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1、磁饱和式和变压器式可控并联电抗器1 引言无功平衡是电网安全、可靠、经济运行的重要保证，对于超高压长距离输电网尤其如此。由于传统并联电抗器 SR（ Shunt Reactor）的功率不能自动连续平滑调节，它不能很好满足超高压长距离输电网无功平衡的需要。而对于静止晶闸管补偿器 STC（Static Thyristor Compensator） ，由于其技术复杂、造价昂贵、维护困难而不易在诸如俄罗斯、中国和印度等欠发达国家大量使用 1。有文献指出 2，SR 只应在已建成的容量有限的传统电网中使用，而进一步研制 STC 的工作应被停止。可控并联电抗器 CSR（Controllable Shunt Re
2、actor）具有功率自动连续平滑调节的固有特点，能在很短的时间内，从空载功率调节到额定功率，因此，在超高压长距离输电网中广泛使用 CSR 能够显著减少线路空载（轻载）损耗，提高电网可靠性和优化电网运行状况。有文献建议 2，在新建的电网中应该广泛使用 CSR，另外，CSR 也可用作消弧线圈。2 CSR 的工作原理和分类图 1 为三相组式 CSR 的接线和工作原理图。电压互感器和电流互感器对电网功率和电压的变化进行检测，当它们发生变化时，控制器给出控制信号，使变流器驱动 CSR 随着电网功率和电压的变化而平滑快速改变自己的输出无功，从而使电网无功总是达到平衡，电压水平维持在规定的范围内。控制单 元
3、晶 闸管电路断路器C S RP TC T输 电线图 1 三相 MCSR 的单线接线图大致来分，CSR 有磁饱和式可控电抗器（MCSR ：Magnetic Saturation Type Controllable Shunt Reactor）和变压器式可控电抗器（TCSR ：Transformer Type Controllable Shunt Reactor）两大类。3 磁饱和式可控电抗器 MCSRMCSR 是基于磁放大器原理工作的，图 2 是它的工作原理图 3。如图所示，当两个晶闸管都不导通时，可控电抗器工作于空载状态。当两个晶闸管在电源正负半周里依次导通和关断时，就可在绕组回路里产生相应的
4、直流环流，直流环流的大小取决于晶闸管导通角的大小。该环流产生的直流磁通改变了两个铁心的饱和程度，从而可以通过控制晶闸管的导通角来达到自动调节电抗器功率的目的。o o图 2 磁饱和式可控电抗器4 变压器式可控电抗器 TCSR上世纪 70 年代 4，BBC 公司研制了一种可控并联电抗器，与 MCSR 相比它具有电磁惯性小和响应快等优点，但是由于其存在电流谐波含量大和功率损耗大等缺陷而停止继续开发和生产。针对 BBC 电抗器的这一不足，俄罗斯学者在上世纪末提出了 TCSR 5。TCSR 的工作原理如图 3 所示。由图 3 可以看出，TCSR 实质上相当于高短路阻抗的多绕组变压器。HVW 为高压工作绕
5、组， CW1、CW 2、CW n 为低压控制绕组，各个 CW 中串接反并联晶闸管，每个CW 的额定功率是电抗器总额定功率的一部分，主要根据电网谐波要求而定。当第 i 个 CWi 投入工作时，第 1、2、i-1 个 CW 绕组均工作于短路状态，可以认为其中没有谐波电流存在，这样，HVW 中工作绕组中的电流谐波只由 CWi 的晶闸管的导通程度决定，因此，当依次把 CW 投入工作并正确控制晶闸管的导通和关断时，TCSR 的功率就可从空载功率到额定功率连续自动变化，而且满足谐波电流的要求。H V Wc w 1c w 2c w n图 3 变压器式可控电抗器5 MCSR 和 TCSR 的比较图 47 是
6、MCSR 和 TCSR 的稳态和过渡过程的仿真波形。由图 4 和图 5 可以看出，MCSR 在晶闸管触发角调节过程中，工作电流波形较 TCSR 的工作电流波形畸变严重，因此，MCSR 在挂网运行时，若不采取补偿措施，会对电网注入不能允许的谐波电流，相反，TCSR 的工作电流谐波含量要小得多。 比较图 6 和图 7 所示的 MCSR 和 TCSR 的由空载到额定负载的过渡过程波形，MCSR 的过渡时间大约是 15 个工频周期（0.3s） ，而 TCSR 的过渡过程是很快的，当控制好触发脉冲和电源电压的相位关系时（在电源电压达到正的峰值时触发晶闸管） ，可以实现一个稳态到另一个稳态的直接过渡，其间
7、没有过渡过程。显然，MCSR 较 TCSR 需要长得多的过渡时间。t （ s）1.9651.971.9751.981.985-0.8-.6-0.4-.20.20.4.60.81工作电流标么值（pu） 触 发 角 =0度触 发 角 54度触 发 角 9度触 发 角 =1度t （ s ）1 . 9 6 5 1 . 9 7 1 . 9 7 5 1 . 9 8 1 . 9 8 5- 1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81工作电流标么值（pu）触发角 = 0 度触发角 = 5 4 度触发角 = 9 0 度触发角 = 1 4 4 度图 4 M
8、CSR 稳态工作电流波形00.50.10.150.2-1-0.8-.6-0.4-.20.20.4.60.81 t （ s）工作电流标么值（pu） 触 发 角 0.度触 发 角 25度触 发 角 =4.度触 发 角 67度触 发 角 90度0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2- 1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81t （ s ）工作电流标么值（pu）触发 角 0 . 0 度触 发角2 2 . 5 度触发 角 = 4 5 . 0 度触发角 = 6 7 . 5 度触 发 角= 9 0 . 0 度图
9、 5 TCSR 稳态工作电流波形00.50.10.150.20.250.30.350.4-1-0.8-.6-0.4-.20.20.4.60.81 t （ s）工作电流标么值（pu）0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4- 1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81t （ s ）工作电流标么值（pu）图 6 MCSR 空载到额定负载的过渡过程00.20.40.60.80.10.120.140.16-1-0.8-.6-0.4-.20.20.4.60.81 t （
10、s）工作电流标么值（pu）0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6- 1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81t （ s ）工作电流标么值（pu）图 7 TCSR 空载到额定负载的过渡过程总之，与 SR 相比，MCSR 和 TCSR 具有功率自动连续平滑调节的突出优点；与 STC 相比，MCSR和 TCSR 本质上与普通变压器很类似，所以它们的制造技术可借用普通变压器的制造技术，工作条件和运行维护也没有特殊要求。但是，MCSR 存在如下两个缺陷 5
11、：（ 1） 、因为铁心的饱和而使 MCSR 的工作电流中含有不能允许的谐波成分；（2） 、由于直流偏磁的存在，使 MCSR 的电磁惯性大，响应速度慢。TCSR 正是针对 MCSR 的上述缺陷开始研制的，因此，对于 TCSR 来说，除了具有 MCSR 的优点以外，它的谐波电流更小，响应速度更快，功率损耗更小。6 MCSR 和 TCSR 的研究现状6.1 MCSR在国外，MCSR 的研究和开发工作主要集中在独联体国家，并取得了很大成绩。据报道已有产品上市。图 1 所示的电抗器是 MCSR 180/500: 3-Phase, 180 Mvar, 500kV，它的主要作用有：图.8 三相 MCSR 1
12、80/500: 180 Mvar, 500kV（1）自动补偿输电线容性充电无功； （2）把过电压限制在额定电压的 1.0%2.5%； （3）由于电网传输无功功率的最小化，功率传输损耗减少了 1520% ；（4）数十倍减轻控制电路开关动作的频度。 图 4 所示为消弧线圈 Single-Phase MCSR 自动消弧线圈，它的主要作用有：图 9 单相 MCSR 自动消弧线圈（1）自动补偿中性点不接地电网的接地故障容性电流 ；（2）防止单相接地故障向多相短路故障的扩展。国内的武汉水利水电学院等研究单位从上世纪 90年代初开始了对 MCSR 理论的跟踪研究，近几年已有实验样机（消弧线圈）的试运行。6.
13、2 TCSR俄罗斯学者 . . 在 1996 年首次提出了 TCSR 的基本理论，并逐渐展开研究，目前还未见产品上市报道。国内的西安交通大学等研究单位于进几年开始了TCSR 的研究，并取得了一定的理论成果。7 应用前景北美电力可靠性理事会在 2001 年 5 月指出， “国家正在面临或接近面临电网可靠性的危机。 ”因此开始发展柔性交流输电系统（FACTS） 。FACTS 的第一个特点就是可靠性。在我国，由于发电站与大城市人口密集地相距很远，需要建立长距离高电压输电线，而且大量水电站的建设联网，电网负荷波动较大，因此电网可靠、安全、经济运行尤为重要。所有这些，都希望电网时时处处达到无功平衡。CS
14、R 功率连续可调以及结构坚固、造价低廉和维护方便的特点使其具有广泛的应用前景。当然，CSR ，尤其是性能更好的TCSR 还处于研究开发阶段，但从其理论要求和技术储备来看，CSR 的商业运行应该指日可待。8 结论1、CSR 具有功率自动连续平滑调节的固有特点，能在很短的时间内，从空载功率调节到额定功率，对于电网无功平衡，保证电网可靠、安全、经济运行具有重要作用；2、MCSR 是基于磁放大器原理工作的，它的研制工作已经取得了很大进展，但它具有谐波电流含量大和响应速度慢的缺点。3、TCSR 是在总结 MCSR 优缺点的基础上提出的，其本质上相当于副边绕组依次工作于短路状态的高短路阻抗多绕组变压器，因
15、此除了具有 MCSR 的优点以外，TCSR 的谐波电流更小，响应速度更快，功率损耗更小。4、TCSR 的研究目前还是本学科的前沿课题，在理论和实践方面都具有很大的先进性。参考文献1 V.D.Golovchan， L.L.Dorozhko，V.M.Serokin。Comparison of Controllable Reactor and Thyristor DevicesJ。 Elektrotekhanika, 1994，Vol.65，No.1，pp.28-362 G.N.Aleksandrov，V.A.Kashina，T.V.Lisochina。 Economic Efficiency of
16、 AC Power Transmission with Controlled Shunt ReactorsJ。Elektrotekhanika，1991，Vol.62，No.2， pp.6-113 L. I. Dorozhko。Controlled Electrical Reactors for Power Systems J。Elektrichestvo，1992，No. 10，pp.1-44 K. Reichert，J.Kauferle，H. Glavitsch。Controllable Reactor Compensator for More Extensive Utilization of High voltage Transmission SystemsJ。International Conference on Large High Voltage Electrical Systems， 19
