CN105119545A - 一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，解决了现有的磁控电抗器响应速度慢，无法满足电压闪变治理要求的缺陷，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，励磁控制点单元与磁控电抗器本体抽头相连形成两象限电压源，经电压闭环控制，作为励磁控制单元的辅助高压源，实现磁控电抗器快速调节输出，解决电压闪变治理、快速变化负荷的无功补偿，并能满足目前风力发电、光伏发电以及其他电力***要求的在低电压穿越条件下的无功输出要求。
Description
技术领域
本发明涉及无功补偿领域，尤其是一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置。
背景技术
磁控电抗器（magneticallycontrolledreactor，简称MCR），是一种采用直流助磁原理，通过利用附加励磁电流磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值连续可调的装置。磁控电抗器结合电容器组组成的动态无功补偿装置（MCR型SVC）已成为目前电力***无功补偿的重要技术之一。
传统的磁控电抗器型SVC与TCR型SVC相比具有可靠性高、占地面积小、免维护等显著优势，成本上也有较强竞争力；但由于传统的磁控电抗器型SVC响应时间速度稍慢（通常在100~300ms左右），满足不了目前电力***要求的低电压穿越条件下的无功输出要求，同时在跟踪快速变化的负荷上（如电弧炉等）补偿效果欠佳，也满足不了电压闪变治理要求。
发明内容
本发明解决了现有的磁控电抗器响应速度慢，无法满足电压闪变治理要求的缺陷，提供一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，从电抗器本体抽头取电，并由整流状态和逆变状态可切换的整流模块给励磁控制回路供电，实现磁控电抗器快速调节输出，结合固定电容器组，解决电压闪变治理问题。
本发明还解决了现有的磁控电抗器响应速度慢，跟踪快速变化的负荷上补偿效果欠佳的缺陷，提供一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，从电抗器本体抽头取电，并由整流状态和逆变状态可切换的整流模块给励磁控制回路供电，实现磁控电抗器快速调节输出，解决快速变化负荷的无功补偿。
本发明还解决了现有的磁控电抗器响应速度慢，无法满足目前电力***要求的低电压穿越条件下的无功输出要求的缺陷，提供一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，从电抗器本体抽头取电，并由整流状态和逆变状态可切换的整流模块给励磁控制回路供电，实现磁控电抗器快速调节输出，并能满足目前风力发电、光伏发电以及其他电力***要求的在低电压穿越条件下的无功输出要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K1、K2组成，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；所述的励磁控制单元；常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放。
两象限电压源连接于磁控电抗器本体抽头和励磁控制单元之间作为励磁控制单元的辅助高压电源，通过从抽头取电，再经过电压闭环控制，实现两象限内电压输出；当工作于快速升磁模式时，电压源工作于整流状态，并给励磁控制单元提供一个正向高压电压，使励磁控制单元电流快速上到需要的电流；当工作于快速退磁模式时，电压源工作于逆变状态，并给励磁控制单元提供一个反向高压电压，励磁控制单元电流快速下降到需要的电流；当工作于常规励磁模式时，电压源给励磁控制单元提供一个正向常规励磁电压，励磁控制单元电流随着常规励磁电压的变化正常调节；控制器通过采集电压/电流等信号，通过相关算法，判断出磁控电抗器的工作模式，并进行对应控制输出。
作为优选，常规励磁电路包括一对SCR或全控型开关、一个高压二极管D1。
作为优选，K1为IGBT等全控型功率半导体开关。
作为优选，K2为双向全控型功率半导体开关。
作为优选，***控制器通过光纤控制励磁控制单元。
第二种方案：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带两个辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2和切换开关K1、K2、K3，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2的输出端分别经K1、K2、K3串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2、K3断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，K3断开，高压辅助电源1向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2断开，K3导通，高压辅助电源2向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源2释放。
作为优选，常规励磁电路包括一对SCR（或全控型开关）、一个高压二极管D1。
作为优选，K1为IGBT等全控型功率半导体开关。
作为优选，K2、K3为逆阻型全控型功率半导体开关。
或者：K2、K3由IGBT等全控型功率半导体开关和高压二极管串联构成。
第三种方案：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K2，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；高压辅助电源的输出端K2串联后和常规励磁电路并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值。
第四种方案：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、具有反向过电压吸收能力的高压辅助电源和切换开关K1、K2，励磁控制单元的输入端ac13、ac23连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放。
作为优选，控制器与励磁控制单元之间、控制器与辅助电压源之间连接有光电触发回路。光电触发回路实现主回路与控制信号之间的可靠隔离。
本发明的有益效果是：励磁控制点单元与磁控电抗器本体抽头相连形成两象限电压源，经电压闭环控制，作为励磁控制单元的辅助高压源，实现磁控电抗器快速调节输出，解决电压闪变治理、快速变化负荷的无功补偿，并能满足目前风力发电、光伏发电以及其他电力***要求的在低电压穿越条件下的无功输出要求。
附图说明
图1是本发明一种磁控电抗器本体绕组示意图；
图2是本发明一种结构示意图；
图3是本发明一种励磁控制单元结构示意图；
图4是本发明第二种励磁控制单元结构示意图；
图5是本发明第三种励磁控制单元结构示意图；
图6是本发明第四种励磁控制单元结构示意图；
图7是本发明一种SCR和二极管组合的励磁电路；
图8是本发明一种IGBT开关结构示意图；
图9是本发明一种IGBT构成的双向开关示意图；
图10是本发明一种IGBT与二极管串联而成的开关示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置（参见图1图2图3），包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器。所述的励磁控制单元，其输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器。所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K1、K2组成，常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端。常规励磁电路包括一对SCR和一个高压二极管D1，高压二极管D1与一个SCR相串联，另一个SCR与高压二极管D1相并联。K1为IGBT全控型功率半导体开关（参见图8），K2为双向全控型功率半导体开关（参见图9），***控制器通过光纤控制励磁控制单元。
快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放。
实施例2：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置（参见图4），包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带两个辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于：所述的励磁控制单元，其输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2和切换开关K1、K2、K3组成；常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2的输出端分别经K1、K2、K3串联后并联形成励磁控制单元的输出端。常规励磁电路包括一对SCR、一个高压二极管D1，K1为IGBT全控型功率半导体开关，K2、K3为逆阻型全控型功率半导体开关。
快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2、K3断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，K3断开，高压辅助电源1向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2断开，K3导通，高压辅助电源2向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源2释放。
实施例3：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置（参见图5），包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于：所述的励磁控制单元，其输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K2组成；高压辅助电源的输出端K2串联后和常规励磁电路并联形成励磁控制单元的输出端。K1为IGBT全控型功率半导体开关，K2为双向全控型功率半导体开关。
快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值。
实施例4：一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置（参见图6），包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于：所述的励磁控制单元，其输入端ac13、ac23连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、具有反向过电压吸收能力的高压辅助电源和切换开关K1、K2组成；常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端。K1为IGBT全控型功率半导体开关，K2为双向全控型功率半导体开关。
快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放
以上所述的实施例只是本发明的几种较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K1、K2组成，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；所述的励磁控制单元；常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放。
2.根据权利要求1所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于常规励磁电路包括一对SCR或全控型开关、一个高压二极管D1。
3.根据权利要求1所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于K1为IGBT等全控型功率半导体开关。
4.根据权利要求1所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于K2为双向全控型功率半导体开关。
5.根据权利要求1所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于***控制器通过光纤控制励磁控制单元。
6.一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带两个辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2和切换开关K1、K2、K3，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；常规励磁电路、高压辅助电源1、高压辅助电源2的输出端分别经K1、K2、K3串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下三种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2、K3断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K1断开，K2导通，K3断开，高压辅助电源1向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值；
（3）快速退磁模式，K1断开，K2断开，K3导通，高压辅助电源2向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源2释放。
7.根据权利要求6所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于常规励磁电路包括一对SCR或全控型开关、一个高压二极管D1。
8.根据权利要求6所述的一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，其特征在于K1为IGBT等全控型功率半导体开关；K2、K3为逆阻型全控型功率半导体开关；或者：K2、K3由IGBT等全控型功率半导体开关和高压二极管串联构成。
9.一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、高压辅助电源和切换开关K2，励磁控制单元的输入端ac12、ac22连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；高压辅助电源的输出端K2串联后和常规励磁电路并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速升磁模式，K2导通，高压辅助电源输出电压为正，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加正向高压，使励磁电流快速上升到一个较高的设定值。
10.一种新型电压源控制的快速响应磁控电抗器装置，包括由带小截面结构的铁芯和绕在铁芯上的四个交叉连接的并联线圈组成的磁控电抗器本体，带辅助高压电源的励磁控制单元、控制器等，其特征在于所述的励磁控制单元，包含常规励磁电路、具有反向过电压吸收能力的高压辅助电源和切换开关K1、K2，励磁控制单元的输入端ac13、ac23连接于磁控电抗器本体低位抽头ac1、ac2形成两象限电压源，输出端dc12、dc22连接于磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2，控制端连接于本装置的控制器；常规励磁电路和高压辅助电源的输出端分别经K1、K2串联后并联形成励磁控制单元的输出端；快速响应磁控电抗器装置按以下两种模式工作：
（1）常规励磁模式，K1导通，K2断开，常规励磁电路提供直流助磁电流，改变铁心磁导率，实现电抗值调节；
（2）快速退磁模式，K1断开，K2导通，高压辅助电源输出电压为负，并向磁控电抗器的励磁连接点dc1、dc2施加反向高压，使励磁电流快速下降到一个较低的设定值，励磁能量释放产生的反向过电压的则通过高压辅助电源释放。
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