电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析

电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析摘要：可变电抗器是电力系统中调压调功控制、谐波治理和无功补偿的关键设备。电力电子电抗器是一种新型的可变电抗器，它采用电磁技术、电力电子技术、控制技术、计算机技术等实现阻抗值的连续可调。这里介绍了电力电子电抗器的拓扑结构，分析了其阻抗变换原理，对其阻抗变换进行了仿真，并将其应用在电机软起动中，给出了实验结果。仿真及实验结果表明，基于电力电子电抗器阻抗可连续变化的特性，可将其应用在电机软起动、无功补偿、谐波抑制等方面，具有良好的应用前景。关键词：电抗器；阻抗变换；软起动1引言电抗器按其特性可分为固定电抗器和可变电抗器。随着电力系统的发展，在很多场合都希望电抗器的电抗值能够实时调节。可变电抗器经历了从机械式到电磁式，再到电力电子式的发展过程。机械式可调电抗器结构简单，线性度好，但不能实现电感的平滑调节，目前应用较少。电磁式可变电抗器通过改变铁心的磁阻来改变电感。磁阻大，则电感小；反之，磁阻小，则电感大。电磁式可变电抗器制造工艺简单，成本较低，在限制过电压、补偿无功功率等方面应用潜力大。其主要缺点是响应时间长，振动和噪声较大。电力电子电抗器是近年来研究和开发出来的一种新型可变电抗器，它采用电磁技术、电力电子技术、控制技术、计算机技术等，可实现阻抗值的连续无级可调。典型代表有晶闸管式电抗器、IGBT式电抗器。这里主要研究晶闸管式电力电子电抗器，它结合了传统机械式电抗器和电磁式电抗器的优点，对传统电抗器进行改进，可实现电抗值的连续无级可调，且高次谐波较小。2电力电子电抗器结构传统的机械式电抗器结构如图1所示。采用调节分接头式的方式来改变电抗器的电感，仅能实现阻抗的有级变换。这里所述的电力电子电抗器将传统电抗器与电力电子技术相结合，其结构如图2所示。了。带分接头的暗变电抗器图1机械式可变电抗器结构粒图对比图1,2知，电力电子电抗器将传统电抗器的单边绕组结构设计成双边绕组结构，其初级绕组与负载、电网串接、次级绕组与电力电子阻抗变换器相接，通过阻抗变换控制器控制电力电子阻抗变换器的工作状态，调节电抗变换器次级绕组的电流与阻抗，改变电抗变换器初级绕组的电流和阻抗，实现电抗器的阻抗变换。3电力电子电抗器拓扑结构电力电子电抗器是一种较典型的可变电抗器。三组两两反并联的晶闸管构成电力电子阻抗变换器，通过控制晶闸管的导通角就可控制电抗器的等效阻抗值。其拓扑结构如图3所示。其一相的等效电路模型如图4所示。S3三相电力电广电抗器拓扑结构图4电力电子电抗器等效身跖模型文献已经详细推导了电力电子电抗器的阻抗变换原理。晶闸管控制角a与电力电子电抗器次级绕组ax端等效阻抗之间的关系为：\Ain%+(ir-a)sin2oc+(iro)"当a=0°时，晶闸管全导通，电力电子电抗器次级绕组相当于短路，电流最大，初级绕组电流最大，此时电力电子电抗器初级绕组阻抗最小。当a=180°时，晶闸管关断，电力电子电抗器二次绕组相当于开路，电流最小，初级绕组电流最小，此时电力电子电抗器初级绕组阻抗最大。当a在0°〜180°之间时，电力电子电抗器初级绕组阻抗介于最大值与最小值之间，且连续可调。4建模与阻抗变换分析在Matlab/Simulink中，利用电气模块PSB对三相电力电子电抗器进行建模与阻抗变换分析。三相电力电子电抗器仿真模型包括：三相电源模块、三相可变电抗器模块、三相晶闸管阻抗变换模块、脉冲触发器模块、负载模块等。设置电源参数：电压峰值为•支口 匕频率为50Hz；电力电子电抗变换器功率：Pn=107VA,fn=50Hz；初级线圈参数：U1=104V,R1=2mQ,L1=0.05H；次级线圈参数:U2=25x105V,R2=2mQ,L2=0.05H；磁阻Rm=200Q；励磁电感Lm=200H。晶闸管参数使用默认值。设置SeriesRLCBranch的参数：R=100Q,L=0.05H；C为inf,此时负载为感性负载。改变a得到仿真数据，根据此数据可描点绘出感性负载时a与电力电子电抗器的阻抗模值Z的关系图，如图5所示。!.41.2I居W060.40.2°io60的320”01聪图5晶闸管控制角与瓯抗模值关系图由图5可见，随着a的增大，电力电子电抗器初级绕组电压增大，电流减小，初级绕组阻抗增大，即电力电子电抗器阻抗随a的增大而增大。这与第3节中理论分析完全一致。5电力电子电抗器的应用及实验5.1电力电子电抗器式软起动器构建软起动器结构图如图6所示。电机起动时，首先合上K1,电力电子电抗器初级绕组与电机、电网串接。根据阻抗变换原理，阻抗变换控制器通过改变电力电子阻抗变换器中晶闸管的触发角，来改变电力电子电抗器初级绕组的阻抗。随着该阻抗从大到小减小，加在电机上的电压由小逐渐增大，电机转速逐渐上升，当接近额定转速时，合上K2,断开K1,软起动结束，电机以额定转速运行。0.4-lGkV图6电力电子电抗港式软起动器结构图5.2软起动实验实验对象为Y90S-4型三相绕线电机，其额定功率1.1kW,定子Y型连接，额定电压380V,额定电流2.7A,频率50Hz,额定转速1390rmin-1,功率因数为0.78。为验证电力电子电抗器在电机软起动中的应用效果，进行了电机全压直接起动和带电力电子电抗器软起动两种实验。电机空载全压直接起动：直接合上K2,电机全压直接起动，起动电流波形如图7a所示。图中，电机全压直接起动时，起动过程很短，最大起动冲击电流为13.7A,为额定电流的5.1倍；带电力电子电抗器软起动：合上K1,电机带电力电子电抗器软起动，起动电流波形如图7b所示。100m"塔） "口00mW需1直接起劭忖 g）带电加府视型熠蟒荆JK'SriK|J>K|t™ ^^*Um7实脸波形 l，也电机带电力电子电抗器起动时，起动过程明显延长了，电机平滑地起动，最大起动冲击电流为7.1A,为额定电流的2.6倍。对比图7a,b可见，与全压直接起动相比，带电力电子电抗器软起动能减小电机起动电流，达到保护电机及减小电机起