電力電子電抗器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與阻抗變換分析
摘要：可變電抗器是電力系統(tǒng)中調(diào)壓調(diào)功控制、諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。電力電子電抗器是一種新型的可變電抗器，它采用電磁技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)阻抗值的連續(xù)可調(diào)。這里介紹了電力電子電抗器的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)，分析了其阻抗變換原理，對其阻抗變換進(jìn)行了仿真，并將其應(yīng)用在電機(jī)軟起動(dòng)中，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于電力電子電抗器阻抗可連續(xù)變化的特性，可將其應(yīng)用在電機(jī)軟起動(dòng)、無功補(bǔ)償、諧波抑制等方面，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電抗器；阻抗變換；軟起動(dòng)
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?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)。
可變電抗器經(jīng)歷了從機(jī)械式到電磁式，再到電力電子式的發(fā)展過程。機(jī)械式可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)簡單，線性度好，但不能實(shí)現(xiàn)電感的平滑調(diào)節(jié)，目前應(yīng)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??；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(bǔ)償無功功率等方面應(yīng)用潛力大。其主要缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長，振動(dòng)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(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)阻抗值的連續(xù)無級(jí)可調(diào)。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(jié)合了傳統(tǒng)機(jī)械式電抗器和電磁式電抗器的優(yōu)點(diǎn)，對傳統(tǒng)電抗器進(jìn)行改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)無級(jí)可調(diào)，且高次諧波較小。
2 電力電子電抗器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的機(jī)械式電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用調(diào)節(jié)分接頭式的方式來改變電抗器的電感，僅能實(shí)現(xiàn)阻抗的有級(jí)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(shù)相結(jié)合，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙邊繞組結(jié)構(gòu)，其初級(jí)繞組與負(fù)載、電網(wǎng)串接、次級(jí)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(diào)節(jié)電抗變換器次級(jí)繞組的電流與阻抗，改變電抗變換器初級(jí)繞組的電流和阻抗，實(shí)現(xiàn)電抗器的阻抗變換。
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3 電力電子電抗器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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(gòu)成電力電子阻抗變換器，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角就可控制電抗器的等效阻抗值。其拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)如圖3所示。其一相的等效電路模型如圖4所示。
文獻(xiàn)已經(jīng)詳細(xì)推導(dǎo)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(jí)繞組ax端等效阻抗之間的關(guān)系為：
當(dāng)α=0°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，電力電子電抗器次級(jí)繞組相當(dāng)于短路，電流最大，初級(jí)繞組電流最大，此時(shí)電力電子電抗器初級(jí)繞組阻抗最小。
當(dāng)α=180°時(shí)，晶閘管關(guān)斷，電力電子電抗器二次繞組相當(dāng)于開路，電流最小，初級(jí)繞組電流最小，此時(shí)電力電子電抗器初級(jí)繞組阻抗最大。
當(dāng)α在0°～180°之間時(shí)，電力電子電抗器初級(jí)繞組阻抗介于最大值與最小值之間，且連續(xù)可調(diào)。
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(jìn)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(fù)載模塊等。
設(shè)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(jí)線圈參數(shù)：U1=104V，R1=2 mΩ，L1=0．05H；次級(jí)線圈參數(shù)：U2=25×105V，R2=2 mΩ，L2=0．05 H；磁阻Rm=200 Ω；勵(lì)磁電感Lm=200 H。晶閘管參數(shù)使用默認(rèn)值。設(shè)置Series RLC Branch的參數(shù)：R=100 Ω，L=0．05 H；C為inf，此時(shí)負(fù)載為感性負(fù)載。改變α得到仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)可描點(diǎn)繪出感性負(fù)載時(shí)α與電力電子電抗器的阻抗模值Z的關(guān)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(jí)繞組電壓增大，電流減小，初級(jí)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。
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5 電力電子電抗器的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)
5．1 電力電子電抗器式軟起動(dòng)器構(gòu)建
軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，首先合上K1，電力電子電抗器初級(jí)繞組與電機(jī)、電網(wǎng)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(jí)繞組的阻抗。隨著該阻抗從大到小減小，加在電機(jī)上的電壓由小逐漸增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，合上K2，斷開K1，軟起動(dòng)結(jié)束，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
5．2 軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)對象為Y90S-4型三相繞線電機(jī)，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(zhuǎn)速1 390 r·min-1，功率因數(shù)為0．78。為驗(yàn)證電力電子電抗器在電機(jī)軟起動(dòng)中的應(yīng)用效果，進(jìn)行了電機(jī)全壓直接起動(dòng)和帶電力電子電抗器軟起動(dòng)兩種實(shí)驗(yàn)。
電機(jī)空載全壓直接起動(dòng)：直接合上K2，電機(jī)全壓直接起動(dòng)，起動(dòng)電流波形如圖7a所示。圖中，電機(jī)全壓直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)過程很短，最大起動(dòng)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(dòng)：合上K1，電機(jī)帶電力電子電抗器軟起動(dòng)，起動(dòng)電流波形如圖7b所示。
電機(jī)帶電力電子電抗器起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)過程明顯延長了，電機(jī)平滑地起動(dòng)，最大起動(dòng)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(dòng)相比，帶電力電子電抗器軟起動(dòng)能減小電機(jī)起動(dòng)電流，達(dá)到保護(hù)電機(jī)及減小電機(jī)起動(dòng)對電網(wǎng)影響的目的。
6 結(jié)論
電力電子電抗器的結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)機(jī)械式可變電抗器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，這種結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。已成功運(yùn)用于高壓電機(jī)軟起動(dòng)、靜止無功補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)諧波抑制、風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速等方面，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
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