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。

    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。
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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。

    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α与电力电子电抗器次级绕组ax端等效阻抗之间的关系为：
   
    当α=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α=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α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，频率为50 Hz；电力电子电抗变换器功率：Pn=107VA，fn=50Hz；初级线圈参数：U1=104V，R1=2 mΩ，L1=0．05H；次级线圈参数：U2=25×105V，R2=2 mΩ，L2=0．05 H；磁阻Rm=200 Ω；励磁电感Lm=200 H。晶闸管参数使用默认值。设置Series RLC Branch的参数：R=100 Ω，L=0．05 H；C为inf，此时负载为感性负载。改变α得到仿真数据，根据此数据可描点绘出感性负载时α与电力电子电抗器的阻抗模值Z的关系图，如图5所示。

    由图5可见，随着α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α的增大而增大。这与第3节中理论分析完全一致。
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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。

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1．1 kW，定子Y型连接，额定电压380 V，额定电流2．7 A，频率50 Hz，额定转速1 390 r·min-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13．7 A，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。

    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7．1 A，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动对电网影响的目的。

6 结论
    电力电子电抗器的结构是对传统机械式可变电抗器结构的创新，这种结构具有高压与低压隔离、无源阻抗变换、对元器件的耐压要求低、阻抗无极调节等优点。已成功运用于高压电机软起动、静止无功补偿器、动态谐波抑制、风机水泵的调速等方面，具有广阔的应用价值。