CN110690029A - 铁芯结构及虚拟气隙式可控电抗器（vcr） - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁芯结构及虚拟气隙式可控电抗器(VCR)，所述工作柱铁芯包括上下两部分，所述上下两部分之间间隔有一段用于降低损耗的虚拟气隙，所述虚拟气隙为填充的低损耗导磁材料；所述可控电抗器具有上述铁芯结构。本发明具有该铁芯结构的虚拟气隙式可控电抗器相较于TCR与MCR具有更低的谐波含量，且涡流损耗和磁滞损耗比MCR更低，经济性更好。

Description

铁芯结构及虚拟气隙式可控电抗器(VCR)

技术领域

本发明涉及可控电抗器，具体地指一种铁芯结构及具有该铁芯结构的虚拟气隙式可控电抗器(VCR)，属于电气设备领域。

背景技术

可控电抗器作为一种能够根据实际情况灵活调节自身电抗的电气设备，在电力系统中多用于控制无功功率、控制系统电压，提高系统稳定性等方面。目前，可控电抗器种类较多，最早出现的可控电抗器为机械式可控电抗器，通过调节气隙长度或者绕组匝数来改变电抗器电抗值，但是由于机械式结构精度低、故障率高的缺点难以应用于工程实际，现在已很少使用，而现阶段电力系统主要使用的可控电抗器类型包括以下两种：

随着电力电子设备的发展，控制灵活、响应时间短的晶闸管被用于控制电抗器等效电抗值，即晶闸管式可控电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)，但由于晶闸管在控制过程中不可避免地会产生谐波，为了避免谐波对系统安全稳定造成影响，必须增加相应的滤波设备降低谐波，同时在高电压大容量的场合必须采用多个晶闸管串联分压的方式运行，这导致了TCR在高压电网的应用中必须使用大量的晶闸管设备与滤波设备，成本过高，经济性差。

磁阀式可控电抗器(Magnetically Controlled Reactor，MCR)通过晶闸管控制基于类似全波整流的原理产生直流偏磁，通过改变直流偏磁的大小控制磁阀的饱和度，从而改变电抗器等效电抗值，虽然相较于TCR，MCR能够运用于高压电网，但是由于磁阀式可控电抗器工作原理基于磁阀饱和，该过程仍会产生大量高次谐波，且磁阀式可控电抗器工作过程中会产生较高的涡流损耗和磁滞损耗。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种铁芯结构及具有该铁芯结构的虚拟气隙式可控电抗器(Virtual air gap Controlled Reactor，VCR)，具有该铁芯结构的可控电抗器相较于TCR与MCR具有更低的谐波含量，且涡流损耗和磁滞损耗比MCR更低，经济性更好。

实现本发明目的采用的技术方案是一种铁芯结构，其包括工作柱铁芯，所述工作柱铁芯包括上下两部分，所述上下两部分之间间隔有一段用于降低损耗的虚拟气隙，所述虚拟气隙为填充有低损耗导磁材料的气隙。

在上述技术方案中，所述虚拟气虚的长度通过下式确定：

Hl＝Ni，即

式中，H为虚拟气隙中的磁场强度，l为虚拟气隙长度，N为单柱工作绕组匝数，i为单柱工作电流。

在上述技术方案中，所述虚拟气隙包括多级截面积和厚度不同的低损耗导磁材料填充层，每一级填充层的截面积与厚度根据以下方法确定：

根据填充材料的磁化特性曲线H＝f(B)，且结合各级填充层厚度l和截面积A确定虚拟气隙等效磁化特性H_e＝g(B,l_k.A_k)，建立以下计算模型：

式中，i为输出电流，H₁H₂分别为两个工作柱内的磁场强度，B₁，B₂分别为两个工作柱铁芯内的磁感应强度，N代表单个工作柱上绕组匝数。

上式为各填充层厚度l_k和截面积A_k为变量的输出电流表达式，其余参数为固定值，然后以谐波最小为优化目标，采用粒子群优化算法即获得最优填充层厚度与截面积参数。

在上述技术方案中，所述低损耗导磁材料为非线性低损耗铁磁材料或纳米非晶材料。

此外，本发明还提供一种虚拟气隙式可控电抗器，该虚拟气隙式可控电抗器包括上述的铁芯结构。

在铁芯制造过程中，为了更好地控制铁芯电感量，避免磁饱和，可以在铁芯上开有气隙，而本发明所提出的虚拟气隙在该气隙中以特定的方式填充特定的材料，填充后在VCR进入额定工作状态时，虚拟气隙的等效磁导率与空气磁导率相等，但虚拟气隙本身经特殊方式填充有低损耗导磁材料而并非空气，故称为“虚拟气隙”。

与现有技术相比，本发明VCR具有以下优点：

1、VCR在气隙式的铁芯结构中填充低损耗导磁材料形成可控电抗器的实现方式。

2、VCR虚拟气隙采用的特殊的材料以及特定填充方式：VCR铁芯结构由两部分组成，包括含有气隙的铁芯以及气隙中填充的特定材料，特定的材料通过特殊填充方式填充入气隙中，且这种特定材料由一种或多种非线性低损耗铁磁及非晶材料组成，采用特殊材料以及特定填充方式形成的虚拟气隙结构的等效磁化特性曲线与损耗特性能够使得VCR的谐波与损耗(涡流损耗、磁滞损耗)降低。这种结构相较于主流的可控电抗器如磁控电抗器(MCR)与晶闸管式可控电抗器(TCR)具有更低的损耗和谐波。

3、VCR绕组结构：VCR在采用上述铁芯结构的基础上采用MCR的绕组结构，MCR的原理可以应用于本发明所述的VCR铁芯结构上，从而相较TCR能够直接应用于高压电网。

附图说明

图1为本发明铁芯的结构示意图。

图2为本发明虚拟气隙式可控电抗器(VCR)的结构示意图。

图3为图2的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明铁芯结构，包括工作柱铁芯，该工作柱铁芯包括上下两部分，所述上下两部分之间间隔有一段气隙，如图1所示，气隙中填充低损耗导磁材料而成为虚拟气隙，虚拟气隙两侧铁芯采用普通硅钢片结构。本发明低损耗导磁材料可以为非线性低损耗铁磁材料或纳米非晶材料，其空气磁导率根据填充材料的特性范围从μ₀～10000μ₀，其中μ₀为空气磁导率，例如由纳米非晶材料填充，该种纳米非晶材料相比于传统的硅钢片具有更低的铁耗，且在额定工作状态下VCR的损耗小于1％。

虚拟气隙的长度根据所需设计电抗器的额定容量来确定，容量越大虚拟气隙长度越长，其确定方式根据磁场安培环路定理确定，其中VCR磁阻主要集中于虚拟气隙中，铁芯磁阻忽略不计，由材料的磁化特性可知虚拟气隙中磁场强度远大于铁芯中磁场强度，则有：

Hl＝Ni，即

其中，H为虚拟气隙中的磁场强度，l为虚拟气隙长度，N为单柱工作绕组匝数，i为单柱工作电流。电压固定的情况下容量越大工作电流i越大，因此虚拟气隙长度可以根据额定容量确定。

本实施例给出上述虚拟气隙的一种优选填充方式：虚拟气隙包括多层截面积不同的低损耗导磁材料填充层，虚拟气虚最中间位置分别至工作柱铁芯上下两部分的填充层横截面积对称地由小变大，不同截面积的填充层均匀分布于铁芯柱上以减小漏磁和损耗。

本实施例还给出具有上述铁芯结构的虚拟气隙式可控电抗器，其结构如图2所示，除了包括上述铁芯结构外，还包括ABC三相绕组，每一单相结构中铁芯包括中间I号、II号工作柱，左右两侧旁轭，上下轭，每个工作柱上绕有N匝工作绕组，分为两半对称绕于虚拟气隙两侧，并交叉相连，续流二极管跨接在工作绕组端点处。工作绕组上接有变比为δ＝N_k/N的抽头，其中N_k为等效直流绕组匝数，通常变比在1％以内，两抽头之间连接有晶闸管，通过控制晶闸管导通角，类似全波整流的原理产生直流偏磁，两个工作柱内的直流偏磁方向相反。由于工作绕组上抽头的变比较低，实际施加在晶闸管两侧的电压较低，故该装置能够应用于高电压等级的电网。本发明中虚拟气隙可以采用集总式分布、分散式分布或叠型分布。

图3为图2所示可控电抗器的单相等效电路图，根据安培环路定律：

iN+i_kN_k＝H₁l

iN-i_kN_k＝H₂l

其中，i为工作绕组输出电流，下标k代表直流，H₁H₂分别为两个工作柱内的磁场强度，l为虚拟气隙的磁路长度(由于工作时工作柱铁芯段始终处于不饱和状态，故铁芯段磁场强度可以忽略不计)，则对于电抗器注入电网的电流有：

式中B₁，B₂分别为两个工作柱铁芯内的磁感应强度_lk,Ak，该磁感应强度的大小受直流励磁控制，从而实现输出电流连续可调，l_k和A_k分别代表各级填充层厚度与截面积。由于通常B₁，B₂为非正弦，输出电流中不可避免地会产生各次谐波，而通过改变虚拟气隙中填充的材料能够改变磁化特性曲线H＝f(B)，且在采用本发明虚拟气隙的结构后时通过填充不同级填充层后能够得到虚拟气隙等效磁化特性H_e＝g(B,l_k,A_k)，H_e的表达式计算方法在使用各填充层参数l_k与A_k上与多级磁阀式可控电抗器等效磁化特性计算方法类似，但填充材料的磁化特性H＝f(B)可以人为选择，在进行计算时必须代入新的材料的磁化特性曲线H＝f(B)。通过改变材料磁化特性曲线、填充层参数能够得到合理的等效磁化特性从而将上述电流表达式中非正弦的谐波含量降低，达到国家标准。

通过上述填充层厚度l_k和截面积A_k为变量的输出电流表达式(即等效磁化特性g(B₁)与g(B₂)，其余参数为常数)，以谐波最小为优化目标，采用粒子群优化算法即可以获得最优填充层厚度与截面积参数。代入H_e＝g(B)后，输出电流表达式仅与填充层截面积和厚度有关，此时以谐波电流最小为优化目标，对各级填充层的参数(截面积和厚度)进行粒子群算法寻优，该寻优方法在已有文献中有详细描述，故不再赘述，通过本发明VCR的设计过程中虚拟气隙所用填充材料的磁化特性曲线可以通过选取不同的材料进行灵活调整，如含不同纳米非晶材料浓度的环氧树脂导磁材料。

综上所述，本发明采用虚拟气隙结构，通过合理填充材料能够降低可控电抗器涡流损耗与磁滞损耗同时兼具有降低谐波的功能。

在实际应用中，可以在本发明虚拟气隙式可控电抗器外加装外壳，注入绝缘油。本发明虚拟气隙式可控电抗器的使用原理与现有的磁控电抗器使用原理类似，通过晶闸管触发角调节直流偏磁的大小来改变虚拟气隙中填充材料的饱和情况，从而改变虚拟气隙式可控电抗器的等效电抗值。

本实施例以传统MCR与本发明VCR(填充低损耗导磁材料硅钢片)进行损耗实验数据对比如下表1所示：

表1

由上表1可见，传统MCR负载损耗为194.5/18000约为1.081％，本发明VCR负载损耗为133.77/20000约0.66％<1％。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种铁芯结构，包括工作柱铁芯，其特征在于：所述工作柱铁芯包括上下两部分，所述上下两部分之间间隔有一段用于降低损耗的虚拟气隙，所述虚拟气隙为填充有低损耗导磁材料的气隙。

2.根据权利要求1所述的铁芯结构，其特征在于：所述虚拟气虚的长度通过下式确定：

Hl＝Ni，即

式中，H为额定状态下虚拟气隙中的磁场强度，l为虚拟气隙长度，N为单柱工作绕组匝数，i为额定状态下单柱工作电流。

3.根据权利要求2所述的铁芯结构，其特征在于：所述虚拟气隙包括多级截面积和厚度不同的低损耗导磁材料填充层，每一级填充层的截面积与厚度根据以下方法确定：

根据填充材料的磁化特性曲线H＝f(B)，且结合各级填充层厚度l_k和截面积A_k确定虚拟气隙等效磁化特性H_e＝g(B,l_k.A_k)，建立以下计算模型：

式中，i为输出电流，H₁ H₂分别为两个工作柱内的磁场强度，B₁，B₂分别为两个工作柱铁芯内的磁感应强度，N代表单个工作柱上绕组匝数；

上式为各填充层厚度l_k和截面积A_k为变量的输出电流表达式，其余参数为固定值，然后以谐波最小为优化目标，采用粒子群优化算法即获得最优填充层厚度与截面积参数。

4.根据权利要求1-3任一所述的铁芯结构，其特征在于：所述低损耗导磁材料为非线性低损耗铁磁材料或纳米非晶材料。

5.一种虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：包括权利要求1所述的铁芯结构。

6.根据权利要求5所述的虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：所述虚拟气虚的长度通过下式确定：

Hl＝Ni，即

式中，H为虚拟气隙中的磁场强度，l为虚拟气隙长度，N为单柱工作绕组匝数，i为单柱工作电流。

7.根据权利要求6所述的虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：

所述虚拟气隙包括多级截面积和厚度不同的低损耗导磁材料填充层，每一级填充层的截面积与厚度根据以下方法确定：

根据填充材料的磁化特性曲线H＝f(B)，且结合各级填充层厚度l_k和截面积A_k确定虚拟气隙等效磁化特性H_e＝g(B,l_k.A_k)，建立以下计算模型：

式中，i为输出电流，H₁ H₂分别为两个工作柱内的磁场强度，B₁，B₂分别为两个工作柱铁芯内的磁感应强度，N代表单个工作柱上绕组匝数；

上式为各填充层厚度l_k和截面积A_k为变量的输出电流表达式，其余参数为固定值，然后以谐波最小为优化目标，采用粒子群优化算法即获得最优填充层厚度与截面积参数。

8.根据权利要求7所述的虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：所述虚拟气隙采用集总式分布、分散式分布或叠型分布。

9.根据权利要求8所述的虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：包括ABC三相绕组，每一单相结构中铁芯包括中间I号、II号工作柱，左右两侧旁轭，上下轭，每个工作柱上绕有N匝工作绕组，分为两半对称绕于虚拟气隙两侧，并交叉相连，工作绕组端点处连接有续流二极管，工作绕组上接有变比为δ＝N_k/N的抽头，其中N_k为等效直流绕组匝数，通常变比在1％以内，两抽头之间连接有晶闸管，通过控制晶闸管导通角，两个工作柱内的直流偏磁方向相反。

10.根据权利要求5-9任一所述的虚拟气隙式可控电抗器，其特征在于：所述低损耗导磁材料为非线性低损耗铁磁材料或纳米非晶材料。

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