变电站的静止无功补偿装置设计.docx

湖 北 民 族 学 院
毕业论文（设计）

变电站的静止无功补偿装置设计

学生姓名： 学 号： 030840517
系 别： 信息工程学院 专 业：电气工程及自动化
指导教师： 评阅教师：

论文答辩日期
答辩委员会主席

摘 要
我国电网无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。冲击性负荷更会使得电网无功功率不平衡，将导致系统电压的巨大波动、善变，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定性被破坏事故。因此，对变电站进行无功补偿具有非常重要的作用。
为了解决变电站无功补偿和提高电压合格率的问题，本文在深入研究国内外无功补偿装置的基础上，提出并设计了基于磁控电抗器的动态无功补偿方案(MCR+FC)。本文研究了无功补偿的原理，阐述了电力系统无功补偿的重要意义、发展史和现状，详细分析了几种无功补偿装置的原理、结构及其优缺点，分析了磁阀式可控电抗器的基本结构和工作原理，建立了仿真模型。用Matlab模块对磁阀式可控电抗器的模型和基于磁阀式可控电抗器的补偿模型进行了仿真分析。最后验证了MCR+FC型无功补偿装置的可行性。
关键词：无功补偿;变电站; 磁阀式可控电抗器

Abstract
There is inadequate in the capacity of reactive power compensation and unreasonale of equipment, especially inadequate in the adjustable reactive power capacity and less in the rapid response of reactive power condition in China's Power Grid. Impact load will make grid reactive power imbalance and this will lead to the great fluctuations and flicker of grid voltage, more seriously to the damage to electrical equipment, voltage collapse and the destruction of the grid stability. Therefore, the substation reactive compensation is a very important role.
In order to solve the reactive power compensation and improving voltage quality in substation, the scheme of static reactive power compensation based on magnetic valve controllable reactor is presented and designed. In this paper, the principle of static reactive power compensation is researched; the basic structure and the operation Principle of magnetic valve controllable reactor as the key technique of SVC are analyzed, and the simulation model is built. Simulation analysis for the MCR and the compensation model by the PSB model in Matlab software are gave; by measuring and analyzing the power quality of substation 35kV bus bars , the scheme of static reactive power compensation based on MCR is designed effectiveness and feasibility of the scheme with the MCR and FC for static compensation are verified by simulation at the end of this paper.

Keywords： Reactive power compensation , Transformer substation,MCR

目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 2
1.3 课题研究的目的及意义 2
1.3.1课题研究的目的 2
1.3.2课题研究的意义 3
1.4 论文工作 3
2 无功补偿的基本原理
2.1无功补偿的原理及意义 5
2.1.1.有功功率和无功功率的概念 5
2.1.2无功补偿的原理 5
2.1.3无功补偿的意义 6
2.2静止无功补偿装置的定义及分类 6
2.2.1 SVC的定义 6
2.2.2 SVC的分类及优缺点 7
2.2总结 8
3 各种静止无功补偿装置的原理
3.1概述 9
3.2晶闸管相控电抗（TCR）型静止无功补偿装置 9
3.3晶闸管投切电抗（TSC）型静止无功补偿装置 9
3.4静止无功发生器 （SVG） 10
3.5磁阀式可控电抗器型静止补偿器 12
3.5.1 概述 12
3.5.2 MCR的发展史 12
3.5.3 MCR的工作原理 12
3.5.4 电磁方程及工作状态的转换 14
3.5.5 MCR动态无功补偿装置的主要结构 15
4 MCR及其特性仿真研究
4.1概述 17
4.2建立matlab仿真模型 17
4.2.1 MATLAB Power System Block简介 17
4.2.2仿真模型元件的选择 17
4.3 仿真实例 21
4.3.1仿真参数设置 21
4.3.2设置主要模块参数 21
4.3.3仿真分析 22
4.4 MCR技术特性 26
4..4.1伏安特性 26
4.4.2 谐波特性 26
4.5三相无功补偿仿真分析 27
4.6小结 29
5总结与展望 30
致 谢 31
参考文献 32
申 明 34
学位论文（设计）版权使用授权书 35

1 绪论
1.1 课题背景
近年来，随着我国经济的高速发展，对电力系统的稳定运行和电能质量也提出了更高要求。在提高电网的经济运行、稳定运行，和提高电能质量方面，除了逐步改善电网本身结构外，还必须要运用大量先进的调控手段。众所周知，在系统中装设无功功率补偿装置不仅可以提高供用电系统的功率因数，减少功率损耗，还具有稳定受电端电压，提高供电质量，提高输电能力的作用，是提高电网运行质量的一个主要措施。此外，电网的发展，系统稳定性问题越发重要，电网的损耗、电压及功角稳定性与无功功率快速、有效提供有关。我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，大量的无功在网间传送，造成了巨大的网络损耗。
变电站是电力系统重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，很多电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。分析研究、设计符合现场实际、经济、实用无功补偿装置具有一定的工程价值。
受到科技发展水平及管理体制限制，很久以来降低电力网电能损耗只是从设备单体考虑问题，无功补偿也往往只是注重电网电压调整。对如何保证电网安全经济运行和无功对电网所造成的一系列影响进行了分析和研究。通过对电力系统无功的合理配置和对无功负荷的最佳补偿不仅可以维持水平和提高电力系统运行的稳定性.而且可以降低有功网损和无功网损。
1.2 课题研究现状
早期的无功补偿装置为同步调相机和并联电容器。同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。并联电容器简单经济，灵活方便，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化即不能实现对无功功率的动态补偿。
1.2.1 国外研究现状
20世纪70年代中期开始，GE、BBC、西门子等国际知名公司先后开发出了
TCR型SVC动态无功补偿装置，并开始在工业领域应用。世界上第一台电网用SVC由美国GE公司制造，1977年安装于Tri-state G&T系统，主要用于电压控制。1978年，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入运行。到20世纪90年代，SVC装置在国外电力系统中得到相当广泛的应用。最大补偿容量已达1000MVar以上，应用的最高系统电压为765kV。截至2008年底全世界有超过400套SVC、总容量约30GVar的SVC在电网系统运行；超过500套、总容量约25GVar的SVC在工业部门使用。目前，世界上几个著名的电气生产厂商主要有，瑞士ABB公司、德国西门子公司、法国阿尔斯通公司等，其中以ABB公司在其中的份额最大。
1.2.2国内研究现状
我国在20世纪80年代初期引进应用SVC，1982年武汉500kV凤凰山变电站引进安装了第一套TCR+TSC型SVC装置。至1990年总共有五个500kV变电站采用了6套进口SVC装置，型式为TCR+TSC或者固定电容器组((FC)。他们都曾对电网发挥了重要作用，如：郑州SVC使河南南北联络线输送功率极限可提高5%；500kV葛岗云线路稳定极限提高8%，并有效稳定了200kV母线电压；辽宁网500kV辽沙线并联电抗器1990年11月发生故障，500kV电压高达550kV，沙岭SVC投入后，500kV电压迅速降低到正常水平。
但TCR型SVC装置存在体积庞大、对环境要求高、可靠性不高、控制困难、
成本较高等弊病。而MCR型SVC装置恰恰能够弥补这些缺点，其优点有：能在任何恶劣环境下稳定、可靠工作；响应速度快，从空载到额定容量的过渡过程时间小于0.1秒；成本低廉。
2004年我国首台自主知识产权的SVC在辽宁省鞍山市220kV红一变电站TC型SVC工程成功投运，标志着我国拥有自主知识产权的SVC技术进入了实用化阶段。目前TCR型SVC装置已在钢铁企业等工业用户中广泛使用，MCR型SVC装置也已有应用，但多是在10kV以下系统。
1.3 课题研究的目的及意义
1.3.1课题研究的目的
通过电网中变电站、线路等元件的理论及实际进行情况分析，对比国内外现有的无功补偿技术，设计一个能实现动态补偿的静止无功补偿装置，能较好地解决变电站无功补偿设备利用率低，对电网降损效果不明显等问题。SVC目前控制方式主要有晶闸管控制和磁阀式控制两种。采用晶闸管控制方式的TCR (Thyristor Controlled Reactor)型SVC存在体积庞大、结晶闸管控制构复杂、对外界环境要求高、成本高等问题。而采用磁阀式控制方式的MCR(Magnetic Valve Controllable Reactor)型SVC有效解决了TCR型SVC存在的问题，是本次研究的方向。
1.3.2课题研究的意义
近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力网中的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。供电系统常由于感性负载过重，造成感性无功过大，电能质量下降，功率因数过低。为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运行，常需在低压侧装设无功补偿装置。
可见设计一种简洁、实用和动态补偿的静止无功补偿装置有以下作用：解决变电站无功补偿设备利用率低，对电网降损效果不明显问题。提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
1.4 论文工作
本文围绕MCR型SVC在无功补偿中的应用展开了一系列研究对核心器件MCR即磁阀式可控电抗器进行了理论分析推导出电抗器的等效电路方程，并使用MATLAB建立了等效仿真模型，根据工程实际，设计MCR型动态无功补偿装置，设计控制策略，滤波支路。同时也简绍了其他类型的静止无功补偿装置的与原理及结构。论文的研究工作将具体在以下几个方面展开：
1) 分析无功补偿的原理及意义，对SVC概念及原理进行简要说明，对目前主要使用的SVC装置的分类及优缺点进行了比较分析，得出MCR型SVC装置在工程应用中的突出优势。
2) 查阅资料，了解静止无功补偿装置的发展史、简绍各种静止无功补偿装置的原理及结构。总结各类无功补偿装置的优缺点。
3) 介绍MCR型SVC关键技术，对MCR的基本结构以及工作原理，对磁化曲线及数学模型进行分析，重点对磁阀式可控电抗器的工作状态的转换进行了分析。在已有文献关于电抗器数学模型的基础上，通过公式推导出等效电路方程，并构建出MCR等效电路。
4) 对MCR+FC型SVC装置的核心部件磁阀式可控电抗器进行分析，建立
MATLAB数学仿真模型。通过仿真模拟对磁阀式可控电抗器的谐波特性、等等分别进行了分析验证，并给出各种特性曲线。对三相不平衡负载进行
建模与仿真分析。

2 无功补偿的基本原理
2.1无功补偿的原理及意义
2.1.1.有功功率和无功功率的概念
电网输送的功率可以分解为两种类型，一种叫无功功率，另一种叫有功功率。在交流电能的输送和使用过程中，转换成光能、热能、机械能的那一部分能量叫做有功功率;而用于产生交变磁场的那部分能量叫做无功功率。电网中的负载包括电阻性负载、电容性负载和电感性负载。对十电阻性负载，负载两端的电压和电流的相位相同，电流在通过电阻的过程中做了功，把电能转换为光能、热能等，被称为有功负载，所消耗的功率叫做有功功率;对十电感性负载和电容性负载，负载两端的电压和电流不同相，是能量在系统中不断存储和释放的过程，被称为无功负载，所消耗的功率叫做无功功率。
通过以上概念，我们可以得到以下的几点结论：
1) 无功功率和有功功率是密不可分的。在电能传输过程中，有功损耗和无功损耗也同时存在，损耗的存在会造成电压降落，降低电网的安全和经济运行水平。
2) 电网在运行时，电源供给的无功功率是用来在电气设备中建立和维持磁场，进行能量交换的，它时能量的输送、转换必需的条件。
3) 在电网中由十电感性负载与电容性负载吸收和释放的时间正好相反，当电感性负载吸收能量时，电容性负载释放能量，能够帮助电源提供一部分能量。
2.1.2无功补偿的原理
在电力系统中用电负荷需要一定的无功功率，同时电网中各种输变电设备也会引起无功功率损耗。因此，发电设备必须提供一定的无功功率来满足他们的需要，这就是系统中无功功率的平衡。对于运行中的所有设备，要求系统无功功率电源所发出的无功功率与无功功率负载及无功功率损耗相平衡，即：
(2.1)
在正常情况下，用电设备既要从系统中获取有功功率，又要获取无功功率。如果电网中的无功功率不足，用电设备就不能建立正常的电磁场，其端电压就要下降，从而影响其正常运行。一般来讲，从发电机所发出的无功功率不足以满足系统中的无功需求，所以在电网中要设置一些无功补偿装置补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，保证用电设备能够在额定电压下工作。
2.1.3无功补偿的意义
通过以上分析我们可以发现，无功功率的产生基本上不需要消耗能源，但是无功功率在电网中的传送却会造成有功损耗和电压损耗。因此，合理地配置无功功率补偿容量，改善电网的无功潮流分布，就能够减少电网中的有功损耗和电压损耗，从而达到改善用户电压质量，提高设备的利用率和电网的传输能力的目的。
1) 提高电力系统的功率因数
，当P一定时，减少Q，则功率因数便能够提高，当Q=0时，则其功率因素，因此进行无功补偿可以提高用电设备的功率因数。降低线路的有功损耗，减少线路的电压损失当有功功率和无功功率通过电网时，会造成有功功率损耗，但电网节点的电压变化主要由无功变化所引起。因此，合理地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。
2) 改善设备的利用率
由功率因数表达式： (2.2)
式中S为电源设备的容量(视在功率);P为有功功率；功率因数。
在电压和电流一定的情况下，越高，则输出的有功功率P越大，设备的利用率也就越高。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。
3) 提高电网的有功传输能力
在S不变的情况下，越高，线路传送有功功率P的能力越强。
此外，无功补偿还对降低功率损耗与电能损耗，改善电能质量，为用户节约电费等方面都有重要的意义。
2.2静止无功补偿装置的定义及分类
2.2.1 SVC的定义
SVC (Static Var Compensatory)，全称为静止型动态无功补偿装置，所谓静止是指没有运动部件。通常是由并联电容器组(或滤波器)和一个可调节电感量的电感元件。SVC与一般的并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负载的无功波动，进行无功的适时补偿，从而维持电压的稳定。SVC最重要的性质是它能维持其SVC最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，第二个重要性质是能够对端电压的微小变化迅速做出响应。
从实用的观点出发，SVC装置主要用十对冲击性负载用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿，其作用主要有：
(1) 调整系统电压；
(2) 提高输电线路的输送能力；
(3) 提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性；
(4) 抑制电力系统的功率振荡；
(5) 补偿无功功率，提供随机性调相功能；
(6) 吸收电力系统中突然涌现的过剩无功，抑制暂时过电压；
(7) 减少系统中的负序电流分量，对连接点的二相电压起平衡作用；
(8) 抑制电力系统的次同步谐振。
2.2.2 SVC的分类及优缺点
目前国内外常用的SVC装置的类型主要是以下几种：
(1) 磁阀式可控电抗器型静止补偿器（MCR）
(2) 晶闸管控制电抗器型静止补偿器（TCR）
(3) 晶闸管投切电容器型静止补偿器(TSC)
(4) 静止无功发生器(SVG)
晶闸管控制电抗器型静止补偿器和晶闸管投切电容器型静止补偿器能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。与静止无功补偿装置比，静止无功发生器的优点是，响应速度快，运行范围更广。
表2-1 各类型无功补偿装置优缺点
比较项目
MCR型
TCR型
开关投切
TSC型
运行方式
连续
连续
离散
离散
可靠性
免维护
维护量大
维护量很大
维护量大
谐波水平
比TCR型小50%
较小
无
小
投切涌流
无
无
7倍以上
无
有功损耗
0.5%-0.8%
1%-1.5%
很小
小
占地面积
为TCR的1/10
很大
大
小
调节时间
0.3s
40ms
0.8s

40ms
过载能力
150%
无
无
无
电磁污染
无
对人体的辐射很大
无
无

从表2-1中可以看出MCR型SVC装置仅在调节时间上较TCR型SVC不足外，余特性均优于TCR型SVC。总结起来MCR型SVC的优点如下:
(1) 磁阀式可控电抗器(MCR)是21世纪高新技术产物，技术具有领先性；
(2) 能在任何恶劣电网工作环境下稳定工作，可靠运行；
(3) 可靠性高，用寿命不低于25年；
(4) 成本低廉，价格仅为同类产品(如相控电抗器TCR)的1 /2~1 /3 ；
(5) 占地面积小，仅为同类产品的1/5；
(6) 可直接应用于何电压等级的电网中，且安装简单、调试方便；
(7) 产生谐波小，比同类产品低50%；
(8) 有功损耗低，平均0.5%~0.8%；
(9) 响应速度快，从空载到额定容量的过渡过程时间小于0.1秒，完全可以满足快速动态无功补偿的要求；
(10) 连续(无级)容量调节范围宽广，最大(额定)与最小(空载)容量之比
可至100倍。
2.2总结
本章首先简单介绍了无功功率的基本概念，并分析了无功补偿的原理及意义，对SVC的定义进行了简要说明，并对目前国内外主要使用的SVC装置的分类及优缺点进行了比较分析，得出MCR型SVC装置在工程应用中的突出优势。

3 各种静止无功补偿装置的原理
3.1概述
主要是对MCR型SVC装置原理和特性进行分析，并应用到变电站中，进行动态地补偿无功功率。主要是对主要磁控电抗器 (MCR)进行分析。除此之外，简介其他类型的静止无功补偿装置的原理及结构。
3.2晶闸管相控电抗（TCR）型静止无功补偿装置
图3-1表示晶闸管相控电抗型静止无功补偿装置的原理图。它包括四个主要部分：高阻抗变压器、电容器、晶闸管阀和调节器。

图3-1 晶闸管相控电抗型静止无功补偿装置（原理图）
由于电容器为固定值，所以超前的无功功率为固定值。当负载滞后的无功功率变化时，需要调节的大小。例如当增大时，晶闸管管阀控制的电抗器耗用的无功功率减少；而减少时，则增大。即不管负载的无功功率如何变化，总要使系统供给的无功功率约为常数，以限制电压的闪变。
用以控制的可变电抗器，是由电抗器与各相反并联连接的晶闸管组成。利用晶闸管的相位控制来改变电抗器的电流大小，已达到连续调整电抗器的电抗无功功率。相位控制角从90度改变到180度，使从100%变化到零。
3.3晶闸管投切电抗（TSC）型静止无功补偿装置
晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置由降压变压器、电容器组（分成若干小组）、晶闸管阀（同样分成若干小组）和调节器四个部分组成。根据负载感性无功功率的变化切除或投入电容器时，晶闸管只作为投切电容器的开关而不像TCR型的晶闸管起相控作用。用晶闸管阀投切电容器组时，电容器只是在极端电流值之间切换，所以不会产生谐波，这是其优点，但是无功功率的补偿是阶跃式的。且响应快速性较差，这是它的缺点。晶闸管投切电容器的原理图如图3-2所示

图3-2 晶闸管投切电容器型静止无功补偿装置（原理图）
3.4静止无功发生器 （SVG）
静止无功发生器的主体部分是一个电压源型的逆变器，其原理图如图3-3所示。逆变器中六个可关断晶闸管分别与六个二极管反向并联，适当控制可关断晶闸管的通断，可以把电容上的直流电压转换成与电力系统电压同步的三相交流电压，逆变器的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。忽略损耗，时SVG稳态等值电路和不同工况下的相量图图示于3-4。静止无功发生器也被成为静止调相机。

图3-3 静止无功发生器（原理图）

图3-4 静止无功发生器的稳态等值电路图和相量图
3.5磁阀式可控电抗器型静止补偿器
3.5.1 概述
磁控电抗器（magnetic control reactor)全称是磁阀式可控电抗器，简称MCR，是一种容量可调的并联电抗器，主要用于电力系统的无功补偿。 基于MCR（磁控电抗器）技术的新型动态无功补偿装置, 具有可靠性高, 动态调节性能好, 安装与维护简单的优点, 已被人们广泛关注。
3.5.2 MCR的发展史
由于电力系统的需求，可控电抗器一直以来就是一个研究热点，其中前苏联科学家提出的借助直流控制的磁饱和型可控电抗器得到了推广和应用。该类电抗器是借助控制回路直流控制电流的激磁改变铁心的磁饱和度，从而达到平滑调节无功输出的目的。它是在磁放大器的基础上发展起来的。早在1916年就由美国的E.F.W亚历山德逊提出了“磁放大器”的报告。到了40年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带和高磁导、高矩形系数的坡莫合金材料的出现，将饱和电抗器的理论和应用提高到了一个新水平，1955年世界上第一台可控电抗器在英国制造成功，其额定容量为100MVA，工作电压为。20世纪70年代以来，由于可控硅器件迅速发展及相控电抗器的出现，可控电抗器被打入“冷宫”。 随着电力工业的高速发展，人们对供电质量及可靠性的要求越来越高。由此产生了一系列问题:超(特)高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量快速响应的可调无功电源来调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。20世纪70年代以来发展起来的相控电抗器（TCR）高昂的造价决定了其在电力系统中广泛应用的不合理性。鉴于上述原因，电力专家们转而寻求更加经济和可靠的可调无功补偿装置。
1986年，原苏联学者提出了磁阀式可控电抗器的新型结构，从而使得可控电抗器的发展有的突破性进展。新型可控电抗器可以应用于直到1150KV 的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置，因而可直接接于超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。
3.5.3 MCR的工作原理
磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。

图3-5 单相磁控电抗铁心、线圈示意图
磁控电抗器采用小截面铁心和极限磁饱和技术，单相四柱铁心结构电抗器结构如图3.5所示，在中间套有线圈的两个工作铁心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，大截面段，始终工作于未饱和线性区，仅有小截面段铁心磁路饱和，目饱和的程度很高。
磁控电抗器控制原理接线图如图3-6所示。在磁控电抗器的工作铁心柱上分别对称地绕有两个线圈，其上有抽头，它们之间接有可控硅T1 , T2，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接后并联至电源，续流二极管D接在两个线圈的中间。

图3-6 磁控电抗器原理接线图
当磁控电抗器主绕组接至电源电压时，在可控硅两端感应出1%左右的系统电压。在电源电压正半周触发导通可控硅T1，在回路中产生直流控制电流;在电源电压负半周触发导通可控硅T2，在回路中产生直流控制电流。两个可控硅在一个工频周期轮流触发导通，产生直流控制电流，使电抗器工作铁心饱和，输出电流增加。磁控电抗器输出电流大小取决于可控硅控制角，控制角越小，产生的控制电流越强，从而电抗器工作铁心磁饱和度越高，输出电流越大。因此，改变可控硅控制角，可平滑调节电抗器容量。由上分析可知，磁控电抗器具有自耦励磁功能，省去了单独的直流控制电源。
由磁阀式可控电抗器的基本结构，可以归纳出其结构特点，以及与传统可控饱和电抗器的异同：
(1) 基本工作原理都是利用直流控制电流控制铁心的饱和度来平滑连续调节电抗器容量的。
(2) 可控饱和电抗器工作绕组和控制绕组是分开的，而磁阀式可控电抗器将工作绕组和控制绕组有机地结合在一起，有利于减少损耗，简化结构。
(3) 磁阀式可控电抗器铁心面积具有减小的一段，在电抗器整个工作范围内，只有小截面段磁路饱和，其余段均处厂未饱和线性状态，相当十一个磁阀，故有“磁阀”之说。
(4) 可控饱和电抗器需单独的直流控制电源，而磁阀式可控电抗器则利用电网电压本身经绕组自耦变压后由晶闸管整流获得，不需外加激磁电源。控制电流不同的获取形式将导致伏安特性很大的差异，前者的伏安特性具有明显的非线性特征，后者则近似线性。
3.5.4 电磁方程及工作状态的转换

图3-7 磁阀式可控电抗器的结构电路
图3-7为磁阀式可控电抗器的结构图，根据图中晶闸管、及续流二极管的导通与截止情况，可以列出以下5种工作状态
1) 截止，截止，导通
2) 截止，导通，导通
3 ) 截止，导通，截止
4 ) 导通，截止，截止
5 ) 导通，导通，截止
针对上述5种状态，可分别列出其对应的磁阀式可控电抗器的电磁方程，电磁方程推导可参考相关文献。
在进行数值计算分析时，需要判断各半导体元件在每个工频周期内的导通关闭情况，各元件的导通及截止条件由其所承受的电压、流过的电流的方向以及控制信号的触发时刻决定。因此，需要首先推导和分析这些电压和电流，从而得到可控电抗器的各工作状态间的相互转换关系。假定，可控电抗器工作绕组两端上加有正弦电压：，电源每半周开始到晶闸管(、)触发导通时
当电抗器无直流激磁时，处于稳态的空载运行时，由图3-4知e, f两点等电位，电抗器已处于状态3，晶闸管、及端电压及二极管上D的电流为：
(3.1)
在电源正半周期间，上承受正向电压，上承受反向电压。所以，若在电压正半周某一时刻，向门极输入导通触发脉冲，其将会导通，而维持截止状态。进而，可控电抗器进入状态2,即导通，导通，截止。此时，流过晶闸管、二极管电流和晶闸管上的电压为：
(3.2)

在电源的负半周期，晶闸管触发导通的过程与电源正半周时触发导通过程完全类似。在以后的周期里，、轮流导通、截止，重复以上所述过程。负半周导通过程与正半周类似。
3.5.5 MCR动态无功补偿装置的主要结构
MCR本体：MCR本体为油浸电抗器，采用优质硅钢片和漆包线，并采用低温升设计，具有极高的可靠性，设计寿命达到30年以上，维护简单，且工作量少。采用室外安装方式，自然风冷。
励磁系统：工作电压极低，只有几百伏，功率很小，仅为MCR功率的0.3%左右，电力电子元件全部采用进口优质低压元件，无须任何器件的串并联,所有元件高度成熟可靠。励磁系统自身具有完备的保护系统，可充分保证其运行的安全。励磁系统中的电力电子器件的触发系统采用光电触发方式，主回路与控制回路隔离性能好，具有较强的抗干扰能力，光电－电光转换器采用进口产品。因此，励磁系统具有高度的可靠性。
控制系统：采用全数字控制系统，独特的自学习控制算法，响应时间快，可靠性高。控制系统与励磁系统之间的具有友好的人机界面，方便用户使用和维护。
监控系统：对装置中相关模拟量与开关量进行集中监控，用户可在监控系统上实现对所有相关信息的监测，并可通过监控系统实现对SVC装置的远程操作，监控系统提供RS485等通讯接口，可接入现有自动化控制系统。

图3.8 MCR型补偿装置的系统组成原理

4 MCR及其特性仿真研究
4.1概述
针对MCR的等效模型，本章的目的在于利用计算机仿真的手段来验证并分析磁阀式可控电抗器(MCR)的工作特性。在此利用MATLAB/SIMULINK的电力系统模型集(Power System Block)对磁阀式可控电抗器进行仿真研究，了解其在电力系统无功补偿的工作原理，并根据仿真结果，分析其工作特性，最后建立了MCR型SVC补偿模型并对二相不平衡负载进行了仿真研究。
4.2建立matlab仿真模型
4.2.1 MATLAB Power System Block简介
MATLAB是美国Mathwork公司自1984年开始推出的一种简便的工程计算语言，由于其具有强大的数值运算能力和友好开放的用户界面，在科学技术和工程应用等各个领域得到了广泛的应用，是目前世界上较为流行的一种用于科学计算的软件工具。SIMULINK是MATLAB中的一种图形化仿真工具，利用它可以方便地建立各种仿真模型。SIMULINK有两个明显功能；仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所研究系统的模型，然后可直接对系统进行仿真。这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变得十分简单。SIMULINK中的PSB ，电力系统控制工具箱)在电力系统的仿真中十分广泛。它主要包括六个子模块库：电源模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库、测量模块库和附加电气系统模块库。PSB是专门针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件模型比较多，功能也比较全面，目前许多电力系统的研究工作己开始用它作为仿真分析软件。
4.2.2仿真模型元件的选择
参考上一章已建立的磁阀式可控电抗器等效电路图，可控电抗器等效模型相当于下图所示的三部分
(1) 左边的工作回路部分。
(2) 右边的整流控制部分。
(3) 中间的变压器部分
从磁阀式可控电抗器的等效简化电路以看出，其工作回路与控制回路相当于通过两个变压器连接起来，这两个同等变压器的一次侧顺向连接，接到工作回路侧；变压器的二次侧反向连接，接到控制回路上。
(1) 变压器类型的与参数的选择
第一步，我们要先确定变压器的类型及其参数。因此，先在Matlab库元件中选择合适的变压器。在PSB的Elements库中有两种类型的单相变压器。分别为线性变压器和饱和变压器，如图4-1所示。由于磁阀式可控电抗器工作在饱和区域，所以我们选择饱和变压器作为仿真模型。

(a) 线性变压器

(b) 饱和变压器

图4-1两种类型的变压器

(2) 磁化曲线选择
接下来，我们要设置饱和变压器的磁化特性曲线，如图4-2所示，为未饱和段、为饱和段，磁阀式可控电抗器的铁芯由硅钢片制成，所以，未饱和段的斜率设为硅片磁导率,当磁阀式可控电抗器的磁阀