磁阀式可控电抗器控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种磁阀式可控电抗器控制系统，它包括电抗器和控制器，所述电抗器包括外绝缘筒，所述外绝缘筒上端设有上端盖部分，下端与下端盖部分连接，上端盖部分包括电抗器高压端子和上端盖，下端盖部分包括电抗器低压端子，脉冲控制线端子和下端盖，在下端盖内表面上固定有电抗器主体，所述电抗器铁芯上端设有绝缘支架，绝缘支架上设有晶闸管组件和脉冲变压器，脉冲变压器与脉冲控制线端子连接，所述控制器包括控制器主体；所述控制器主体与脉冲控制线端子连接。本发明的有益效果是，磁阀式可控电抗器控制系统制造工艺简单，成本低，损耗小，谐波小，对于提高电网的输电能力、调整电网电压、补偿无功功率以及限制过电压均有较大的应用潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电抗器自动化控制系统，尤其涉及一种磁阀式可控电抗器控制系统及控 制方法。

背景技术

我国幅员辽阔，能源分布不均，“西电东送，南北互供”是我国电力系统发展的基本国 策。这决定了我国电力系统输电网庞大，存在大量的远距离输电线路。在大电网的条件下， 如何将电能从发电厂安全高效地输送到配电系统所在的负荷中心，如何为用户提供高质量的 电能，如何有效减小无功对电网的污染，保证电网的安全高效运行成为电气工程领域最为重 要的研究课题之一。

输电系统的无功补偿是通过提高有功功率的最大传输能力来提高交流系统稳定性，并有 利于保持各级电力系统的电压稳定。它能改善高压直流输电转换终端性能，提高传输效率， 控制稳态和暂态过电压，避免系统崩溃。

串联和并联无功补偿通常用来改善交流电力系统的固有电气特性。串联补偿改变的是输 电系统或配电系统的参数，而并联补偿改变的是负载的等效阻抗。二者都可以对系统的无功 潮流进行有效控制，从而提高整个交流电力系统的性能。

静止无功补偿器(Static Var Compensator-SVC)是国外70年代发展起来一类快速无功 调节装置，已成功地应用于电气化铁路、冶金、电力、采矿和高能加速器等负荷的补偿上。 这类装置在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面 比同步调相机具有明显的优势，能够获得较好的技术经济效益，因而在国内外取得了较快的 发展。

主流的SVC主要有三类：晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，简称TSC)， 晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，简称TCR)，磁阀式可控电抗器(Magnetic  valve Control lable Reactor，简称MCR)。

TSC控制简单，成本较低，并且无谐波电流，适合在电网的低压负载端进行分散无功补 偿。但只能分组投切电容器，不能连续调节无功功率。

TCR可以平滑调节容量且响应速度较快，在中压电力线路(6～35KV)的无功补偿上得到 了大量应用。但是TCR是通过控制晶闸管触发相位角来直接控制电抗器输出电流，输出电流 畸变非常严重，波形呈锯齿形，是一个很大的谐波源，必须和滤波电容器组(Filter  Capacitor，简称FC)同时运行。TCR的大量使用，会造成电能质量的大幅度下降，并且给 电网的安全运行带来新的威胁。此外，TCR系统中晶闸管和电抗器处于同一电压之下，限制 了它在110kV及以上电压等级电网上的应用。

SVC是当前各种无功补偿设备中应用最广泛、技术最成熟的无功补偿设备。基于全控器 件的无功补偿技术(SVG、APF)存在器件核心技术被外国公司垄断、成本高、高压应用技术 不够成熟等缺点，在今后一段时间内在中高压领域将还不能取代SVC。

在目前主要的三种SVC(TCR、MCR和TSC)中，MCR在中高压无功补偿领域具有明显的技 术和价格的优势，适合大规模推广使用。高性能的控制器能够使MCR的性能得到大幅度的提 高，这使得设计和开发一套适合工业应用的高性能MCR控制器成为一件非常有意义的工作。

国内外研究动态及存在问题。

MCR在国外已有20多年的运行经验，有50多套35～500kV电压等级的MCR在俄罗斯、 独联体国家和巴西的工程中应用。2005年俄罗斯已研制出500kV、180Mvar三相磁阀式可 控电抗器。由于认识到MCR在高压大功率领域的优势，欧洲许多国家也开始对MCR进行深入 的研究。

在国内，20世纪90年代初开展了这方面的研究，已成功地研究出了应用于配电网的磁 阀式补偿装置和消弧线圈，并在多个电气化铁道牵引站中投运。高校也展开了这方面的研究， 并获得了较大进展。相关单位及厂家对超高压MCR和超高压高阻抗变压器式可控电抗器 (Transformer Type Controlled Shunt Reactor，简称TCSR)进行了研究和试生产。

2006年4月，相关单位及厂家联合进行110千伏可控电抗器的开发与应用研究。2007年 4月，研制出国内首台110千伏MCR，并通过了出厂试验及相关型式试验，6月，完成安装调 试并投运成功。2006年由厂家研制的500kV三相40Mvar的MCR样机(裂芯式)通过厂内试验， 2007年4月运抵现场并试运行。

由于MCR应用在国际上属于较新的技术，在国内尚属理论阶段或试运行阶段，尚未大范 围深入展开，许多技术细节并未涉及。造成技术上还不成熟。具体表现在：

1、现有电抗器采用铁质油箱，运行时漏磁比较大，，油箱箱壁会产生涡流损耗，必要时 还得在箱壁加磁屏蔽，导致油箱体积变大。

2、其次，现有的电抗器顶部出线采用出线柱，铁质油箱需要采用2只72kV的高压套管， 这样油箱高度增加。场强不均压，容易造成局部放电。

3、运行时由于漏磁的存在，铁质油箱的箱底、箱盖存在过热现象。

4、晶闸管的安装通常设置在电抗器外部，电抗器体积较大，对场地和绝缘都提出更高和 多的要求，同时也增加安装工作量。

5、现实中电抗器在理论上的分析性工作较多，真正付诸实施的较少，特别是高压或特高 压领域以及对绝缘有较高要求的领域存在更多的空白。

6、在控制器方面，国内大部分厂家研究生产的MCR控制器大都是以80C196为核心，存 在控制速度慢，采样精度不够高，人机界面不够友好等缺点，严重制约了MCR性能的发挥和 产品的推广。此外由于MCR应用在国际上属于较新的技术，在国内尚属理论阶段或试运行阶 段，尚未大范围深入展开，造成我国在实施方面技术上还不成熟。

7、现实中电抗器控制器在理论上的分析性工作较多，实施中的设计方案较为复杂，多采 用光纤通信，接线复杂，保养维护工序繁琐，对操作人员业务要求高，造成实施和维护难度 较高，特别是高压或特高压领域对绝缘要求有较高要求的情况下，真正付诸实施的较少。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种磁阀式可控电抗器控制系统及控 制方法，它具有设计合理，运行可靠，高性能、成本低的优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种磁阀式可控电抗器控制系统，它包括电抗器和控制器，所述电抗器包括外绝缘筒， 所述外绝缘筒上端设有上端盖部分，下端与下端盖部分连接，上端盖部分包括电抗器高压端 子和上端盖，下端盖部分包括电抗器低压端子，脉冲控制线端子和下端盖，在下端盖内表面 上固定有电抗器主体，所述电抗器主体包括电抗器铁芯，所述电抗器铁芯上设有电抗器主绕 组，所述电抗器主绕组分别与电抗器高压端子、电抗器低压端子连接，所述电抗器铁芯上端 设有绝缘支架，绝缘支架上设有晶闸管组件和脉冲变压器，所述晶闸管组件与脉冲变压器连 接，脉冲变压器与脉冲控制线端子连接，所述脉冲变压器磁通方向与电抗器主绕组磁通方向 正交；所述外绝缘筒内注有绝缘油；所述控制器包括控制器主体；所述控制器主体与脉冲控 制线端子连接。

所述上端盖部分包括由上往下设置的上端盖、上法兰及温升缓冲气囊；所述下端盖部分 包括与外绝缘筒下端连接的下法兰以及与下法兰连接的下端盖，所述下端盖的下部还设有绝 缘底座；所述电抗器低压端子设在下法兰上；所述电抗器高压端子、电抗器低压端子与内部 电抗体主体连接线路中设有高压引线套管；所述电抗器高压端子的高压端子引线感应耐压 115kV，电抗器低压端子引线工频耐压45kV；所述外绝缘筒、上端盖、上法兰、下端盖、下 法兰涂有环氧清漆。

所述电抗器主体为自励式直流电源励磁控制方式，电抗器铁芯设有用于直流磁通流动的 铁芯横轭，电抗器铁芯上端设有绝缘支架，所述高压引线套管设在绝缘支架上，在电抗器铁 芯下端设有与下法兰及下端盖固定连接的铁芯定位组件；所述铁芯定位组件包括通过与绝缘 底座固定连接的角铁以及在角铁上设有的螺栓夹持的电工层压木。

所述电抗器铁芯为两个，所述电抗器主绕组包括分别独立绕制在两个铁芯上的两个主线 圈，每个主线圈分为4段，每段为层式结构；两个铁芯两端之间通过横轭连接。

所述电抗器主绕组中还设有用于低压外励磁直流激磁绕组；所述绝缘支架包括固定晶闸 管组件的电工层压木，层压木通过螺栓夹件与两个铁芯上端固定连接，与晶闸管组件控制端 连接的脉冲变压器的脉冲控制线上设有夹持木件，脉冲控制线与底部引出的脉冲控制线端子 连接。

所述外绝缘筒为环氧玻璃丝缠绕筒，绝缘底座为高度500mm的环氧玻璃丝底座。

所述上端盖边缘处设有连接电抗器内、外部的出气孔；所述出气孔孔道与上端盖水平面 呈-3°～-5°夹角；所述出气孔孔道内嵌有非金属弯管。

所述电抗器高压端子或电抗器低压端子为出线导电杆，所述出线导电杆一端为出线导电 杆螺栓，另一端为出线导电杆固定部；出线导电杆固定部直径大于出线导电杆螺栓直径，所 述出线导电杆螺栓端设有两侧为螺母，螺母之间设有碟形弹簧、平垫片组合而成的夹线结构， 在夹线结构与出线导电杆固定部之间的螺杆上设有螺母、平垫片和矩形截面密封垫圈，所述 出线导电杆固定部上设有盲孔；盲孔与出线导电杆同轴向，所述盲孔内设有内螺纹；所述导 电杆接线端钮上设有螺杆，所述螺杆与固定端盲孔内螺纹配合连接；所述导电杆螺栓34直径 与固定部设有的盲孔直径相同；所述导电杆螺栓与固定端盲孔螺纹螺距相同；所述矩形截面密 封垫圈为耐油橡胶；所述出线导电杆和导电杆接线端钮为紫铜镀锡。

所述控制器主体为DSP+ARM架构，所述DSP和ARM分别与电源处理模块连接；DSP和 ARM通过双口RAM连接；模拟量模块包括AD芯片，所述DSP输入端与AD芯片连接，DSP输 出端与电信号输出模块连接，所述DSP还与时钟芯片和非易失性存储器连接，所述控制器主 体中的ARM与上位机通过ARM串行端口或ARM网口通讯；所述DSP与外部状态指示灯连接， 所述DSP芯片为TMS320F28335；DSP处理器还连接JTAG芯片内部测试接口；所述ARM芯 片S3C2410A，所述AD芯片与外部PT和CT连接；所述外部PT和CT用于测量电网中的线电 压和线电流。所述电信号输出模块包括绝缘胶木板，在绝缘胶木板设有接线柱，所述接线柱 一端与DSP输出引脚连接，另一端通过双绞线或屏蔽线与电抗器中的脉冲变压器连接。

磁阀式可控电抗器控制系统的控制方法，它包括如下步骤：

1、DSP通过电网的电压传感器、电流传感器进行交流采样得到当前系统状态；所述电压 传感器、电流传感器对电网线路进行线电压和线电流采集，所述交流采样中DSP中采用比较 式数字滤波器和积分式数字滤波器两种数字滤波器串联联合滤波方式；随后对滤波后的线电 压和线电流的进行数字锁相倍频采样，通过AD转换中断服务程序对电网的线电压有效值、线 电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数各状态量进行计算；

2、通过与ARM连接的触摸屏操作选择电压调整或功率因数调整两种控制模式之一；采集 的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准； DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角；所述控制程序包括基于DSP的闭环控制算法；

3、DSP根据计算的移相角度结合移相基准，以及要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相 或三相，相应生成单相或三相触发信号触发信号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控 制磁阀式可控电抗器，脉冲变压器发出脉冲串保障磁阀式可控电抗器MCR上相应的晶闸管可 靠的激发；

所述数字锁相倍频采样包括：

I、DSP有捕获模块CAP获取当前信号频率，根据需要控制的磁阀式可控电抗器具体为单 相或三相对捕获模块CAP进行取舍使用；所述电力系统频率为所测线电压的两次正向过零点 的时间差的倒数；任意一相线电压的同步信号输入到CAP1输入口上，通过软件配置，CAP1 的硬件捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；从而频率求为：f＝1/T，将其作为基波的电网 线电压信号频率；通过线电压信号频率，同一相的线电流频率同时得到；

Ii、将采样频率设定为采集到的作为基波的电网线电压或线电流信号频率的128倍，需 要分析的最高次谐波为32次，因此低通滤波器的截至频率选为50×32＝3.2kHz，滤去32次 以上的高次谐波，有效地防止采样混叠现象；

Iii、所述数字锁相倍频是由DSP编程实现，因为数字电路能够实现精确同步输出，所以 省略反馈环节，采用开环设计原理；此数字锁相倍频也称之为同相倍频；

当同步倍频信号输入到AD模块的ADSOC控制口上；通过软件设置，使同步倍频信号每一 次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；中断服务程序中存 储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算，按各物理量的离散 计算公式，计算出电网的线电压、线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值， 通过双口RAM与ARM实现数据共享，作为控制和显示的输入量；

所述闭环控制算法：控制器采取了两种控制策略：用户根据实际情况，通过触摸屏操作 选择不同的控制模式；电压调整控制模式和功率因数调整控制模式；电压调整控制模式以电 网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功 率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率 因数稳定在设定的功率因数点上；根据控制原理，若以电压为控制目标，给定电压调节目标 值，引入电压负反馈；通过检测到的电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到 PI调节环节，PI调节器计算出输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大 小，改变电网电压；

同样，若要以功率因数调整控制模式，给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈， 计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率 因数角和给定参考电压进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应 该输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数；

两种算法离散化后在DSP上实现；PI调节器的时间常数与MCR本身的响应时间常数相 适应；

采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移 相基准，DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角度，DSP根据收到的移相角度和移相基准， 产生触发信号，为了可靠触发晶闸管，针对脉冲变压器采用对触发脉冲进行软件同相载波细 分成多个脉冲串的方法触发。

磁阀式可控电抗器为单相或将磁阀式可控电抗器通过组合成为三相，由于外形为绝缘筒， 导电出线杆设置在上、下端盖的侧面，因此可以叠摞和组合安装，这在场地空间有限，电气 绝缘要求高的变配电站等电力设施安放场所是难能可贵的。每相输出感性无功范围为 0-720kVar，设计时按照末端即低压端子引线工频耐压15kV(工频耐压45kV)，首端即高压端 子引线电压72kV(感应耐压115kV)设计。其中末端接励磁变压器的输出端，首端接油浸式 空心电抗器。脉冲触发屏蔽电缆，便于户外接线，电抗器控制器对线电压或线电流正弦信号 进行采样，对线电压或线电流通过过零比较得到同步信号，将过零点信号作为移相基准；若 磁阀式可控电抗器是组合为单相，DSP根据采用所得的对应相计算的触发角度，产生触发信 号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控制磁阀式可控电抗器，若磁阀式可控电抗器是 组合为三相的，DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角；DSP根据计算的移相角度结合 移相基准，产生触发信号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控制磁阀式可控电抗器， 脉冲变压器发出脉冲串保障磁阀式可控电抗器MCR上相应的晶闸管可靠的激发。

晶闸管组件包括与两个晶闸管以及与它们的门极分别连接的晶闸管触发电路，

铁芯定位组件包括用角铁夹持的电工层压木，所述角铁上的螺栓与底座固定连接。

本发明通过调节晶闸管的触发时间，调整整流直流大小，来控制铁心的饱和度，从而达 到调节铁心电抗及输出容量的目的。

外绝缘筒采用环氧玻璃丝缠绕筒，底座为高度500mm的环氧玻璃丝底座。

晶闸管固定在绝缘支架的电工层压木上，电工层压木通过螺栓夹件与铁芯上端固定连接， 这样晶闸管与本体处于绝缘状态，保证晶闸管的可靠运行。与晶闸管控制端连接的脉冲变压 器的脉冲控制线上设有夹持木件，脉冲控制线与底部引出的脉冲控制线端子连接。晶闸管放 在油中，其对地绝缘距离缩小。

内部绝缘结构设计：

本发明容量小，电压等级高，所以线圈的匝数多，为了缩小本发明的体积。线圈分为4 段，每段为层式设计。这样大大缩小了器身的体积，并且匝间场强低。局部放电小。

磁阀式可控电抗器控制系统的工作原理：

磁阀式可控电抗器控制系统通过嵌入式控制器对磁阀式可控电抗器(Magnetic valve  Controllable Reactor，MCR)的晶闸管的触发角进行控制，借助控制回路直流控制电流的激 磁来改变铁芯的磁饱和度，从而达到平滑调节其无功容量输出的电磁装置。“磁阀”的概念 是前苏联学者在1986年提出的。通常情况下，它包括每相设有的四柱铁芯结构，所述四柱铁 芯结构的中间工作铁芯柱I和II上分别设有至少一个小截面段，所述工作铁芯柱I的上下至 少分别对称地绕有匝数相等的线圈A、B、所述工作铁芯柱II的上下至少分别对称地绕有匝 数相等的线圈C、D，所述线圈A、B、C、D匝数均相等；所述的线圈A、B、C、D分别设有中 心抽头a、b、c、d，所述的中心抽头a、b分别与晶闸管阳极和阴极连接，所述的中心抽头c、 d分别与晶闸管阴极和阳极连接，线圈A与D、B与C交叉连接后与电网相线并联，所述线圈 A和C的交叉连接端点侧或B和D交叉连接端点侧之间跨接有续流二极管，所述续流二极管 阳极位于线圈A或B交叉端点侧上。

所述四柱铁芯采用高导磁冷轧硅钢片。

所述续流二极管，对晶闸管K1、K2续流，有利于晶闸管K1、K2的关断，所述晶闸管K1、 K2用于改变控制电流的大小，从而改变磁阀铁芯的磁饱和度，实现平滑地调节可控电抗器的 容量。

磁阀式可控电抗器控制系统具有一段或多段小截面铁芯，在整个容量调节范围内，只有 小截面铁芯饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段铁芯的饱和程度来改变 电抗器的容量。它基于偏磁可调原理，即通过改变晶闸管的触发角来改变直流励磁电流的大 小，进而改变铁芯的饱和程度，达到平滑调节无功的目的。低压外励磁直流激磁绕组可以弥 补内部励磁的不足实现混合方式提供直流磁通。

本发明有益效果是：

磁阀式可控电抗器制造工艺简单，成本低，损耗小，谐波小，电压适用范围宽，对于提 高电网的输电能力、调整电网电压、补偿无功功率以及限制过电压均有较大的应用潜力。

相对于长方形铁质变压器油箱，本发明外形尺寸小、美观、运输方便。将晶闸管内置在 电抗器外绝缘筒内，简化接线流程，整体结构紧凑，实施性好。

本发明克服铁质油箱，油箱箱壁会产生涡流损耗，同时电抗器运行时漏磁比较大，必要 时需在箱壁加磁屏蔽，导致油箱体积会变大的不足。

其次，本发明克服铁质油箱采用2只72kV的高压套管油箱高度增加的技术问题。

本发明采用环氧玻璃丝油箱，顶部出线采用导电杆出线，由于外形为绝缘筒，导电出线 杆设置在上、下端盖的侧面，因此可以叠摞和组合安装，这在场地空间有限，电气绝缘要求 高的变配电站等电力设施安放场所是难能可贵的，同时本发明场强均压，有效避免造成局部 放电。本发明油箱箱底与箱盖不会过热。避免铁质油箱中，由于漏磁的存在，箱底箱盖会过 热。

本发明的增加一个绝缘底座，避免对地放电。

附图说明

图1a为单相MCR的结构示意图；

图1b为单相MCR的原理示意图；

图2为磁阀式可控电抗器控制系统机械结构示意图；

图3A.为K1导通时MCR的等效电路示意图；

图3B.为K2导通时MCR的等效电路示意图；

图4A磁阀式可控电抗器的磁路示意图；

图4B磁阀式可控电抗器磁路等效图；

图5A磁阀式可控电抗器在磁阀完全关闭下磁力线分布示意图；

图5B磁阀式可控电抗器在磁阀完全打开下磁力线分布示意图；

图5C磁阀式可控电抗器在磁阀部分关闭下磁力线分布示意图；

图6为MCR工作状态分析仿真示意图；

图7为MCR工作状态仿真结果示意图；

图8为磁阀式可控电抗器导电螺杆结构示意图；

图9为磁阀式可控电抗器控制器原理示意图；

图10为DSP锁相环原理框图；

图11为MCR电压控制模式示意图；

图12为MCR功率因数控制模式示意图；

图13为触发信号生成电路原理；

图14A为中断服务程序的流程图；

图14B为中断服务程序的流程图；

图15为控制系统控制方法的流程图。

图中：1.线圈A，2.续流二极管，3.晶闸管K1，4.铁芯柱I，5.铁芯柱II，6.电抗器高 压端子，7.密封胶，8.高压引线套管，9.晶闸管组件，10.绝缘油，11.下法兰，12.下端盖， 13.电抗器低压端子，14.绝缘底座，15.上法兰，16.上端盖，17.温升缓冲气囊，18.脉冲 变压器，19.绝缘支架，20.电抗器铁芯，21.电抗器主绕组，22.外绝缘筒，23.低压外 励磁直流激磁绕组，24.铁芯定位组件，25.脉冲控制线端子，26出气孔，27.螺母，28. 碟形弹簧，29.平垫片，30.矩形截面密封垫圈，31.出线导电杆固定部，32.导电杆接线端 钮，33.螺杆，34.出线导电杆螺栓，35.模拟量模块，36.上位机，37.电信号输出模块，38.外 部状态指示灯，39.控制器主体，40.电源处理模块，41.时钟芯片，42.非易失性存储器， 43.ARM串行端口，44.ARM网口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1A为单相MCR的结构图；图1B为单相MCR的原理示意图；

本发明所述磁阀式可控电抗器为无旁轭结构，构成两铁芯结构可控电抗器，对照现有的 单相磁阀式可控电抗器，往往如图1A所示设有旁轭构成四柱铁芯结构，所述铁芯柱I 4和铁 芯柱II 5上分别设有至少一个小截面段，所述铁芯柱I 4的上下分别对称地绕有匝数相等的 线圈A 1、B、所述工作铁芯柱II 5的上下至少分别对称地绕有匝数相等的线圈C、D，所述 线圈A、B、C、D匝数均相等；所述的线圈A、B、C、D分别设有中心抽头a、b、c、d，所述 的中心抽头a、b分别与晶闸管阳极和阴极连接，所述的中心抽头c、d分别与晶闸管阴极和 阳极连接，线圈A 1与D、B与C交叉连接后与电网相线并联，所述线圈A和C的交叉连接端 点侧或B和D交叉连接端点侧之间跨接有续流二极管2，所述续流二极管2阳极位于线圈A1 或B交叉端点侧上。

如同四柱铁芯采用高导磁冷轧硅钢片一样。本发明所述续流二极管2的对晶闸管K1、K2 续流作，有利于晶闸管K1 3、K2的关断，所述晶闸管K13、K2用于改变控制电流的大小， 从而改变磁阀铁芯的磁饱和度，实现平滑地调节可控电抗器的容量。

图2表示为磁阀式可控电抗器控制系统示意图：

一种磁阀式可控电抗器控制系统，它包括电抗器和控制器，所述电抗器包括外绝缘筒， 所述外绝缘筒22上端设有上端盖部分，下端与下端盖部分连接，上端盖部分包括电抗器高压 端子6和上端盖16，下端盖部分包括电抗器低压端子13，脉冲控制线端子25和下端盖12， 在下端盖12内表面上固定有电抗器主体，所述电抗器主体包括电抗器铁芯，所述电抗器铁芯 上设有电抗器主绕组21，所述电抗器主绕组21分别与电抗器高压端子6、电抗器低压端子 13连接，所述电抗器铁芯上端设有绝缘支架19，绝缘支架19上设有晶闸管组件9和脉冲变 压器18，所述晶闸管组件9与脉冲变压器18连接，脉冲变压器18与脉冲控制线端子25连 接，所述脉冲变压器18磁通方向与电抗器主绕组21磁通方向正交；所述外绝缘筒22内注有 绝缘油10；所述控制器包括控制器主体39；所述控制器主体39与脉冲控制线端子25连接。

所述上端盖部分包括由上往下设置的上端盖16、上法兰15及温升缓冲气囊17；所述下 端盖部分包括与外绝缘筒22下端连接的下法兰11以及与下法兰11连接的下端盖12，所述 下端盖的下部还设有绝缘底座14；所述电抗器低压端子13设在下法兰11上。

所述电抗器高压端子6、电抗器低压端子13与内部电抗体主体连接线路中设有高压引线 套管8；所述电抗器高压端子6除自身的矩形截面密封垫圈30外可以在外部设置密封胶7， 电抗器高压端子引线感应耐压115kV，电抗器低压端子引线工频耐压45kV；所述外绝缘筒22、 上端盖16、上法兰15、下端盖12、下法兰11涂有环氧清漆。

所述电抗器主体为自励式直流电源励磁控制方式，电抗器铁芯设有用于直流磁通流动的 铁芯横轭，电抗器铁芯上端设有绝缘支架19，所述高压引线套管8设在绝缘支架19上，在 电抗器铁芯20下端设有与下法兰11及下端盖12固定连接的铁芯定位组件24；所述铁芯定 位组件24包括通过与绝缘底座14固定连接的角铁以及在角铁上设有的螺栓夹持的电工层压 木。

所述电抗器铁芯为两个，所述电抗器主绕组21包括分别独立绕制在两个铁芯上的两个主 线圈，每个主线圈分为4段，每段为层式结构；两个铁芯两端之间通过横轭连接。

所述电抗器主绕组中还设有用于低压外励磁直流激磁绕组23；所述绝缘支架19包括固 定晶闸管组件9的电工层压木，层压木通过螺栓夹件与两个铁芯上端固定连接，与晶闸管组 件9控制端连接的脉冲变压器18的脉冲控制线上设有夹持木件，脉冲控制线与底部引出的脉 冲控制线端子25连接。

所述外绝缘筒22为环氧玻璃丝缠绕筒，绝缘底座14为高度500mm的环氧玻璃丝底座。

所述上端盖16边缘处设有连接电抗器内、外部的出气孔26；所述出气孔(26)孔道与上 端盖水平面呈-3°～-5°夹角；所述出气孔(26)孔道内嵌有非金属弯管。

所述电抗器高压端子6或电抗器低压端子13为出线导电杆，所述出线导电杆一端为出线 导电杆螺栓34，另一端为出线导电杆固定部31；出线导电杆固定部31直径大于出线导电杆 螺栓34直径，所述出线导电杆螺栓34端设有两侧为螺母27，螺母27之间设有碟形弹簧28、 平垫片29组合而成的夹线结构，在夹线结构与出线导电杆固定部之间的螺杆上设有螺母27、 平垫片29和矩形截面密封垫圈30，所述出线导电杆固定部31上设有盲孔；盲孔与出线导 电杆同轴向，所述盲孔内设有内螺纹；所述导电杆接线端钮32上设有螺杆33，所述螺杆33 与固定端盲孔内螺纹配合连接；所述导电杆螺栓34直径与固定部设有的盲孔直径相同；所述 导电杆螺栓34与固定端盲孔螺纹螺距相同；所述矩形截面密封垫圈30为耐油橡胶；所述出线 导电杆和导电杆接线端钮32为紫铜镀锡。

所述控制器主体39为DSP+ARM架构，所述DSP和ARM分别与电源处理模块40连接； DSP和ARM通过双口RAM连接；模拟量模块35包括AD芯片，所述DSP输入端与AD芯片连 接，DSP输出端与电信号输出模块37连接，所述DSP还与时钟芯片41和非易失性存储器42 连接，所述控制器主体39中的ARM与上位机36通过ARM串行端口43或ARM网口44通讯； 所述DSP与外部状态指示灯38连接，所述DSP芯片为TMS320F28335；DSP处理器还连接JTAG 芯片内部测试接口；所述ARM芯片S3C2410A，所述AD芯片与外部PT和CT连接；所述外部 PT和CT用于测量电网中的线电压和线电流；所述电信号输出模块37包括绝缘胶木板，在绝 缘胶木板设有接线柱，所述接线柱一端与DSP输出引脚连接，另一端通过双绞线或屏蔽线与 与电抗器中的脉冲变压器18连接。电源处理模块40为DSP芯片和ARM芯以及双口RAM提供 工作电源。

所述ARM设有人机交互程序，它包括分为三部分：键盘译码电路程序、键盘控制程序、 显示程序；

所述键盘译码电路程序为：在ARM内部将MCR控制器一共设计了15个功能按键和一个复 位键，将15个功能按键变为4bit数据输入到双向RAM，译码的前提是假设用户在同一时刻 只进行一按键的操作，如果同时按下了多个键，以按键盘优先级确定按键；

键盘控制程序是人机交互的一个重要功能，用户能够通过键盘进行画面切换、参数输入、 控制指令输入操作。

所述显示程序包括LCD初始化函数和界面显示函数。由此，达到了将用户需要的磁阀式 可控电抗器实时工作信息显示到液晶显示器上。

图3A.图3B为K1、K2导通时MCR的等效电路示意图，K1导通时MCR的等效电路示意 图；u1＝(1-δ)Esinωt，u2＝δEsinωt，u3＝u1+u2＝Esinωt。若晶闸管K1、K2不导通， 由绕组结构的对称性知可控电抗器与空载变压器无异。当e处于正半周，晶闸管K1承受正向 电压，K2承受反向电压。若K1触发导通，则使a，b点等电位，电源e经变比为δ的线圈 (N/2)自耦变压后，由匝数为N2的线圈向电路提供直流控制电压2u2和电流i1，i2。由此 可得出K1导通时的等效电路图如图3A所示。同理，若K2在电源的负半周导通(c，d等电 位)，则可得出如图3B所示的等效电路图。

K2导通时所产生的控制电流方向与K1导通时的控制电流方向相同，也就是说在电源一 个工频周期内，K1、K2的轮流导通起了全波整流作用，由二极管D的续流作用，有利于晶闸 管K1、K2的关断，提高了整流效率。通过改变晶闸管K1、K2的触发导通角，将图3A、图3B 中控制电流i1和i2的大小改变，磁阀铁芯的磁饱和度随之改变，达到平滑地调节可控电抗 器的容量的目的。

图4A、图4B磁阀式可控电抗器的磁路示意图以及等效图；图4A为磁阀式可控电抗器磁 路示意图，铁芯由面积比较大的部分(面积为Ab，长度为l，下面称为“大面积铁芯段”) 和面积比较小的部分(面积为Ab1，长度为lt，下面称为“磁阀铁芯段”)串联而成。

在磁阀式可控电抗器的整个容量调节范围内，大面积铁芯段的工作状态始终处于磁路的 未饱和线性区，其磁阻相对于磁阀铁芯段很小，磁阀部分磁力线分为两部分，一部分通过磁 阀铁芯，磁阻记为Rt，另一部分通过气隙，等效磁阻记为Rq。磁阀式可控电抗器磁路可以等 效为图4B，图中，F为磁路磁势，Φ为磁路总磁通量，(μ₀为空气磁导率)， (μ为磁阀铁芯平均磁导率)。

图5A、图5B、图5C为磁阀式可控电抗器在不同工作状态下磁力线分布示意图。从图中我 们可以看到，磁阀有三种工作状态：

(1)如图5A所示，当磁阀铁芯段完全饱和时，磁阀铁芯平均磁导率最小，磁阻最大，磁 阀门完全关闭，此时整个磁路可等效为面积为A_b，长度为l_t的空气间隙，；

(2)如图5B所示，磁阀铁芯段处于未饱和线性区时，磁阀铁芯平均磁导率最大，磁阻十 分小，磁力线完全可以从中通过，磁阀门完全打开；

(3)如图5C所示，磁阀铁芯段的饱和程度处于上述两种情况之间时，磁力线有一部分通 过面积为A_b-A_b1的空气隙，另一部分通过小截面铁芯段，前者的磁阻为线性，后者的磁阻为 非线性。

图6、图7、分别是MCR工作状态分析仿真示意图和MCR工作状态仿真结果示意图和磁阀式 可控电抗器工作状态转换示意图。这里只是为了研究工作状态，不涉及到磁阀饱和度变化问 题，所以用固定电感来模拟MCR的工作过程。

为了得到磁阀式可控电抗器MCR的工作状态，使用MATLAB/Simulink对MCR的工作过程 进行了仿真分析。

运行仿真文件后，得到的仿真结果如图7所示。从图中我们可以分析出，磁阀式可控电抗 器晶闸管K1、K2及二极管D1的可能导通情况，有5种工作状态：

(1)K1导通，K2、D1截止；

(2)K1、D1导通，K2截止；

(3)D1导通，K1、K2截止；

(4)K2导通，K1、D1截止；

(5)K2、D1导通，K1截止。

假定，磁阀式可控电抗器的工作绕组两端加有正弦电压：e＝E_m sin ωt，K1和K2的触发角 为a。结合图7，从理论角度对磁阀式可控电抗器的工作过程进行分析：

(1)当无直流励磁(a＝π)，电抗器已处于稳定空载运行时，e、f两点电位差为零，因 而可以假定从t＝0开始，电抗器已处于状态3，即D1导通，K1、K2截止；

(2)在电源正半周期间，K1上承受正向电压，K2上承受反向电压。因此，若在此正半周 ωt＝a时刻，向K1门极输入触发脉冲，K1将会导通，而K2维持截止状态。因此，可控电抗器 进入状态2，即K1、D1导通，K2截止；

(3)K1导通后一段时间后，D1将因为承受反向电压而关断，MCR过渡到状态处于状态1， 即K1导通，K2、D1截止；

(4)在系统电压过零进入负半周后，K1上电流逐渐减小，二极管D1开始导通，MCR进入 状态2，即K1、D1导通，K2截止；

(5)之后，晶闸管K1电流逐渐减小，最后过零而截止，电抗器进入状态3，即D1导通， K1、K2截止；

(6)在电源的负半周，晶闸管K2触发导通的过程分析与电源正半周时K1触发导通过程完 全相似。状态的转换为状态5、状态4、状态5，最后回到状态3，开始下一个状态循环。

图8为磁阀式可控电抗器导电螺杆结构示意图，电抗器高压端子6或电抗器低压端子 13为出线导电杆，所述出线导电杆一端为出线导电杆螺栓34，另一端为出线导电杆固定部 31；出线导电杆固定部31直径大于出线导电杆螺栓34直径，所述出线导电杆螺栓34端设有 两侧为螺母27，螺母27之间设有碟形弹簧28、平垫片29组合而成的夹线结构，在夹线结构 与出线导电杆固定部之间的螺杆上设有螺母27、平垫片29和矩形截面密封垫圈30，

所述出线导电杆固定部31上设有盲孔；盲孔与出线导电杆同轴向，所述盲孔内设有内螺 纹；所述导电杆接线端钮32上设有螺杆33，所述螺杆33与固定端盲孔内螺纹配合连接；

所述出线导电杆螺栓34直径与固定部设有的盲孔直径相同；所述出线导电杆螺栓34与 固定端盲孔螺纹螺距相同；

所述矩形截面密封垫圈为耐油橡胶；所述出线导电杆和导电杆接线端钮32为紫铜镀锡。

图9，图10，图11，图12，图13中图14A，图14B，图15中本技术方案，磁阀式可控电抗器控 制系统的控制方法，它包括如下步骤

磁阀式可控电抗器控制系统的控制方法，它包括如下步骤

1)DSP通过电网的电压传感器、电流传感器进行交流采样得到当前系统状态；所述电压 传感器、电流传感器对电网线路进行线电压和线电流采集，所述交流采样中DSP中采用比较 式数字滤波器和积分式数字滤波器两种数字滤波器串联联合滤波方式；随后对滤波后的线电 压和线电流的进行数字锁相倍频采样，通过AD转换中断服务程序对电网的线电压有效值、线 电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数各状态量进行计算；

2)通过与ARM连接的触摸屏操作选择电压调整或功率因数调整两种控制模式之一；采集 的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移相基准； DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角；所述控制程序包括基于DSP的闭环控制算法；

3)DSP根据计算的移相角度结合移相基准，以及要控制的磁阀式可控电抗器具体为单相 或三相，相应生成单相或三相触发信号触发信号，利用电信号脉冲驱动其中的脉冲变压器控 制磁阀式可控电抗器，脉冲变压器发出脉冲串保障磁阀式可控电抗器MCR上相应的晶闸管可 靠的激发；

所述数字锁相倍频采样包括：

I)、DSP有六个捕获模块CAP获取当前信号频率，根据需要控制的磁阀式可控电抗器具 体为单相或三相对捕获模块CAP进行取舍使用；所述电力系统频率为所测线电压的两次正向 过零点的时间差的倒数；任意一相线电压的同步信号输入到CAP1输入口上，通过软件配置， CAP1的硬件捕捉相邻两次跳变的时间，即周期T；从而频率求为：f＝1/T，将其作为基波的 电网线电压信号频率；通过线电压信号频率，同一相的线电流频率同时得到；

Ii)、将采样频率设定为采集到的作为基波的电网线电压或线电流信号频率的128倍，需 要分析的最高次谐波为32次，因此低通滤波器的截至频率选为50×32＝3.2kHz，滤去32次 以上的高次谐波，有效地防止采样混叠现象；

Iii)、所述数字锁相倍频是由DSP编程实现，因为数字电路能够实现精确同步输出，所 以省略反馈环节，采用开环设计原理；此数字锁相倍频也称之为同相倍频；

当同步倍频信号输入到AD模块的ADSOC控制口上；通过软件设置，使同步倍频信号每一 次上升沿触发一次AD转换，当AD转换结束后自动触发AD中断服务程序；中断服务程序中存 储每一次采样的结果，然后每128次采样结束后进行一次交流采样计算，按各物理量的离散 计算公式，计算出电网的线电压、线电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数值， 通过双口RAM与ARM实现数据共享，作为控制和显示的输入量；

所述闭环控制算法：控制器采取了两种控制策略：用户根据实际情况，通过触摸屏操作 选择不同的控制模式；电压调整控制模式和功率因数调整控制模式；电压调整控制模式以电 网电压为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的电压稳定在给定的工作电压点上；功 率因数调整控制模式以电网的功率因数为控制量，通过提供不同的无功电流，将电网的功率 因数稳定在设定的功率因数点上；根据控制原理，若以电压为控制目标，给定电压调节目标 值，引入电压负反馈；通过检测到的电网电压U和给定参考电压U_ref进行比较，其偏差输入到 PI调节环节，PI调节器计算出输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大 小，改变电网电压；

同样，若要以功率因数调整控制模式，给定功率因数调节目标值，引入电压和电流反馈， 计算出电网功率因数作为负反馈；通过检测到的电网电压u和电网电流i，然后计算出功率 因数角和给定参考电压进行比较，其偏差输入到PI调节环节；PI调节器计算出应 该输出的移相控制角，通过触发电路控制MCR的无功功率输出大小，改变电网功率因数；

两种算法离散化后在DSP上实现；PI调节器的时间常数与MCR本身的响应时间常数相 适应；

采集的线电压或线电流正弦信号通过过零比较得到同步信号，将过零点同步信号作为移 相基准，DSP计算出当前时刻每相应该输出的移相角度，DSP根据收到的移相角度和移相基准， 产生触发信号，为了可靠触发晶闸管，针对脉冲变压器采用对触发脉冲进行软件同相载波细 分成多个脉冲串的方法触发。

图14A，图14B中，采集的线电压或线电流正弦信号y1通过过零比较得到同步信号y2， y2通过积分计数器后得到y3(计数器等效波形)，y2、y3做比较，然后根据DSP给定的导 通角，对y3进行PWM变换，当y3电平信息高于y2得到y4。最后对y4进行细分，通过高频 信号进行同相载波，(同相指的是y5的第一个脉冲和y4同相)得到y5，y5作为脉冲变压器 脉冲串驱动MCR上相应的晶闸管。

若为采集的三相交流任意一项线电压信号的过零点信号输入到DSP作为移相基准。DSP 根据收到的移相角度和移相基准，产生六路触发信号。

本技术方案的采集以采样定理理论为基础，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率 的2倍以上，采用同步采样法对被测信号采样，所述同步采样法就是整周期等间隔均匀采样， 被测信号周期T、采样时间间隔Δt和一周期内采样点数N之间满足关系式T＝N·Δt，即：采 样频率为被测信号频率的N倍。

针对采样获得的当前系统状态，得到的各状态量，对交流线电压U、线电流I、有功功率 P、无功功率Q、功率因数视在功率电参量的同步交流采样进行离散化，计算出电网 的电压、电流、有功功率、视在功率、无功功率、功率因数，所述交流采样计算为按各物理 量的离散计算公式，计算出电网的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数 值，作为控制和显示的输入量；

所述交流线电压U、线电流I离散计算公式

电流有效值、电压有效值、定义为：

$U=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^T{u}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-1)$

$I=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^T{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---(0-2)$

式中：

T——为采样周期；

u(t)——电压瞬时值；

i(t)——电流瞬时值；

将以上两式离散化后：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}u{\left(k\right)}^2}---(0-3)$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}i{\left(k\right)}^2}---(0-4)$

式中：

u(k)——电压第k次的采样值；

i(k)——电流第k次的采样值；

N-------一周期内采样点数；

所述有功功率P、无功功率Q、的离散计算公式

单相有功功率和无功功率的定义为：

$P=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}p\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}u\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-5)$

$Q=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}q\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}u(t-\frac{T}{4})i\left(t\right)\mathrm{dt}---(0-6)$

离散化以后得到：

$P=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}u\left(k\right)i\left(k\right)---(0-7)$

$Q=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}u(k-\frac{N}{4})i\left(k\right)---(0-8)$

所述视在功率的计算

单相视在功率为：

$S=U\times I=\sqrt{P^2+Q^2}---(0-9)$

所述功率因数的计算

单相有功功率、无功功率和复功功率的关系如下：

S＝P+jQ                        (0-10)

由此求得功率因数为：

由于功率因数角所以计算出：

负载特性的判断

当Q＞0时，负载为感性；当Q＜0时，负载为容性；

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。