专利名称：一种可控饱和电抗器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种可控饱和电抗器及其控制方法。
背景技术：
随着电力系统的不断发展，对电力系统安全运行要求越来越高，电能质量的要求 也越来越高。串联电抗器可限制短路电流；并联电抗器可限制过电压；电抗器与电容联合 可构成滤波电路；电抗器在电力系统的应用是非常广泛的。在一部分应用领域，电抗器的电 抗值可以是固定的；在许多应用领域，需要电抗值能随着电力系统运行方式的改变而改变。 近年来电抗值可以连续调节的可控电抗器的研究与应用成为热门课题。可控饱和电抗器是 可控电抗器的一种重要方式。
可控饱和电抗器是利用饱和电抗器铁芯的饱和特性来改变电抗器的电抗值。已经 有许多可控饱和电抗器被提出来，发明专利号为2006100476121的“自馈式可控电抗器” 和发明专利号为200810011902X的“一种自身取能的快速响应可控电抗器”提出了两种可 控饱和电抗器。中国水利水电出版社2008年出版蔡宣三，高越农著《可控饱和电抗器原理、 设计与应用》一书也对可控饱和电抗器作了总结。提出的各种可控饱和电抗器各具特色，但 是，这些可控饱和电抗器的直流电流回路复杂，电抗器的电抗值调节范围较小、电抗器的容 量较小、功能单一。
发明专利号为20101057539 的“具有柔性开关特性的电流限制装置及方法”提 出了一种电流限制装置及方法。这种装置及方法，在控制设备发出切断命令时可减小正常 负荷电流和短路电流至几乎关断，控制设备发出开通命令时可接通正常负载，输电回路几 乎完全导通。这种装置及方法工作在导通和截止这两种工作状态，当工作在这两种工作状 态时性能优越，但是不能作为可控电抗器使用。发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种可控饱和电抗器及其控制方法，它 将具有柔性开关特性的电流限制装置及方法应用于可控饱和电抗器领域；而且该方法所用 的可控饱和电抗器具有控制器件耐压很小、直流电流回路简单，电抗器的电抗值调节范围 大、电抗器的容量大、功能多样、安全性较好的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下方法
一种可控饱和电抗器，它包括饱和电抗器，饱和电抗器有四个端子；电抗线圈端子 I和电抗线圈端子II连接饱和电抗器内部电抗线圈Li，提供交流电流通路；直流线圈端子 I和直流线圈端子II连接饱和电抗器内部直流线圈L2，提供直流电流通路；电抗线圈Ll与 直流线圈L2通过饱和电抗器内部的闭环铁芯相互作用；
一个由二极管组成的全桥整流电路；整流电路的一个输入端与饱和电抗器的电抗 线圈Ll 一个端子串接，另一输入端与输出端子连接；同时一对反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6并联于全桥整流电路的两输入端间；反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6均由控制电路 控制；整流电路一个输出端经一个正向二极管D8和直流线圈L2串行连接，另一输出端直接 与直流线圈L2串接，并形成闭环；
一个控制电路，控制反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的触发角的大小，调节流过 晶闸管D5和晶闸管D6交流电流的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。
所述饱和电抗器中的电抗线圈Ll为一个线圈，或多个线圈串/并联组成；所述饱 和电抗器中的直流线圈L2为一个线圈，或多个线圈串和/或并联组成。
所述反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6两端为工频电压；其中晶闸管D5或晶闸管 D6在电压的正半波导通，晶闸管D6或晶闸管D5在电压的负半波导通；可控饱和电抗器的 控制电路可从0°至180°范围连续控制晶闸管D5的导通量，控制电路向晶闸管D5发触发 脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管D6发触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6先后分 别导通；晶闸管D5的触发角为0°时，晶闸管D5和晶闸管D6全导通；晶闸管D5的触发角 为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全关断；晶闸管D5和晶闸管D6的触发角小时，晶闸管 D5和晶闸管D6的导通量大；晶闸管D5和晶闸管D6的触发角大时，晶闸管D5和晶闸管D6 的导通量小。
所述直流线圈L2的两端连接分别并联串联的电阻Rl和电容Cl ；直流线圈L2的 两端还并联有串联的电阻R2和二极管D7 ；同时直流线圈L2的两端还并联过电压保护模块 I。
所述电抗线圈端子I为装置输入端子，连接电力系统输电回路电源侧，输出端子 接电力系统输电回路负荷侧。
一种可控饱和电抗器的控制方法，当控制电路的触发角为0°时，晶闸管D5和晶 闸管D6全导通，流入可控饱和电抗器的交流电流全部经反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6 流通，不流入直流线圈L2 ；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电抗为装置的最大值；
当控制电路逐步加大晶闸管D5的触发角，反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6从全 导通状态逐步减小导通量，流过反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的交流电流由最大值逐 渐变小；流入直流线圈L2的直流电流就从零逐渐增大；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电 抗值从装置的最大值逐渐变小；
当控制电路的触发角为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全关断，流入可控饱和电 抗器的交流电流不经过反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6流通，全部流入饱和电抗器直流 线圈L2 ；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电抗为装置的最小值；
可控饱和电抗器的控制电路控制反向并联的晶闸管D5和D6的触发角的大小，调 节流过晶间管D5和D6交流电流的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。
本发明的有益效果是装置用于超高压电力系统时，整流电路所用二极管和反向 并联的晶闸管耐受电压要求低，装置安全可靠；可控饱和电抗器的电抗值可大范围调节，电 抗器容量大。可使可控饱和电抗器具备多种功能和用途，提高装置的性价比。反向并联的 晶闸管D5和D6导通量小，可控饱和电抗器的电抗值小；反向并联的晶闸管D5和D6导通量 大，可控饱和电抗器的电抗值大，可控饱和电抗器的半导体器件晶闸管在运行中，如果由于 击穿而全导通，可控饱和电抗器电抗值呈现最大值，有利于可控饱和电抗器的运行安全性。
图1表示一种可控饱和电抗器的结构与连接方式。
其中，1.电抗线圈端子I，2.电抗线圈端子II，3.直流线圈端子I，4.直流线圈端 子II，5.输出端子，6.饱和电抗器，7.控制电路，8.过电压保护器Ι，9.过电压保护器II。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
一种可控饱和电抗器的结构与连接方式如图1所示。一套饱和电抗器，饱和电抗 器有四个端子；电抗线圈端子Il和电抗线圈端子112连接饱和电抗器内部电抗线圈Li，提 供交流电流通路；直流线圈端子I 3和直流线圈端子II 4连接饱和电抗器内部直流线圈 L2，提供直流电流通路；电抗线圈Ll与直流线圈L2通过饱和电抗器内部的闭环铁芯相互作 用；图1表示的一种可控饱和电抗器的结构与连接方式中的饱和电抗器6是示意图。饱和 电抗器6中的电抗线圈Ll可以是多个线圈串、并联组成，饱和电抗器中的直流线圈L2可以 是多个线圈串、并联组成。这样，可使饱和电抗器6的电抗线圈Ll的交流电流对直流回路不 产生影响。饱和电抗器6对外表现为两个交流电抗线圈端子Il和电抗线圈端子112，两个 直流线圈端子13和直流线圈端子114。饱和电抗器6可选用发明专利号为20101057539 的“具有柔性开关特性的电流限制装置及方法”的饱和电抗器，也可选用发明专利号为 2010105840411的“一种饱和电抗器”所表述的饱和电抗器，或选用其他型式的饱和电抗器。
一个由二极管组成的全桥整流电路；整流电路的两个输入端与饱和电抗器的电抗 线圈Ll串行连接于装置的输入与输出端子5; —对反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6并联 于全桥整流电路的输入端。反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6分别受控制电路7控制。整 流电路输出端与一个正向二极管D8和直流线圈L2串行连接，并形成闭环；
一个控制电路7，其输出端分别连接晶闸管D5和晶闸管D6的触发端子。反向并联 的晶闸管D5和晶闸管D6两端为工频电压，晶闸管D5可在电压的正半波导通，晶闸管D6可 在电压的负半波导通；可控饱和电抗器6的控制电路7可从0°至180°范围连续控制晶闸 管D5的导通量，控制电路7向晶闸管D5发触发脉冲后的10毫秒(工频180° )也向晶闸 管D6发触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6先后分别导通；晶闸管D5的触发角为0°时， 晶闸管D5和晶闸管D6全导通；晶闸管D5的触发角为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全 关断；晶闸管D5和晶闸管D6的触发角小时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量大；晶闸管D5 和晶闸管D6的触发角大时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量小。
所述整流电路是由二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的全桥整流电 路；该整流电路输出还并联过电压保护模块119。所述直流线圈L2的两端连接分别并联有 串联的电阻Rl和电容Cl，并联有串联的电阻R2和二极管D7，还并联过电压保护模块18。
电抗线圈端子I 1为装置输入端子，连接电力系统输电回路电源侧，输出端子5接 电力系统输电回路负荷侧。
当控制电路7命令晶闸管D5和晶闸管D6全导通时，全桥整流电路输入端的正方 向和反方向电压都被晶闸管D5和晶闸管D6的正向导通二极管电压所限制。全桥整流电路 要给饱和电抗器直流线圈L2送电，全桥整流电路输入端的电压至少要大于全桥整流电路 两个二极管的管压降，再加上一个二极管D8的管压降。可见，流入可控饱和电抗器的电流全部经晶间管D5和晶间管D6流通，不再流经饱和电抗器直流线圈L2，饱和电抗器直流线圈 L2中的电流下降为零，饱和电抗器铁芯完全脱离饱和状态；饱和电抗器的电抗线圈Ll的电 抗变为装置的最大值。
当控制电路7命令晶闸管D5和晶闸管D6全关断时，流入可控饱和电抗器的交流 电流不经过反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6流通，全部输入全桥整流电路，经全桥整流电 路整流后给直流线圈L2提供直流电流；饱和电抗器铁芯处于设定的最大饱和状态；饱和电 抗器6的电抗线圈Ll的电抗为装置的最小值。
当控制电路7命令晶闸管D5和晶闸管D6不完全导通时，流入可控饱和电抗器交 流电流的一部分经反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6旁路；剩余的部分输入全桥整流电路， 经全桥整流电路整流后给直流线圈L2提供直流电流；流经饱和电抗器直流线圈L2的电流 较小，饱和电抗器铁芯浅饱和；在饱和电抗器6的电抗器中流过的是交流电流，该交流电流 在饱和电抗器6的铁芯中产生交流磁通，使饱和电抗器铁芯在部分时段饱和，在余下时段 不饱和；饱和电抗器6的电抗线圈Ll的电抗值处在装置的最大值与最小值之间。
当控制电路7控制晶闸管D5和晶闸管D6从截至状态逐步加大导通量，最后全导 通时，饱和电抗器直流线圈L2的直流电流也就从最大值逐渐减小至零；饱和电抗器的电抗 线圈Ll的电抗值从装置的最小值逐渐变为最大值；
控制电路7控制反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的导通量的大小，调节流过晶 闸管D5和晶闸管D6交流电流的大小，实现调节流过饱和电抗器直流线圈电流的大小，即可 连续调节可控饱和电抗器的电抗值。
饱和电抗器6的直流线圈L2是储能元件。晶闸管D5和晶闸管D6导通量变化后， 饱和电抗器直流线圈L2中的直流电流不能马上随之变化。二极管D7与串接的电阻R2，为 其提供续流通路。电阻R2消耗能量，加快饱和电抗器直流线圈L2中直流电流的变化，减小 暂态过程。电容Cl与串接的电阻R1，也可加快饱和电抗器直流线圈L2中直流电流的变化， 减小暂态过程。
可控饱和电抗器的半导体器件晶闸管在运行中，如果由于击穿而全导通，饱和电 抗器6直流线圈L2的直流电流下降为零，可控饱和电抗器6电抗值呈现最大，提高了可控 饱和电抗器的运行安全性。
控制电路7向晶闸管D5发触发脉冲后的10毫秒(工频180 ° )也向晶闸管D6 发触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6先后分别导通；晶闸管D5的触发角为0°时，晶闸 管D5和晶闸管D6全导通；晶闸管D5的触发角为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全关断。 这种控制方法可使电流的正半波与负半波对称，直流线圈L2的直流电流较平稳，可控饱和 电抗器的输出波形较好。如果晶闸管D5和晶闸管D6分别导通的间隔不是10毫秒(工频 180° )，控制电路7控制反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的导通量也可连续逐渐增大或 减小，但是可控饱和电抗器的输出波形较差。
饱和电抗器6如果选用发明专利号为20101057539 的“具有柔性开关特性的电 流限制装置及方法”的饱和电抗器，在饱和电抗器6交流电抗线圈Ll的电抗线圈端子I 1 和电抗线圈端子112之间加工作电压的条件下，电抗线圈Ll流过正常励磁电流，则所述一 种可控饱和电抗器的电抗值可在几乎完全导通至正常励磁电流之间连续调节。
本发明方法构成的可控饱和电抗器可串联于输电回路使用，也可并联于电力系统使用。当并联于电力系统使用，需采取技术措施防止晶闸管D5和晶闸管D6全截止时，可控 饱和电抗器最小值太低，流过可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电流过大。可采用减小饱和电 抗器直流线圈的匝数等措施来提高饱和电抗器的电抗线圈Ll的电抗最小值。
本发明的可控饱和电抗器的方法可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔 应用前景。
权利要求
1.一种可控饱和电抗器，其特征是，它包括饱和电抗器，饱和电抗器有四个端子；电抗 线圈端子I和电抗线圈端子II连接饱和电抗器内部电抗线圈Li，提供交流电流通路；直流 线圈端子I和直流线圈端子II连接饱和电抗器内部直流线圈L2，提供直流电流通路；电抗 线圈Ll与直流线圈L2通过饱和电抗器内部的闭环铁芯相互作用；一个由二极管组成的全桥整流电路；整流电路的一个输入端与饱和电抗器的电抗线圈 Ll 一个端子串接，另一输入端与输出端子连接；同时一对反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6 并联于全桥整流电路的两输入端间；反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6均由控制电路控制； 整流电路一个输出端经一个正向二极管D8和直流线圈L2串行连接，另一输出端直接与直 流线圈L2串接，并形成闭环；一个控制电路，控制反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的触发角的大小，调节流过晶闸 管D5和晶间管D6交流电流的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。
2.如权利要求1所述的可控饱和电抗器，其特征是，所述饱和电抗器中的电抗线圈Ll 为一个线圈，或多个线圈串/并联组成；所述饱和电抗器中的直流线圈L2为一个线圈，或多 个线圈串和/或并联组成。
3.如权利要求1所述的可控饱和电抗器，其特征是，所述反向并联的晶闸管D5和晶闸 管D6两端为工频电压；其中晶闸管D5或晶闸管D6在电压的正半波导通，晶闸管D6或晶闸 管D5在电压的负半波导通；可控饱和电抗器的控制电路可从0°至180°范围连续控制晶 闸管D5的导通量，控制电路向晶闸管D5发触发脉冲后的10毫秒即工频180°也向晶闸管 D6发触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6先后分别导通；晶闸管D5的触发角为0°时，晶闸 管D5和晶闸管D6全导通；晶闸管D5的触发角为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全关断； 晶闸管D5和晶闸管D6的触发角小时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量大；晶闸管D5和晶 闸管D6的触发角大时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量小。
4.如权利要求1所述的可控饱和电抗器，其特征是，所述直流线圈L2的两端连接分别 并联串联的电阻Rl和电容Cl ；直流线圈L2的两端还并联有串联的电阻R2和二极管D7;同 时直流线圈L2的两端还并联过电压保护模块I。
5.如权利要求1所述的可控饱和电抗器，其特征是，所述电抗线圈端子I为装置输入端 子，连接电力系统输电回路电源侧，输出端子接电力系统输电回路负荷侧。
6.一种权利要求1所述的可控饱和电抗器的控制方法，其特征是，当控制电路的触发 角为0°时，晶闸管D5和晶闸管D6全导通，流入可控饱和电抗器的交流电流全部经反向并 联的晶闸管D5和晶闸管D6流通，不流入直流线圈L2 ；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电抗 为装置的最大值；当控制电路逐步加大晶闸管D5的触发角，反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6从全导通 状态逐步减小导通量，流过反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6的交流电流由最大值逐渐变 小；流入直流线圈L2的直流电流就从零逐渐增大；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电抗值 从装置的最大值逐渐变小；当控制电路的触发角为180°时，晶闸管D5和晶闸管D6全关断，流入可控饱和电抗器 的交流电流不经过反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6流通，全部流入饱和电抗器直流线圈 L2 ；可控饱和电抗器电抗线圈Ll的电抗为装置的最小值；可控饱和电抗器的控制电路控制反向并联的晶闸管D5和D6的触发角的大小，调节流过晶间管D5和D6交流电流的大小，从而连续调节可控饱和电抗器的电抗值。
全文摘要
本发明公开了电力系统送变电技术领域的一种可控饱和电抗器及其控制方法。它提供了一种反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6导通量小，可控饱和电抗器的电抗值小；反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6导通量大，可控饱和电抗器的电抗值大，连续调节反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6导通量即可连续调节可控饱和电抗器电抗值的方法。并且具有控制器件耐压很小、直流电流回路简单，电抗器的电抗值调节范围大、电抗器的容量大、功能多样、安全性较好的优点。
文档编号H02P13/00GK102035454SQ20111000120
公开日2011年4月27日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者李晓明 申请人:山东大学