浅谈MCR型SVC原理及其应用.docx
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浅谈MCR型SVC原理及其应用
浅谈MCR型SVC原理及其应用
荣信电力电子股份有限公司陈哲
摘要目前，无功补偿的主要装置是电容器、电抗器和少量的动态无功补偿装置。
开关（断路器）投切电容器组的调节方式是离散的，不能取得理想的补偿效果。
开关投切电容所造成的涌流和过电压对系统和设备本身都十分有害。
现有静补装置如相控电抗器（TCR）型SVC不仅价格贵，而且占地面积大、结构复杂，有一定缺陷，大范围推广较为困难。
国内的一些厂家自1998年开始研制新型磁控电抗器（MCR）型SVC（简称MSVC），该装置具有输出谐波小、功耗低、免维护、结构简单、可靠性高﹑价格低廉﹑占地面积小等显著优点，是理想的动态无功补偿和电压调节设备，MSVC作为平衡电压，无功补偿的生力军，在强势的TCR型SVC阵地里抢得一席之地。
关键词配电系统电能质量静止无功补偿装置（SVC）MSVC
1、引言MSVC装置由补偿（滤波）支路和磁控电抗器（简称MCR）并联支路组成，其中补偿（滤波）支路经隔离开关固定接于母线，通过调节磁控电抗器的输出容量（感性无功），实现无功的柔性补偿。
因与原各类补偿装置的主要区别在于磁控电抗器，故下面集中对磁控电抗器（MCR）作介绍。
图1动态无功补偿装置（MSVC）一次系统图
2、磁控电抗器（MCR）
2.1.基本工作原理
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，连续性好。
图2单相磁控电抗器铁心、线圈示意图
当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2所示，在中间套有线圈的两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，且饱和的程度很高。
图3为铁心理想磁化曲线示意图，曲线中间部分为未饱和线性区，左、右两边为极限饱和线性区。
若使电抗器工作在极限饱和线性区，不仅可以减小谐波含量，同时亦能大幅降低铁心磁滞损耗，电抗器铁损控制在理想状态。
图3铁心磁饱和特性
2.2.原理接线图
磁控电抗器控制原理接线图如图4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
、
，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
接在两个线圈的中间。
图4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
，形成图5（a）所示的等效电路，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
，形成图5（b）所示的等效电路，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，产生的直流控制电流，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。
（a） （b）
图5可控硅导通等效电路
2.3.技术特性
2.3.1谐波特性
磁控电抗器产生的谐波比相控电抗器（TCR）小50%。
如图6所示，图中横坐标为电抗器输出基波电流标幺值，基准值为额定基波电流，纵坐标为电抗器产生谐波电流标幺值，基准值为额定基波电流。
可见最大3次谐波电流为额定基波电流的7%左右，5次谐波电流为2.5%左右。
图6磁控电抗器谐波电流分布
2.3.2伏安特性
磁控电抗器伏安特性如图7所示，可见，在一定控制导通角（等于180度－触发角）下，磁控电抗器伏安特性近似线性。
图7磁控电抗器伏安特性
2.3.3控制特性
磁控电抗器控制特性图8所示，图中横坐标为可控硅控制角度，纵坐标为电抗器在额定电压下的基波电流幅值标幺值，基准值为额定基波电流幅值。
由图可见，磁控电抗器输出电流（容量）随控制角增加而减少。
图8磁控电抗器控制特性
2.3.4响应时间
图9示出磁控电抗器5％抽取比时，从空载到额定或从额定到空载容量的电流过渡过程波形，时间约为0.3秒。
图9磁控电抗器调节过渡过程波形
2.4.技术优势：
2.4.1可靠性
2.4.1.1.磁控电抗器不需要外接直流励磁电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制
2.4.1.2.通过控制可控硅的控制角进行自动控制，可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，因此可以真正实现柔性补偿。
2.4.1.3.网侧绕组不需要抽头，所有绕组的联接也很简单，保证高压或特高压磁控电抗器的可靠性。
2.4.2安全性：
2.4.2.1.与TCR相比，MCR仅仅需一只二极管、两只可控硅，磁控电抗器可控硅不需要串、并联，承受电压只有总电压的1％～2％，运行稳定可靠。
2.4.2.2.可控硅动作，整流控制产生的谐波不流入外交流系统。
2.4.2.3.即使可控硅或二极管损坏，磁控电抗器也仅相当于一台空载变压器，不影响系统其他装置的运行。
2.4.2.4.接入三相系统的MCR采用△连接，并不是将磁控电抗器取代滤波电容中的串联电抗器，因此与电容器不会产生谐振。
当MCR容量与电容器容量相等时，发生并联谐振，等效阻抗为无穷大，相当于从系统中断开。
2.5.经济优势
2.5.1.采用低电压可控硅控制，设备投资少，后期免维护。
2.5.2.在相同电压下可提高30%的输电容量，降低输电线路的损耗。
2.5.3.可取消自耦变压器第三绕组以及补偿电容器，工程总造价降低
2.5.4.磁控电抗器结构简单，占地面积小，基础投资大大压缩。
2.5.5.MSVC自身有功损耗低，仅为TCR的50%。
3、补偿技术比较
3.1典型技术比较表
比较项目
MCR型SVC
TCR型SVC
开关投切
TSC
投资
中
大
中
大
运行方式
无级调节
（连续）
无级调节
（连续）
分级投切
（离散）
分级投切
（离散）
可靠性
免维护，使用寿命２５年
维护量大
维护量很大
维护量大
谐波水平
比TCR型小50%
5次:
6.5%,
7次:
3.7%
无
小
投切涌流
无
无
7倍以上
无
有功损耗
比TCR小50%
平均0.5%--0.8%
很小
小
占地面积
为TCR的1/10
很大，难布置
大
大
调节时间
0.3S
40ms
0.8S
40ms
过载能力
150%
无
无
无
电磁污染
无
辐射大量工频磁场，对人体危害
无
无
3.2.TCR型SVC的特点：
电感平衡部分的结构一般是由可控硅、平衡电抗器、控制设备及相应的辅助设备组成，其优缺点大致表现在以下几方面：
3.2.1晶闸管要长期运行在高电压和大电流工况下，容易被击穿，
3.2.2晶闸管发热量大，一般情况采用纯水冷却，除了要有一套水处理装置可靠的水源而外，还需配有监护维修人员。
3.2.3由于调整主电抗电感量只能靠控制可控硅器件的导通角，关闭则需靠交流电的过零特性，所以必然会产生不同程度的谐波电压污染电网。
3.2.4TCR型SVC最大的优点是调节速度很快，可以在毫秒时间内补偿系统的感性需求。
3.2.5需要较大的设备安装和运行工作位置，即占地面积很大。
３.3MCR型SVC的特点：
电感平衡部分的结构是由一台磁控电抗器组成，其优缺点大致表现在以下几方面：
3.3.1磁控电抗器控制部分的可控硅一般工作在系统额定电压的百分之几的水平上，由于是在控制磁阀的饱和度，所以无需很大的控制功率，晶闸管工作在低电压小电流的工况下，大大提高了系统的稳定运行系数。
3.3.2磁控电抗器本体就像一台变压器，可以采用不同的冷却方式，在35千伏电压等级以下均采用风冷和油冷两种自然冷却方式，所以没有辅助冷却设备，可以为无人值守的变配电系统配套使用。
3.3.3由于可控部分工作在直流运行方式，所以不会产生谐波电压，近乎于TCR型所产生谐波量一半以下的谐波是因为磁化的非线性过程造成的。
3.3.4磁控电抗器的缺点是反应速度比TCR型要慢，在0.3秒以上，与饱和速度成反比。
目前正开发反应速度更快的产品。
3.3.5磁控电抗器免维护、占地面积小、安装方便。
4、 MSVC在煤炭行业中的应用
4.1行业工况概述：
煤炭行业的矿井主要有立井和斜井两种，斜井的主要负荷是高压风机，还有传输带等，不存在快速变化的负载，运行工况很平稳。
但现在的矿井主要还是立井居多，其运行功况相对复杂，为了更好地了解其无功变化及谐波情况，就以我公司对安徽淮南潘三矿（年产400万吨）的配电系统进行了测量，并以此为依据，提出了MCR型SVC在煤炭行业中的典型方案。
煤炭行业的高压负载主要是通风机和提升机，其中通风机为连续运行设备，
变化部分体现在提升机，它的特点是变化周期快，谐波含量较大。
用传统的开关投切技术不能同时有效解决无功补偿和谐波治理。
4.2测试数据分析：
4.2.1无功功率，母线无功功率的变化没有明显时间规律，波动范围很大，最大的时候达到8200KVar，而最小的时候是2000KVar，在提升机启动的瞬间甚至更小，而且变化周期很短，母线无功变化曲线见图10。
其变化部分主要由提升机造成，当提升机启动的时候功率因数趋于零，正常运行后也只有0.5（见图11），而提升机的无功变化呈周期性变化。
图10母线无功变化曲线
图11提升机功率因数变化曲线
图12提升机无功功率变化曲线
4.2.2谐波水平
该系统的主要谐波源为12脉动直流电机（提升机），主要谐波成分为11次（2.31%）、13次（2.26%）、23次（0.95%）、25次（0.98%），使电流波形严重畸变（图12）。
图13提升机波形图及频谱
母线上的谐波情况：
由于变化器采用星型接法，而系统存在量的单相负载，造成三相不平衡，产生了3次谐波（图14）。
图14母线谐波及频谱图
由以上可见，母线的主要谐波为3次、11次、13次。
故在考虑设计滤波装置时建议采用四个滤波支路，即3次支路、5次支路、7次支路、11次及高通。
4.3补偿滤波方案
4.3.1基于以上分析
改系统无功补偿容量为5400KVar，安装容量为7200KVar，设四个滤波支路，其中3次支路、11次及高通容量为2400KVar，都采用固定投切，5次、7次支路采用真空接触器自动投切。
可以实现2000KVar—5400KVar的连续补偿。
注：
综合考虑滤波效果及设备成本，建议把提升机放在同一段母线，这样对于系统的两段母线来说，可以在有提升机的母线上装一套MCR型SVC，而在另一段母线装一套自动补偿即可满足要求。
4.3.2主要配置
电容器组采用柜式安装，主要配置为电容器、电抗器、喷逐式熔断器、真空接触器、隔离开关、高压熔断器、放电线圈、DWK/BR型自动控制器等。
磁控电抗器支路主要由磁控电抗器、自动控制器、晶闸管阀柜等。
3.3该方案的优点
3.3.1与纯开关自动投切相比，本方案采用MCR技术与自动补偿相结合的方法，完全可以达到无功功率的连续平滑补偿，避免过补或欠补。
3.3.2该方案大大降低真空接触器的投切次数，避免了对系统的冲击，同时延长补偿设备的使用寿命。
3.3.3该方案能够在保证补偿效果的同时，大大降低设备的投资。
结论MSVC以其工作电压低、流经电流小，响应动作快，连续可调，运行过程中免维护等优点，其安装后的运行效果均受到了用户的好评，随着技术的不断革新，MSVC也多用于电气化铁路、风电等领域。
参考文献：
[1]尹忠东，1997．磁阀式可控电抗器的理论研究及应用[硕士学位论文]．武汉：
武汉水利电力大学．
[2]傅霞飞，1999．新型可控电抗器研制取得巨大进展．华中电力，12（3）：
60~61
[3]S.Bhattacharya,Po-TaiCheng,D.M.Divan,1997.HybridSolutionsforImprovingPassiveFilterPerformanceinHighPowerApplications.IEEETransonIndustryApplication,vol:
33,Iss:
3:
732~747.
[4]张加恒，2004.电能质量中的谐波监测与治理「J」.通信世界:
97.
[5]王凤翔，耿大勇，2003．移相电抗器对变流器供电系统谐波抑制的机理研究[J]．中国电机工程学报，23
（2）：
54~57．
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