一種可控飽和電抗器及其控制方法

專利名稱：一種可控飽和電抗器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及電力系統送變電技術領域，特別涉及一種可控飽和電抗器及其控制方法。
背景技術：
隨著電力系統的不斷發展，對電力系統安全運行要求越來越高，電能質量的要求 也越來越高。串聯電抗器可限制短路電流；并聯電抗器可限制過電壓；電抗器與電容聯合 可構成濾波電路；電抗器在電力系統的應用是非常廣泛的。在一部分應用領域，電抗器的電 抗值可以是固定的；在許多應用領域，需要電抗值能隨著電力系統運行方式的改變而改變。 近年來電抗值可以連續調節的可控電抗器的研究與應用成為熱門課題。可控飽和電抗器是 可控電抗器的一種重要方式。
可控飽和電抗器是利用飽和電抗器鐵芯的飽和特性來改變電抗器的電抗值。已經 有許多可控飽和電抗器被提出來，發明專利號為2006100476121的“自饋式可控電抗器” 和發明專利號為200810011902X的“一種自身取能的快速響應可控電抗器”提出了兩種可 控飽和電抗器。中國水利水電出版社2008年出版蔡宣三，高越農著《可控飽和電抗器原理、 設計與應用》一書也對可控飽和電抗器作了總結。提出的各種可控飽和電抗器各具特色，但 是，這些可控飽和電抗器的直流電流回路復雜，電抗器的電抗值調節范圍較小、電抗器的容 量較小、功能單一。
發明專利號為20101057539 的“具有柔性開關特性的電流限制裝置及方法”提 出了一種電流限制裝置及方法。這種裝置及方法，在控制設備發出切斷命令時可減小正常 負荷電流和短路電流至幾乎關斷，控制設備發出開通命令時可接通正常負載，輸電回路幾 乎完全導通。這種裝置及方法工作在導通和截止這兩種工作狀態，當工作在這兩種工作狀 態時性能優越，但是不能作為可控電抗器使用。發明內容
本發明的目的就是為解決上述問題，提供一種可控飽和電抗器及其控制方法，它 將具有柔性開關特性的電流限制裝置及方法應用于可控飽和電抗器領域；而且該方法所用 的可控飽和電抗器具有控制器件耐壓很小、直流電流回路簡單，電抗器的電抗值調節范圍 大、電抗器的容量大、功能多樣、安全性較好的優點。
為實現上述目的，本發明采用如下方法
一種可控飽和電抗器，它包括飽和電抗器，飽和電抗器有四個端子；電抗線圈端子 I和電抗線圈端子II連接飽和電抗器內部電抗線圈Li，提供交流電流通路；直流線圈端子 I和直流線圈端子II連接飽和電抗器內部直流線圈L2，提供直流電流通路；電抗線圈Ll與 直流線圈L2通過飽和電抗器內部的閉環鐵芯相互作用；
一個由二極管組成的全橋整流電路；整流電路的一個輸入端與飽和電抗器的電抗 線圈Ll 一個端子串接，另一輸入端與輸出端子連接；同時一對反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6并聯于全橋整流電路的兩輸入端間；反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6均由控制電路 控制；整流電路一個輸出端經一個正向二極管D8和直流線圈L2串行連接，另一輸出端直接 與直流線圈L2串接，并形成閉環；
一個控制電路，控制反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角的大小，調節流過 晶閘管D5和晶閘管D6交流電流的大小，從而連續調節可控飽和電抗器的電抗值。
所述飽和電抗器中的電抗線圈Ll為一個線圈，或多個線圈串/并聯組成；所述飽 和電抗器中的直流線圈L2為一個線圈，或多個線圈串和/或并聯組成。
所述反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6兩端為工頻電壓；其中晶閘管D5或晶閘管 D6在電壓的正半波導通，晶閘管D6或晶閘管D5在電壓的負半波導通；可控飽和電抗器的 控制電路可從0°至180°范圍連續控制晶閘管D5的導通量，控制電路向晶閘管D5發觸發 脈沖后的10毫秒即工頻180°也向晶閘管D6發觸發脈沖，使晶閘管D5和晶閘管D6先后分 別導通；晶閘管D5的觸發角為0°時，晶閘管D5和晶閘管D6全導通；晶閘管D5的觸發角 為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全關斷；晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角小時，晶閘管 D5和晶閘管D6的導通量大；晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角大時，晶閘管D5和晶閘管D6 的導通量小。
所述直流線圈L2的兩端連接分別并聯串聯的電阻Rl和電容Cl ；直流線圈L2的 兩端還并聯有串聯的電阻R2和二極管D7 ；同時直流線圈L2的兩端還并聯過電壓保護模塊 I。
所述電抗線圈端子I為裝置輸入端子，連接電力系統輸電回路電源側，輸出端子 接電力系統輸電回路負荷側。
一種可控飽和電抗器的控制方法，當控制電路的觸發角為0°時，晶閘管D5和晶 閘管D6全導通，流入可控飽和電抗器的交流電流全部經反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6 流通，不流入直流線圈L2 ；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電抗為裝置的最大值；
當控制電路逐步加大晶閘管D5的觸發角，反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6從全 導通狀態逐步減小導通量，流過反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的交流電流由最大值逐 漸變小；流入直流線圈L2的直流電流就從零逐漸增大；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電 抗值從裝置的最大值逐漸變小；
當控制電路的觸發角為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全關斷，流入可控飽和電 抗器的交流電流不經過反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6流通，全部流入飽和電抗器直流 線圈L2 ；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電抗為裝置的最小值；
可控飽和電抗器的控制電路控制反向并聯的晶閘管D5和D6的觸發角的大小，調 節流過晶間管D5和D6交流電流的大小，從而連續調節可控飽和電抗器的電抗值。
本發明的有益效果是裝置用于超高壓電力系統時，整流電路所用二極管和反向 并聯的晶閘管耐受電壓要求低，裝置安全可靠；可控飽和電抗器的電抗值可大范圍調節，電 抗器容量大。可使可控飽和電抗器具備多種功能和用途，提高裝置的性價比。反向并聯的 晶閘管D5和D6導通量小，可控飽和電抗器的電抗值小；反向并聯的晶閘管D5和D6導通量 大，可控飽和電抗器的電抗值大，可控飽和電抗器的半導體器件晶閘管在運行中，如果由于 擊穿而全導通，可控飽和電抗器電抗值呈現最大值，有利于可控飽和電抗器的運行安全性。


圖1表示一種可控飽和電抗器的結構與連接方式。
其中，1.電抗線圈端子I，2.電抗線圈端子II，3.直流線圈端子I，4.直流線圈端 子II，5.輸出端子，6.飽和電抗器，7.控制電路，8.過電壓保護器Ι，9.過電壓保護器II。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
一種可控飽和電抗器的結構與連接方式如圖1所示。一套飽和電抗器，飽和電抗 器有四個端子；電抗線圈端子Il和電抗線圈端子112連接飽和電抗器內部電抗線圈Li，提 供交流電流通路；直流線圈端子I 3和直流線圈端子II 4連接飽和電抗器內部直流線圈 L2，提供直流電流通路；電抗線圈Ll與直流線圈L2通過飽和電抗器內部的閉環鐵芯相互作 用；圖1表示的一種可控飽和電抗器的結構與連接方式中的飽和電抗器6是示意圖。飽和 電抗器6中的電抗線圈Ll可以是多個線圈串、并聯組成，飽和電抗器中的直流線圈L2可以 是多個線圈串、并聯組成。這樣，可使飽和電抗器6的電抗線圈Ll的交流電流對直流回路不 產生影響。飽和電抗器6對外表現為兩個交流電抗線圈端子Il和電抗線圈端子112，兩個 直流線圈端子13和直流線圈端子114。飽和電抗器6可選用發明專利號為20101057539 的“具有柔性開關特性的電流限制裝置及方法”的飽和電抗器，也可選用發明專利號為 2010105840411的“一種飽和電抗器”所表述的飽和電抗器，或選用其他型式的飽和電抗器。
一個由二極管組成的全橋整流電路；整流電路的兩個輸入端與飽和電抗器的電抗 線圈Ll串行連接于裝置的輸入與輸出端子5; —對反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6并聯 于全橋整流電路的輸入端。反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6分別受控制電路7控制。整 流電路輸出端與一個正向二極管D8和直流線圈L2串行連接，并形成閉環；
一個控制電路7，其輸出端分別連接晶閘管D5和晶閘管D6的觸發端子。反向并聯 的晶閘管D5和晶閘管D6兩端為工頻電壓，晶閘管D5可在電壓的正半波導通，晶閘管D6可 在電壓的負半波導通；可控飽和電抗器6的控制電路7可從0°至180°范圍連續控制晶閘 管D5的導通量，控制電路7向晶閘管D5發觸發脈沖后的10毫秒(工頻180° )也向晶閘 管D6發觸發脈沖，使晶閘管D5和晶閘管D6先后分別導通；晶閘管D5的觸發角為0°時， 晶閘管D5和晶閘管D6全導通；晶閘管D5的觸發角為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全 關斷；晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角小時，晶閘管D5和晶閘管D6的導通量大；晶閘管D5 和晶閘管D6的觸發角大時，晶閘管D5和晶閘管D6的導通量小。
所述整流電路是由二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4組成的全橋整流電 路；該整流電路輸出還并聯過電壓保護模塊119。所述直流線圈L2的兩端連接分別并聯有 串聯的電阻Rl和電容Cl，并聯有串聯的電阻R2和二極管D7，還并聯過電壓保護模塊18。
電抗線圈端子I 1為裝置輸入端子，連接電力系統輸電回路電源側，輸出端子5接 電力系統輸電回路負荷側。
當控制電路7命令晶閘管D5和晶閘管D6全導通時，全橋整流電路輸入端的正方 向和反方向電壓都被晶閘管D5和晶閘管D6的正向導通二極管電壓所限制。全橋整流電路 要給飽和電抗器直流線圈L2送電，全橋整流電路輸入端的電壓至少要大于全橋整流電路 兩個二極管的管壓降，再加上一個二極管D8的管壓降。可見，流入可控飽和電抗器的電流全部經晶間管D5和晶間管D6流通，不再流經飽和電抗器直流線圈L2，飽和電抗器直流線圈 L2中的電流下降為零，飽和電抗器鐵芯完全脫離飽和狀態；飽和電抗器的電抗線圈Ll的電 抗變為裝置的最大值。
當控制電路7命令晶閘管D5和晶閘管D6全關斷時，流入可控飽和電抗器的交流 電流不經過反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6流通，全部輸入全橋整流電路，經全橋整流電 路整流后給直流線圈L2提供直流電流；飽和電抗器鐵芯處于設定的最大飽和狀態；飽和電 抗器6的電抗線圈Ll的電抗為裝置的最小值。
當控制電路7命令晶閘管D5和晶閘管D6不完全導通時，流入可控飽和電抗器交 流電流的一部分經反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6旁路；剩余的部分輸入全橋整流電路， 經全橋整流電路整流后給直流線圈L2提供直流電流；流經飽和電抗器直流線圈L2的電流 較小，飽和電抗器鐵芯淺飽和；在飽和電抗器6的電抗器中流過的是交流電流，該交流電流 在飽和電抗器6的鐵芯中產生交流磁通，使飽和電抗器鐵芯在部分時段飽和，在余下時段 不飽和；飽和電抗器6的電抗線圈Ll的電抗值處在裝置的最大值與最小值之間。
當控制電路7控制晶閘管D5和晶閘管D6從截至狀態逐步加大導通量，最后全導 通時，飽和電抗器直流線圈L2的直流電流也就從最大值逐漸減小至零；飽和電抗器的電抗 線圈Ll的電抗值從裝置的最小值逐漸變為最大值；
控制電路7控制反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的導通量的大小，調節流過晶 閘管D5和晶閘管D6交流電流的大小，實現調節流過飽和電抗器直流線圈電流的大小，即可 連續調節可控飽和電抗器的電抗值。
飽和電抗器6的直流線圈L2是儲能元件。晶閘管D5和晶閘管D6導通量變化后， 飽和電抗器直流線圈L2中的直流電流不能馬上隨之變化。二極管D7與串接的電阻R2，為 其提供續流通路。電阻R2消耗能量，加快飽和電抗器直流線圈L2中直流電流的變化，減小 暫態過程。電容Cl與串接的電阻R1，也可加快飽和電抗器直流線圈L2中直流電流的變化， 減小暫態過程。
可控飽和電抗器的半導體器件晶閘管在運行中，如果由于擊穿而全導通，飽和電 抗器6直流線圈L2的直流電流下降為零，可控飽和電抗器6電抗值呈現最大，提高了可控 飽和電抗器的運行安全性。
控制電路7向晶閘管D5發觸發脈沖后的10毫秒(工頻180 ° )也向晶閘管D6 發觸發脈沖，使晶閘管D5和晶閘管D6先后分別導通；晶閘管D5的觸發角為0°時，晶閘 管D5和晶閘管D6全導通；晶閘管D5的觸發角為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全關斷。 這種控制方法可使電流的正半波與負半波對稱，直流線圈L2的直流電流較平穩，可控飽和 電抗器的輸出波形較好。如果晶閘管D5和晶閘管D6分別導通的間隔不是10毫秒(工頻 180° )，控制電路7控制反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的導通量也可連續逐漸增大或 減小，但是可控飽和電抗器的輸出波形較差。
飽和電抗器6如果選用發明專利號為20101057539 的“具有柔性開關特性的電 流限制裝置及方法”的飽和電抗器，在飽和電抗器6交流電抗線圈Ll的電抗線圈端子I 1 和電抗線圈端子112之間加工作電壓的條件下，電抗線圈Ll流過正常勵磁電流，則所述一 種可控飽和電抗器的電抗值可在幾乎完全導通至正常勵磁電流之間連續調節。
本發明方法構成的可控飽和電抗器可串聯于輸電回路使用，也可并聯于電力系統使用。當并聯于電力系統使用，需采取技術措施防止晶閘管D5和晶閘管D6全截止時，可控 飽和電抗器最小值太低，流過可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電流過大。可采用減小飽和電 抗器直流線圈的匝數等措施來提高飽和電抗器的電抗線圈Ll的電抗最小值。
本發明的可控飽和電抗器的方法可用現有技術設計制造，完全可以實現。有廣闊 應用前景。
權利要求
1.一種可控飽和電抗器，其特征是，它包括飽和電抗器，飽和電抗器有四個端子；電抗 線圈端子I和電抗線圈端子II連接飽和電抗器內部電抗線圈Li，提供交流電流通路；直流 線圈端子I和直流線圈端子II連接飽和電抗器內部直流線圈L2，提供直流電流通路；電抗 線圈Ll與直流線圈L2通過飽和電抗器內部的閉環鐵芯相互作用；一個由二極管組成的全橋整流電路；整流電路的一個輸入端與飽和電抗器的電抗線圈 Ll 一個端子串接，另一輸入端與輸出端子連接；同時一對反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6 并聯于全橋整流電路的兩輸入端間；反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6均由控制電路控制； 整流電路一個輸出端經一個正向二極管D8和直流線圈L2串行連接，另一輸出端直接與直 流線圈L2串接，并形成閉環；一個控制電路，控制反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角的大小，調節流過晶閘 管D5和晶間管D6交流電流的大小，從而連續調節可控飽和電抗器的電抗值。
2.如權利要求1所述的可控飽和電抗器，其特征是，所述飽和電抗器中的電抗線圈Ll 為一個線圈，或多個線圈串/并聯組成；所述飽和電抗器中的直流線圈L2為一個線圈，或多 個線圈串和/或并聯組成。
3.如權利要求1所述的可控飽和電抗器，其特征是，所述反向并聯的晶閘管D5和晶閘 管D6兩端為工頻電壓；其中晶閘管D5或晶閘管D6在電壓的正半波導通，晶閘管D6或晶閘 管D5在電壓的負半波導通；可控飽和電抗器的控制電路可從0°至180°范圍連續控制晶 閘管D5的導通量，控制電路向晶閘管D5發觸發脈沖后的10毫秒即工頻180°也向晶閘管 D6發觸發脈沖，使晶閘管D5和晶閘管D6先后分別導通；晶閘管D5的觸發角為0°時，晶閘 管D5和晶閘管D6全導通；晶閘管D5的觸發角為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全關斷； 晶閘管D5和晶閘管D6的觸發角小時，晶閘管D5和晶閘管D6的導通量大；晶閘管D5和晶 閘管D6的觸發角大時，晶閘管D5和晶閘管D6的導通量小。
4.如權利要求1所述的可控飽和電抗器，其特征是，所述直流線圈L2的兩端連接分別 并聯串聯的電阻Rl和電容Cl ；直流線圈L2的兩端還并聯有串聯的電阻R2和二極管D7;同 時直流線圈L2的兩端還并聯過電壓保護模塊I。
5.如權利要求1所述的可控飽和電抗器，其特征是，所述電抗線圈端子I為裝置輸入端 子，連接電力系統輸電回路電源側，輸出端子接電力系統輸電回路負荷側。
6.一種權利要求1所述的可控飽和電抗器的控制方法，其特征是，當控制電路的觸發 角為0°時，晶閘管D5和晶閘管D6全導通，流入可控飽和電抗器的交流電流全部經反向并 聯的晶閘管D5和晶閘管D6流通，不流入直流線圈L2 ；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電抗 為裝置的最大值；當控制電路逐步加大晶閘管D5的觸發角，反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6從全導通 狀態逐步減小導通量，流過反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6的交流電流由最大值逐漸變 小；流入直流線圈L2的直流電流就從零逐漸增大；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電抗值 從裝置的最大值逐漸變小；當控制電路的觸發角為180°時，晶閘管D5和晶閘管D6全關斷，流入可控飽和電抗器 的交流電流不經過反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6流通，全部流入飽和電抗器直流線圈 L2 ；可控飽和電抗器電抗線圈Ll的電抗為裝置的最小值；可控飽和電抗器的控制電路控制反向并聯的晶閘管D5和D6的觸發角的大小，調節流過晶間管D5和D6交流電流的大小，從而連續調節可控飽和電抗器的電抗值。
全文摘要
本發明公開了電力系統送變電技術領域的一種可控飽和電抗器及其控制方法。它提供了一種反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6導通量小，可控飽和電抗器的電抗值小；反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6導通量大，可控飽和電抗器的電抗值大，連續調節反向并聯的晶閘管D5和晶閘管D6導通量即可連續調節可控飽和電抗器電抗值的方法。并且具有控制器件耐壓很小、直流電流回路簡單，電抗器的電抗值調節范圍大、電抗器的容量大、功能多樣、安全性較好的優點。
文檔編號H02P13/00GK102035454SQ20111000120
公開日2011年4月27日 申請日期2011年1月5日 優先權日2011年1月5日
發明者李曉明 申請人:山東大學