電抗器拓撲結構與阻抗變換分析

發(fā)布時間：

2023-04-19 15:17

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　　1引言

　　電抗器按其特性可分為固定電抗器和可變電抗器。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，在很多場合都希望電抗器的電抗值能夠實時調節(jié)。

　　可變電抗器經歷了從機械式到電磁式，再到電力電子式的發(fā)展過程。機械式可調電抗器結構簡單，線性度好，但不能實現(xiàn)電感的平滑調節(jié)，目前應用較少。電磁式可變電抗器通過改變鐵心的磁阻來改變電感。磁阻大，則電感小；反之，磁阻小，則電感大。電磁式可變電抗器制造工藝簡單，成本較低，在限制過電壓、補償無功功率等方面應用潛力大。其主要缺點是響應時間長，振動和噪聲較大。電力電子電抗器是近年來研究和開發(fā)出來的一種新型可變電抗器，它采用電磁技術、電力電子技術、控制技術、計算機技術等，可實現(xiàn)阻抗值的連續(xù)無級可調。典型代表有晶閘管式電抗器、IGBT式電抗器。

　　這里主要研究晶閘管式電力電子電抗器，它結合了傳統(tǒng)機械式電抗器和電磁式電抗器的優(yōu)點，對傳統(tǒng)電抗器進行改進，可實現(xiàn)電抗值的連續(xù)無級可調，且高次諧波較小。

　　2電力電子電抗器結構

　　傳統(tǒng)的機械式電抗器結構如圖1所示。采用調節(jié)分接頭式的方式來改變電抗器的電感，僅能實現(xiàn)阻抗的有級變換。這里所述的電力電子電抗器將傳統(tǒng)電抗器與電力電子技術相結合，其結構如圖2所示。

　　對比圖1，2知，電力電子電抗器將傳統(tǒng)電抗器的單邊繞組結構設計成雙邊繞組結構，其初級繞組與負載、電網串接、次級繞組與電力電子阻抗變換器相接，通過阻抗變換控制器控制電力電子阻抗變換器的工作狀態(tài)，調節(jié)電抗變換器次級繞組的電流與阻抗，改變電抗變換器初級繞組的電流和阻抗，實現(xiàn)電抗器的阻抗變換。

　　3電力電子電抗器拓撲結構

　　電力電子電抗器是一種較典型的可變電抗器。三組兩兩反并聯(lián)的晶閘管構成電力電子阻抗變換器，通過控制晶閘管的導通角就可控制電抗器的等效阻抗值。其拓撲結構如圖3所示。其一相的等效電路模型如圖4所示。

　　文獻已經詳細推導了電力電子電抗器的阻抗變換原理。晶閘管控制角α與電力電子電抗器次級繞組ax端等效阻抗之間的關系為：

　　當α=0°時，晶閘管全導通，電力電子電抗器次級繞組相當于短路，電流最大，初級繞組電流最大，此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最小。

　　當α=180°時，晶閘管關斷，電力電子電抗器二次繞組相當于開路，電流最小，初級繞組電流最小，此時電力電子電抗器初級繞組阻抗最大。

　　當α在0°～180°之間時，電力電子電抗器初級繞組阻抗介于最大值與最小值之間，且連續(xù)可調。

　　4建模與阻抗變換分析

　　在Matlab／Simulink中，利用電氣模塊PSB對三相電力電子電抗器進行建模與阻抗變換分析。三相電力電子電抗器仿真模型包括：三相電源模塊、三相可變電抗器模塊、三相晶閘管阻抗變換模塊、脈沖觸發(fā)器模塊、負載模塊等。

　　設置電源參數(shù)：電壓峰值為，頻率為50 Hz；電力電子電抗變換器功率：Pn=107VA，fn=50Hz；初級線圈參數(shù)：U1=104V，R1=2 mΩ，L1=0．05H；次級線圈參數(shù)：U2=25×105V，R2=2 mΩ，L2=0．05 H；磁阻Rm=200Ω；勵磁電感Lm=200 H。晶閘管參數(shù)使用默認值。設置Series RLC Branch的參數(shù)：R=100Ω，L=0．05 H；C為inf，此時負載為感性負載。改變α得到仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)可描點繪出感性負載時α與電力電子電抗器的阻抗模值Z的關系圖，如圖5所示。

　　由圖5可見，隨著α的增大，電力電子電抗器初級繞組電壓增大，電流減小，初級繞組阻抗增大，即電力電子電抗器阻抗隨α的增大而增大。這與第3節(jié)中理論分析完全一致。

　　5電力電子電抗器的應用及實驗

　　5．1電力電子電抗器式軟起動器構建

　　軟起動器結構圖如圖6所示。電機起動時，首先合上K1，電力電子電抗器初級繞組與電機、電網串接。根據(jù)阻抗變換原理，阻抗變換控制器通過改變電力電子阻抗變換器中晶閘管的觸發(fā)角，來改變電力電子電抗器初級繞組的阻抗。隨著該阻抗從大到小減小，加在電機上的電壓由小逐漸增大，電機轉速逐漸上升，當接近額定轉速時，合上K2，斷開K1，軟起動結束，電機以額定轉速運行。

　　5．2軟起動實

　　實驗對象為Y90S-4型三相繞線電機，其額定功率1．1 kW，定子Y型連接，額定電壓380 V，額定電流2．7 A，頻率50 Hz，額定轉速1 390 r·min-1，功率因數(shù)為0．78。為驗證電力電子電抗器在電機軟起動中的應用效果，進行了電機全壓直接起動和帶電力電子電抗器軟起動兩種實驗。

　　電機空載全壓直接起動：直接合上K2，電機全壓直接起動，起動電流波形如圖7a所示。圖中，電機全壓直接起動時，起動過程很短，最大起動沖擊電流為13．7 A，為額定電流的5．1倍；帶電力電子電抗器軟起動：合上K1，電機帶電力電子電抗器軟起動，起動電流波形如圖7b所示。

　　電機帶電力電子電抗器起動時，起動過程明顯延長了，電機平滑地起動，最大起動沖擊電流為7．1 A，為額定電流的2．6倍。對比圖7a，b可見，與全壓直接起動相比，帶電力電子電抗器軟起動能減小電機起動電流，達到保護電機及減小電機起動對電網影響的目的。

　　6結論

　　電力電子電抗器的結構是對傳統(tǒng)機械式可變電抗器結構的創(chuàng)新，這種結構具有高壓與低壓隔離、無源阻抗變換、對元器件的耐壓要求低、阻抗無極調節(jié)等優(yōu)點。已成功運用于高壓電機軟起動、靜止無功補償器、動態(tài)諧波抑制、風機水泵的調速等方面，具有廣闊的應用價值。

電抗器的補償是無功功率因數(shù)

電抗器起什么作用