快速响应磁阀式可控电抗器的研究

摘要

作为一种新型动态无功补偿装置，磁阀式可控电抗器(Magnetic valveControllable Reactor-MCR)以其制造工艺简单、成本低廉、可靠性高等优点，在无功补偿领域受到越来越多的关注。但MCR响应速度较慢的问题限制了它在许多场合的应用，针对此问题，本文对快速响应磁阀式可控电抗器进行了研究。
　　本文简单介绍了磁阀式可控电抗器的结构和原理，通过对其磁路的简化等效，推导了其数学模型，列写了其5种不同工作状态下的电磁方程。采用铁芯小斜率磁化曲线模型和结合MCR的电磁方程，分析了其响应特性，得出了MCR调节时间的估算式，从而引出磁阀式可控电抗器存在响应速度慢的问题。在无功补偿领域，许多场合都希望装置具有响应速度快的特性，为此本文设计了一个以励磁电容为核心的快速响应电路，其拓扑结构包括快速励磁支路、自耦励磁支路和快速去磁支路。阐述了此快速响应MCR的工作原理和快速响应电路中可控开关的控制方案。
　　本文重点研究了快速响应MCR设计方法，通过参考变压器的设计理论，得到了MCR本体设计流程方案，确定了铁芯、绕组、磁阀及抽头比、损耗等电磁计算公式。针对电磁计算较为繁琐，开发了GUI输出界面辅助计算软件，并运用软件得到了电压等级为10kV，容量为300kVA的快速响应MCR电磁计算结果。开发了以TMS320F2812为主控芯片的快速响应MCR控制器，并详细介绍了硬件结构和软件流程图，包括电压电流调理电路、同步电压电路、晶闸管驱动电路、IGBT触发电路、主程序和中断服务程序。励磁电容的放电时间根据检测其两端电压是否为零为依据，由控制器开出量对可控开关进行控制。在此基础上，基于MATLAB仿真平台对MCR常规励磁和快速励磁进行了仿真模型搭建，对比两种励磁方式下工作电流和控制电流的响应特性仿真曲线，结果表明快速励磁下MCR响应速度明显得到提高。最后搭建了物理实验平台，进行了样机试验，测试了其控制特性和响应特性，实验结果验证了整套快速响应MCR设计的可行性与正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 可控电抗器的分类

1．2．1 传统机械式可控电抗器

1．2．2 PWM控制电抗器

1．2．3 晶闸管相控电抗器(TCR)

1．2．4 磁控电抗器

1．3 国内外的研究现状

1．4 本文主要内容

第2章 磁阀式可控电抗器工作原理及响应特性分析

2．1 磁阀式可控电抗器工作原理及结构形式

2．2 磁阀式可控电抗器的数学模型分析

2．2．1 磁路系统及方程

2．2．2 电磁方程

2．2．3 等效电路

2．3 响应特性分析

2．4 本章小结

第三章 快速响应磁阀式可控电抗器的原理

3．1 提高磁阀式可控电抗器响应速度的方法

3．1．1 提高直流励磁电压

3．1．2 外加直流助磁绕组的方法

3．1．3 利用电容快速充放电的方法

3．1．4 三种提高响应速度方法的比较

3．2 快速响应磁阀式可控电抗器的工作原理

3．2．1 快速响应设计的电路拓扑结构

3．2．2 工作原理分析

3．2．3 控制策略

3．3 本章小结

第四章 快速响应磁阀式可控电抗器设计

4．1 本体设计

4．1．1 铁芯计算

4．1．2 绕组的计算

4．1．3 主电抗占总电抗百分数的计算及其校验

4．1．4 磁阀结构及抽头比计算

4．1．5 损耗计算

4．1．6 励磁电容及初始电压的选择

4．1．7 GUI输出界面

4．2 控制器的设计

4．2．1 控制器的硬件设计

4．2．2 控制器的软件设计

4．3 本章小结

第5章 快速响应磁阀式可控电抗器仿真及其样机实验

5．1 仿真研究

5．1．1 磁阀式可控电抗器的仿真模型建立与分析

5．1．2 快速响应磁阀式可控电抗器的仿真模型建立与分析

5．2 样机试验

5．2．1 实验平台的搭建

5．2．2 控制特性测试

5．2．3 快速响应特性测试

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文