每相网侧分支绕组并联，三相控制绕组“三串两并”的结构形式，对应的一次接线如图1所示，但是其由于响应速度慢的缺点，限制了其在更高电压等级场合的应用。其他改进型的三相超高压MCSR往往会引起主磁通畸变和绕组过电压的问题以及控制绕组被封闭在装置中，只引出与直流母线并联连接的引线，导致控制绕组分支电压不可测的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁控式并联电抗器绕组结构，能够消除网侧电流除基频分量外的其它次谐波，避免主磁通畸变和绕组过电压，且能够方便地测量控制绕组的分支电压。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种磁控式并联电抗器绕组结构，包括网侧绕组、补偿绕组和控制绕组，所述并联电抗器的左芯柱和右芯柱的外表面由内层到外层均依次缠绕有所述控制绕组、补偿绕组和网侧绕组，位于同一芯柱上的控制绕组的三相绕组角形连接，端部开路，形成开口三角，所述左芯柱对应的开口三角和所述右芯柱对应的开口三角反极性并联于直流母线之间；所述补偿绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间反极性串联后，三相接成Y形，中性点接地；所述网侧绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间同极性串联后，三相接成Y形，中性点接地。
所述左芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第一支路；所述右芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第二支路；所述第一支路和所述第二支路反极性并联于直流母线之间。
所述左芯柱上补偿绕组中A相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中A相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第四支路；所述左芯柱上补偿绕组中B相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中B相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第五支路；所述左芯柱上补偿绕组中C相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中C相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第六支路；所述第四支路、第五支路和第六支路接成Y形，中性点集中一点接地。
所述左芯柱上网侧绕组中A相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中A相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第七支路；所述左芯柱上网侧绕组中B相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中B相绕组的同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第八支路；所述左芯柱上网侧绕组中C相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中C相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第九支路；所述第七支路、第八支路和第九支路接成Y形，中性点集中一点接地。
同一芯柱上所述补偿绕组每相绕组的缠绕方法与所述网侧绕组每相绕组的缠绕方法相同。
所述网侧绕组匝数多于所述控制绕组匝数，所述控制绕组匝数多于所述补偿绕组。
所述补偿绕组连接有高次谐波滤波器。
所述高次谐波滤波器包括五次谐波滤波器和七次谐波滤波器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构左芯柱和右芯柱的外表面由内层到外层均依次缠绕有所述控制绕组、补偿绕组和网侧绕组，位于同一芯柱上的控制绕组的三相绕组角形连接，端部开路，形成开口三角，左芯柱对应的开口三角和右芯柱对应的开口三角反极性并联于直流母线之间；补偿绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间反极性串联后，三相接成Y形，中性点接地；网侧绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间同极性串联后，三相接成Y形，中性点接地。网侧绕组同极性串联，为励磁电流提供基波和奇次谐波通路；控制绕组左、右芯柱分别三相首尾相连为开口三角形，为励磁电流提供3k(k＝1，3，5……)谐波通路，再将两串控制绕组反并联于正负直流母线间，为左、右芯柱提供方向相反的直流激磁；补偿绕组每相左、右芯柱反极性串联，然后三相补偿绕组接为星形，为励磁电流提供偶次谐波通路。使得本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构在消除网侧电流除基频分量外的其它次谐波外，避免了主磁通畸变和绕组过电压，且能够方便地测量控制绕组的分支电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的超高压磁控式并联电抗器绕组结构的一次接线图；
图2为本发明实施例超高压磁控式并联电抗器绕组分布图；
图3为本发明实施例超高压磁控式并联电抗器绕组结构的一次接线图；
图4为本发明实施例单相MCSR的物理量及其正方向规定图；
图5为本发明实施例线性化的MCSR的励磁特性曲线；
图6为本发明实施例稳态运行时利用图解法确定磁感应强度的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种磁控式并联电抗器绕组结构，能够消除网侧电流除基频分量外的其它次谐波，避免主磁通畸变和绕组过电压，且能够方便地测量控制绕组的分支电压。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2为本发明实施例超高压磁控式并联电抗器绕组分布图，如图2所示，本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构包括网侧绕组1、补偿绕组3和控制绕组2，并联电抗器的左芯柱和右芯柱的外表面由内层到外层均依次缠绕有控制绕组2、补偿绕组3和网侧绕组1，位于同一芯柱上的控制绕组2的三相绕组角形连接，端部开路，形成开口三角，左芯柱对应的开口三角和右芯柱对应的开口三角反极性并联于直流母线之间，在直流激磁的作用下左右芯柱内磁场产生了大小相等、方向相反的偏置；补偿绕组3位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间反极性串联后，三相接成Y形，中性点接地；网侧绕组1位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间同极性串联后，三相接成Y形，中性点接地。所述补偿绕组的缠绕方法与相同芯柱上网侧绕组的缠绕方法相同。
其中，如图3所示，控制绕组的具体连接方式可以采用如下连接方式：所述左芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第一支路；所述右芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第二支路；所述第一支路和所述第二支路反极性并联于直流母线之间。
补偿绕组的具体连接方式可以采用如下连接方式：所述左芯柱上补偿绕组中A相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中A相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第四支路；所述左芯柱上补偿绕组中B相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中B相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第五支路；所述左芯柱上补偿绕组中C相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中C相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第六支路；所述第四支路、第五支路和第六支路接成Y形，中性点集中一点接地。
网侧绕组的具体连接方式可以采用如下连接方式：所述左芯柱上网侧绕组中A相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中A相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第七支路；所述左芯柱上网侧绕组中B相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中B相绕组的同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第八支路；所述左芯柱上网侧绕组中C相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中C相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第九支路；所述第七支路、第八支路和第九支路接成Y形，中性点集中一点接地。
网侧绕组同极性串联，可流通基波和奇次谐波电流；控制侧三相左右芯柱的绕组分别首尾相连为开口三角形，再将两串控制绕组反并联于正负直流母线间，可流通3k(k＝1，3，5……)次谐波电流；补偿侧每相左右芯柱的绕组反极性串联，然后再将三相接为星形，可流通偶次谐波电流。
网侧绕组匝数最多，控制绕组次之，补偿绕组匝数最少。绕组中可以流通各次谐波电流，由于控制绕组匝数小于网侧绕组，也就是控制绕组阻抗小于网侧绕组，3次谐波电流控制绕组中流通受阻更小，因此网侧绕组中的3次谐波电流含量降低，只有基波和5、7次谐波，而谐波次数越高，谐波含量越少，因此网侧绕组电流基本上只含有基频分量，降低网侧电流波形畸变程度。
由于铁芯励磁特性曲线的非线性特征，如果交流激磁为正弦波，那么铁芯主磁通必然包含各次谐波分量，使得主磁通严重畸变，从而绕组电压和电流也发生畸变；要改善主磁通的畸变情况，就要在MCSR中建立正弦波主磁通，那么交流激磁就必须包含各次谐波分量，也就是要在绕组中构建流通各次谐波的回路。
补偿绕组还可以连接有高次谐波滤波器，高次谐波滤波器可以包括五次谐波滤波器和七次谐波滤波器。
本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构的验证过程如下：
步骤1：定义物理量及其正方向，如图4所示，MCSR稳态运行时，网侧绕组流过正弦电流i1＝Imsin(ωt)，由此产生的激磁磁场强度为Hmsin(ωt)，控制绕组流过直流电流ik＝Idc，由此产生的激磁磁场强度为Hdc。将铁芯柱编号为p、q，铁芯柱p、q受到的激磁磁场强度为Hp，Hq。A为铁芯柱p，q的截面积，铁芯上各绕组的感应电动势为em，各绕组的匝数为Nm，将绕组进行编号，m＝1表示网侧绕组，m＝2表示控制绕组，m＝3表示补偿绕组。
步骤2：列写铁芯p、q受到的总激磁磁场强度，根据励磁特性曲线画出对应的磁感应强度Bp，Bq示意图。
铁芯p、q受到的总激磁磁场强度为：
Hp＝Hdc+Hm(sinωt) (1)
Hp＝-Hdc+Hm(sinωt) (2)
采用双折线特性模拟MCSR铁芯的励磁特性曲线，如图5所示，其中线性区磁导率为μ1，饱和区磁导率为μ0。假设铁芯柱p，q在励磁特性曲线上对应的工作点分别为P与Q，依据励磁曲线得到磁感应强度Bp，Bq，如图6所示。
步骤3：由于直流偏置磁感应强度的存在，考虑到铁芯励磁特性曲线的非线性，即使交流激磁分量是正弦的，铁芯柱p，q中的磁感应强度也是非正弦的，由于Bp，Bq非正弦，且满足：
利用傅里叶级数分解，将Bp，Bq分解为各次谐波。
步骤4：列写网侧绕组、控制绕组以及补偿绕组的感应电动势公式。
网侧绕组感应电动势：
控制绕组感应电动势：
补偿绕组感应电动势：
步骤5：研究网侧绕组可流通的电流谐波次数。
网侧绕组同极性串联，得到网侧绕组两端总的感应电动势为：
网侧绕组同极性串联，偶次谐波感应电动势相抵消，只剩下基波和奇次谐波分量。
步骤6：利用控制绕组、补偿绕组的不同联结方式，构造偶次谐波电流通路，使MCSR中励磁电流包含各次谐波分量，从而使得主磁通为正弦。
控制绕组采用“三串两并”结构，左右芯柱的三相控制绕组分别首尾相连为开口三角结构，之后两串控制绕组反并联于直流母线，保证控制绕组上的直流激磁在铁芯中产生的磁通方向相反。
控制绕组正串支路的总感应电动势：
控制绕组反串支路的总感应电动势：
单个控制绕组支路可流过3k次谐波电流，由于控制绕组两支路反并联于直流母线，在控制绕组两串的内部形成了3k(k＝1，3，5……)谐波通路，但无法提供6k次谐波通路，使得主磁通中仍然有6k次谐波和其他偶次谐波，不是正弦波。
步骤7：研究补偿绕组不同联结方式时绕组可流通电流的谐波次数。
先将补偿绕组每相左右芯柱绕组反极性串联，然后三相补偿绕组接为星形结构。
单相补偿绕组总的感应电动势为：
单相补偿绕组可以流通偶次谐波电流。至此，在各绕组中构造了偶次谐波，3k次谐波电流通路，网侧绕组中除基波外还剩少量的5、7……次谐波，但是含量较少，可以在补偿绕组上并联滤波器支路，滤去含量相对较多的5、7次谐波。
综上，网侧绕组同极性串联，为励磁电流提供基波和奇次谐波通路；控制绕组左右芯柱分别三相首尾相连为开口三角形，为励磁电流提供3k(k＝1，3，5……)谐波通路，再将两串控制绕组反并联于正负直流母线间，为左右芯柱提供方向相反的直流激磁；补偿绕组每相左右芯柱反极性串联，然后三相补偿绕组接为星形，为励磁电流提供偶次谐波通路。新结构如图3所示。至此，励磁电流包含各次谐波分量。总之，由于铁芯励磁特性曲线的非线性特征，若交流激磁为正弦，则主磁通必然包含各次谐波分量；换言之，要在MCSR中建立正弦波主磁通，励磁电流(即交流激磁磁场强度)必须包含各次谐波分量。
本发明提供的磁控式并联电抗器绕组结构能够消除网侧电流除基频分量外的其它次谐波，还可以减少MCSR主磁通和网侧电流畸变以及绕组过电压等问题，控制绕组“三串两并”的结构，使得控制绕组每相每柱电压容易测得，有利于MCSR控制绕组的保护配置以及状态监测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，包括网侧绕组、补偿绕组和控制绕组，所述并联电抗器的左芯柱和右芯柱的外表面由内层到外层均依次缠绕有所述控制绕组、补偿绕组和网侧绕组，位于同一芯柱上的控制绕组的三相绕组角形连接，端部开路，形成开口三角，所述左芯柱对应的开口三角和所述右芯柱对应的开口三角反极性并联于直流母线之间；所述补偿绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间反极性串联后，三相接成Y形，中性点接地；所述网侧绕组位于左芯柱和右芯柱上的相同相之间同极性串联后，三相接成Y形，中性点接地。
2.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述左芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第一支路；所述右芯柱上控制绕组中，A相绕组、B相绕组和C相绕组依次同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第二支路；所述第一支路和所述第二支路反极性并联于直流母线之间。
3.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述左芯柱上补偿绕组中A相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中A相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第四支路；所述左芯柱上补偿绕组中B相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中B相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第五支路；所述左芯柱上补偿绕组中C相绕组与所述右芯柱上补偿绕组中C相绕组反极性串联，得到两端开路的绕组，记为第六支路；所述第四支路、第五支路和第六支路接成Y形，中性点集中一点接地。
4.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述左芯柱上网侧绕组中A相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中A相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第七支路；所述左芯柱上网侧绕组中B相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中B相绕组的同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第八支路；所述左芯柱上网侧绕组中C相绕组与所述右芯柱上网侧绕组中C相绕组同极性串联，得到两端开路的绕组，记为第九支路；所述第七支路、第八支路和第九支路接成Y形，中性点集中一点接地。
5.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，同一芯柱上所述补偿绕组每相绕组的缠绕方法与所述网侧绕组每相绕组的缠绕方法相同。
6.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述网侧绕组匝数多于所述控制绕组匝数，所述控制绕组匝数多于所述补偿绕组。
7.根据权利要求1所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述补偿绕组连接有高次谐波滤波器。
8.根据权利要求7所述的磁控式并联电抗器绕组结构，其特征在于，所述高次谐波滤波器包括五次谐波滤波器和七次谐波滤波器。
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