【电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析】

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电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析

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,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。
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。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。
5、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。

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