专利摘要

本发明公开了一种通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统及工作方法，包括缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速退磁线圈、缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速励磁线圈，所述快速退磁线圈和快速励磁线圈均与主线圈绕向相同，还包括快速退磁电路、快速励磁电路、变压器和快速励磁控制器。本发明的有益效果是，通过上述发明技术，能够有效解决磁控电抗器响应速度偏慢、在电网低电压故障时无法快速提供足够的无功能量的问题，将磁控电抗器在低电压穿越时的响应时间提高一个数量级，完全满足电网低电压穿越要求。

权利要求

1.通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，包括缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速退磁线圈、缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速励磁线圈，所述快速退磁线圈和快速励磁线圈均与主线圈绕向相同，还包括快速退磁电路、快速励磁电路、变压器和快速励磁控制器；

其中，所述快速退磁电路包括快速退磁整流充电电路、快速退磁电容、快速退磁放电电路，所述快速退磁电容与快速退磁线圈并联，所述变压器与快速退磁电容并联，所述快速退磁整流充电电路串联在变压器与快速退磁电容连接的支路上，所述快速退磁放电电路设置于快速退磁电容与快速退磁线圈连接的支路上，且快速退磁整流充电电路与快速退磁放电电路串联；

所述快速励磁电路包括快速励磁整流充电电路、快速励磁电容、快速励磁放电电路，所述快速励磁电容与快速励磁线圈并联，所述变压器与快速励磁电容并联，所述快速励磁整流充电电路串联在变压器与快速励磁电容连接的支路上，所述快速励磁放电电路设置于快速励磁电容与快速励磁线圈连接的支路上，且快速励磁整流充电电路与快速励磁放电电路串联；

所述快速退磁整流充电电路驱动输入端、快速退磁放电电路驱动输入端、快速励磁整流充电电路驱动输入端和快速励磁放电电路驱动输入端分别与励磁控制器的光纤控制信号对应驱动输出端连接；

在电网系统低电压故障时，励磁控制器通过快速退磁电路使磁控电抗器快速进入并维持空载运行状态；在电网系统高电压故障时，励磁控制器通过快速励磁电路使磁控电抗器快速进入并维持满载运行状态；在低电压穿越成功后，磁控电抗器以PID闭环控制的方法控制磁控电抗器，动态锁定监测点的电压和功率因数；电网正常无故障时，快速退磁电路和快速励磁电路处于满充备用状态,自励磁电路以PID闭环的方式动态调节磁控电抗器输出无功电流，锁定监测点功率因数或电压。

2.如权利要求1所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述快速退磁整流充电电路由第三互补晶体管驱动电路和第三电子开关组成，所述互补晶体管驱动电路的输出和第三电子开关的门极-阴极并联，所述快速退磁放电电路由第四互补晶体管驱动电路和第四电子开关组成，第四互补晶体管驱动电路的输出和第四电子开关的门极-阴极并联。

3.如权利要求2所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述第四电子开关为可控硅或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

4.如权利要求1所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述快速励磁整流充电电路由第五互补晶体管驱动电路和第五电子开关组成，所述第五互补晶体管驱动电路的输出和第五电子开关的门级-阴极并联，所述快速励磁放电电路由第六互补晶体管驱动电路和第六电子开关组成，第六互补晶体管驱动电路的输出和第六电子开关的门级-阴极并联。

5.如权利要求4所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述第六电子开关为可控硅或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

6.如权利要求1所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的6％～25％，所述快速励磁线圈的匝数为主线圈匝数的6％～25％。

7.如权利要求6所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，其特征是，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的9％，所述快速励磁线圈的匝数为主线圈匝数的9％。

8.基于权利要求1-7任一所述的通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统的工作方法，其特征在于，快速励磁控制器对监测点依次进行瞬时值采样、瞬时无功计算，获取监测点电压值和磁控电抗器电流值，并将监测点电压分别与低压阈值和高压阈值进行比较；若监测点电压高于低压阈值并低于高压阈值，系统用PID控制的方法控制自励磁电路，快速励磁电路、快速退磁电路处于储能备用状态；

若监测点电压低于低压阈值，并且磁控电抗器电流大于额定电流的5％时，自励磁切换到空载运行，同时快速退磁电路放电运行，快速将磁控电抗器输出电流拉低，当磁控电抗器电流拉低到5％以下时，如果监测点电压还未恢复正常，快速退磁电路停止放电，通过自励磁使磁控电抗器保持在空载状态，直到监测点电压恢复正常；

若监测点电压高于高压阈值，并且磁控电抗器电流小于额定电流的95％时，自励磁切换到满载运行，同时快速励磁电路放电运行，快速将磁控电抗器输出电流拉高，当磁控电抗器电流拉高到95％以上时，如果监测点电压还未恢复正常，快速励磁电路停止放电，通过自励磁使磁控电抗器保持在满载状态，直到监测点电压恢复正常。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压无功补偿领域，尤其是一种通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统及工作方法。

背景技术

目前，现有磁控电抗器技术的主要问题是响应速度慢。随着风力发电的大幅度发展和主干网的扩大，需要无功补偿在电网发生故障低电压时快速输出无功能量，提供有效电压支撑，帮助风电机组穿越低电压。避免风电机组脱网。电力行业相关标准对无功补偿设备的响应时间规定为小于60ms，以防止低电压穿越失败造成大规模风电机组脱网。但是现有磁控电抗器响应时间都大于300ms，达不到电网对无功补偿的响应速度要求，影响了风电场整体低电压穿越能力。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，包括三相六柱式磁控电抗器，其特征在于，包括缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速退磁线圈、缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速励磁线圈，所述快速退磁线圈和快速励磁线圈均与主线圈绕向相同，还包括快速退磁电路、快速励磁电路、变压器和快速励磁控制器；

其中，所述快速退磁电路包括快速退磁整流充电电路、快速退磁电容、快速退磁放电电路，所述快速退磁电容与快速退磁线圈并联，所述变压器与快速退磁电容并联，所述快速退磁整流充电电路串联在变压器与快速退磁电容连接的支路上，所述快速退磁放电电路设置于快速退磁电容与快速退磁线圈连接的支路上，且快速退磁整流充电电路与快速退磁放电电路串联；

所述快速励磁电路包括快速励磁整流充电电路、快速励磁电容、快速励磁放电电路，所述快速励磁电容与快速励磁线圈并联，所述变压器与快速励磁电容并联，所述快速励磁整流充电电路串联在变压器与快速励磁电容连接的支路 上，所述快速励磁放电电路设置于快速励磁电容与快速励磁线圈连接的支路上，且快速励磁整流充电电路与快速励磁放电电路串联；

所述快速退磁整流充电电路驱动输入端、快速退磁放电电路驱动输入端、快速励磁整流充电电路驱动输入端和快速励磁放电电路驱动输入端分别与励磁控制器的光纤控制信号对应驱动输出端连接；

在电网系统低电压故障时，快速励磁控制器通过快速退磁电路使磁控电抗器快速进入并维持空载运行状态；在电网系统高电压故障时，快速励磁控制器通过快速励磁电路使磁控电抗器快速进入并维持满载运行状态；在低电压穿越成功后，快速磁控电抗器以PID闭环控制的方法控制磁控电抗器，动态锁定监测点的电压和功率因数；电网正常无故障时，快速退磁电路和快速励磁电路处于满充备用状态,自励磁电路以PID闭环的方式动态调节磁控电抗器输出无功电流，锁定监测点功率因数或电压。

优选的，所述快速退磁整流充电电路由第三互补晶体管驱动电路CTL3和第三电子开关K3组成，所述互补晶体管驱动电路CTL3的输出和第三电子开关K3的门极-阴极并联，所述快速退磁放电电路由第四互补晶体管驱动电路CTL4和第四电子开关K4组成，第四互补晶体管驱动电路CTL4的输出和第四电子开关K4的门极-阴极并联。

进一步优选的，所述第四电子开关K4为可控硅、集成门极换流晶闸管或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

优选的，所述快速励磁整流充电电路由第五互补晶体管驱动电路CTL5和第五电子开关K5组成，所述第五互补晶体管驱动电路CTL5的输出和第五电子开关K5的门级-阴极并联，所述快速励磁放电电路由第六互补晶体管驱动电路CTL6和第六电子开关K6组成，第六互补晶体管驱动电路CTL6的输出和第六电子开关K6的门级-阴极并联。

进一步优选的，所述第六电子开关K6为可控硅、集成门极换流晶闸管或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

优选的，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的6％～25％，所述快速励磁线圈的匝数为主线圈匝数的6％～25％，

进一步优选的，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的9％，所述快速励磁 线圈的匝数为主线圈匝数的9％。

基于所述通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统的工作方法如下：快速励磁控制器对监测点依次进行瞬时值采样、瞬时无功计算，获取监测点电压值和磁控电抗器电流值，并将监测点电压分别与低压阈值和高压阈值进行比较；

若监测点电压高于低压阈值并低于高压阈值，系统用PID控制的方法控制自励磁电路，快速励磁电路、快速退磁电路处于储能备用状态，进而达到控制磁控电抗器输出无功电流、稳定监测点电压和功率的目的。

若监测点电压低于低压阈值，并且磁控电抗器电流大于额定电流的5％时，自励磁切换到空载运行，同时快速退磁电路放电运行，快速将磁控电抗器输出电流拉低，当磁控电抗器电流拉低到5％以下时，如果监测点电压还未恢复正常，快速退磁电路停止放电，通过自励磁使磁控电抗器保持在空载状态，直到监测点电压恢复正常。如此可以达到快速提高监测点电压并保持到电压恢复正常的目的。

若监测点电压高于高压阈值，并且磁控电抗器电流小于额定电流的95％时，自励磁切换到满载运行，同时快速励磁电路放电运行，快速将磁控电抗器输出电流拉高，当磁控电抗器电流拉高到95％以上时，如果监测点电压还未恢复正常，快速励磁电路停止放电，通过自励磁使磁控电抗器保持在满载状态，直到监测点电压恢复正常。如此可以达到快速降低监测点电压并保持到电压恢复正常的目的。

本发明的有益效果是，通过上述电路设置，能够有效解决磁控电抗器响应速度偏慢、在电网低电压故障时无法快速提供足够的无功能量的问题。能够将磁控电抗器在低电压穿越时的响应时间提高一个数量级，从300ms以上缩小到20ms以下，完全满足电网低电压穿越要求。结合磁控电抗器原有的高可靠性、高性价比、高压直挂、损耗低等优点，使磁控电抗器能够在未来特高压电网建设中发挥积极的作用。

附图说明

图1是三相六柱式磁控电抗器本体铁心结构图；

图2是现有磁控电抗器的A相本体结构图；

图3是现有磁控电抗器系统的A相电路图；

图4是本发明提供的磁控电抗器的A相本体结构图；

图5是本发明提供的磁控电抗器系统的A相电路图；

图6是本发明提供的励磁控制器的软件流程图；

其中11.第一心柱，12.第二心柱，11'.第三心柱，12'.第四心柱，11”.第五心柱，12”.第六心柱，2.上纵轭，3.下纵轭，4.上横轭，5.下横轭，6.自励磁线圈，7.快速退磁线圈，8.快速励磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

现有三相磁控电抗器铁心一般采用三相六柱结构，铁心结构如图1所示，图1中我们可以看到，磁控电抗器的心柱上分布着多个小截面段，在电抗器的整个容量调节范围内，仅有小截面段铁芯磁路工作在饱和区，而大截面段始终工作于线性区。

第一心柱11和第二心柱12套接A相线圈，第三心柱11'和第四心柱12'套接B相线圈，第五心柱11”和第六心柱12”套接C相线圈。三相线圈根据需要接成角形或星形。其中A相的铁心套接线圈后的示意图如图2所示，且B相、C相的铁心套接结构与A相相同。

如图3所示，两个心柱上分别对称地绕有匝数为N/2的两个线圈，其上有抽头比为δ＝N₂/N的抽头，δ一般为1％左右。它们之间接有晶闸管K1、K2，不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联到电网中，续流二极管D1则横跨在交叉端点上。在电源的一个工频周期内，励磁控制器根据电网系统需要，通过改变导通角度的大小使两个晶闸管轮流导通，改变电抗值大小，从而达到无功连续可调的目的。

本发明是在现有的磁控电抗器基础上进行了电路结构的改进，本发明提供的技术方案如下：

如图4所示，通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统，包括三相六柱式磁控电抗器，其特征在于，包括缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速退磁线圈、缠绕于磁控电抗器的纵轭上的快速励磁线圈，所述快速退磁线圈和快速励磁线圈均与主线圈绕向相同，还包括快速退磁电路、快速励磁电路、变压器和快速 励磁控制器；

其中，所述快速退磁电路包括快速退磁整流充电电路、快速退磁电容、快速退磁放电电路，所述快速退磁电容与快速退磁线圈并联，所述变压器与快速退磁电容并联，所述快速退磁整流充电电路串联在变压器与快速退磁电容连接的支路上，所述快速退磁放电电路设置于快速退磁电容与快速退磁线圈连接的支路上，且快速退磁整流充电电路与快速退磁放电电路串联；

所述快速励磁电路包括快速励磁整流充电电路、快速励磁电容、快速励磁放电电路，所述快速励磁电容与快速励磁线圈并联，所述变压器与快速励磁电容并联，所述快速励磁整流充电电路串联在变压器与快速励磁电容连接的支路上，所述快速励磁放电电路设置于快速励磁电容与快速励磁线圈连接的支路上，且快速励磁整流充电电路与快速励磁放电电路串联；

所述快速退磁整流充电电路驱动输入端、快速退磁放电电路驱动输入端、快速励磁整流充电电路驱动输入端和快速励磁放电电路驱动输入端分别与励磁控制器的光纤控制信号对应驱动输出端连接。

优选的，所述快速退磁整流充电电路由第三互补晶体管驱动电路CTL3和第三电子开关K3组成，所述互补晶体管驱动电路CTL3的输出和第三电子开关K3的门极-阴极并联，所述快速退磁放电电路由第四互补晶体管驱动电路CTL4和第四电子开关K4组成，第四互补晶体管驱动电路CTL4的输出和第四电子开关K4的门极-阴极并联。

进一步优选的，所述第四电子开关K4为可控硅、集成门极换流晶闸管或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

优选的，所述快速励磁整流充电电路由第五互补晶体管驱动电路CTL5和第五电子开关K5组成，所述第五互补晶体管驱动电路CTL5的输出和第五电子开关K5的门级-阴极并联，所述快速励磁放电电路由第六互补晶体管驱动电路CTL6和第六电子开关K6组成，第六互补晶体管驱动电路CTL6的输出和第六电子开关K6的门级-阴极并联。

进一步优选的，所述第六电子开关K6为可控硅、集成门极换流晶闸管或者绝缘栅双极性晶体管任一种。

优选的，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的6％～25％，所述快速励磁 线圈的匝数为主线圈匝数的6％～25％，

进一步优选的，所述快速退磁线圈匝数为主线圈匝数的9％，所述快速励磁线圈的匝数为主线圈匝数的9％。

进一步，所述磁控电抗器为单相磁控电抗器或三相磁控电抗器。

下面结合实施例对所述通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统的工作过程进行说明。快速退磁电路包括退快速磁整流充电电路、快速退磁电容、快速退磁放电电路。在电网电压正常时，电网升压后通过K3为电容C1充满电，电容C1满充备用；当电网节点发生低电压故障后，K4触发导通，快速励磁电容C1向快速退磁线圈放电，快速降低磁控电抗器的电流，当磁控电抗器输出无功电流低于额定电流的5％时，K4强制截止，快速退磁过程结束。

快速励磁电路包括快速励磁整流充电电路、快速励磁电容和快速励磁放电电路，在电网电压正常时，电网升压后通过K5为电容C2充满电，电容C2满充备用，当电网节点发生高电压故障后K5触发导通，快速退磁电容C2向快速励磁线圈放电，快速提高磁控电抗器的电流，当磁控电抗器输出无功电流高于额定电流的95％时，K5截止，快速励磁过程结束。

基于所述通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统的工作方法如下

步骤一：在电网系统低电压故障时，快速退磁电路中，第四电子开关K4触发导通，同时自励磁电路自动锁定到额定空载控制角度，当磁控电抗器输出电流调节到5％以下后，通过第四互补晶体管驱动电路CTL4中包含反向强制关断功能，控制第四电子开关K4截止，快速退磁过程结束，自励磁电路通过PID闭环控制使磁控电抗器进入并维持空载闭环运行状态；

步骤二：在低电压穿越成功后，一般电网会出现高电压，如果电网监测点出现高电压，第六电子开关K6触发导通，快速退磁电容C2向快速励磁线圈放电，快速提高磁控电抗器的电流，同时自励磁电路自动锁定到额定满载控制角度，当磁控电抗器输出电流调节到95％以上后，通过第六互补晶体管驱动电路CTL6中包含反向强制关断功能，控制第六电子开关K6截止，快速退磁过程结束，自励磁电路通过PID闭环控制使磁控电抗器进入并维持满载闭环运行状态；

步骤三：电网正常无故障时或故障后电压回归正常后，快速退磁电路和快速励磁电路的电容均充满，处于备用状态，自励磁电路PID闭环运行，动态调 节磁控电抗器输出无功电流，锁定监测点功率因数和电压。

实施例参数如下：

磁控电抗器为三相六柱，第三电子开关、第四电子开关、第五电子开关和第六电子开关均为可控硅，励磁控制器采用TMS320F2812芯片。

主线圈匝数N为2222匝，快速退磁线圈匝数为200匝，为主线圈匝数的9％，漆包铜线，线截面积为10平方毫米，励磁线圈匝数为200匝，为主线圈匝数的9％，漆包铜线，线截面积为10平方毫米。

变压器T1型号为3kVA-400V/1100V，电阻R1和电阻R3额定电阻/额定功率为100Ω/2KW，可控硅K3和可控硅K5型号均为KP8 200-65，可控硅K4、K6型号均为KP8 400-65，电容C1和电容C2规格为3800μF/1500V，电阻R2和电阻R4额定电阻/额定功率均为200Ω/1KW。

试验结果如表1所示：

表1传统磁控电抗器退磁时间和励磁时间表

表2本发明的磁控电抗器退磁时间和励磁时间表

由于快速励磁电路、快速退磁电路不工作时，磁控电抗器系统与传统磁控电抗器系统等效，因此，试验快速励磁电路、快速退磁电路不工作条件下，获取磁控电抗器的退磁时间和励磁时间，并将上述参数作为传统磁控电抗器的退磁时间和励磁时间，由表1可知，传统磁控电抗器系统的退磁时间为453ms， 即从满载到空载的时间为453ms，磁控电抗器系统励磁时间为358ms，即从空载到满载的时间为358ms。

由表2可知，快速退磁线圈匝数和快速励磁线圈匝数均为主线圈匝数的6％条件下，快速励磁电路、快速退磁电路工作时的磁控电抗器系统，磁控电抗器系统退磁时间为39.23ms，即从满载到空载的时间为39.23ms，磁控电抗器系统励磁时间为36.35ms，即从空载到满载的时间为36.35ms。

快速退磁线圈匝数和快速励磁线圈匝数均为主线圈匝数的9％条件下，快速励磁电路、快速退磁电路工作时的磁控电抗器系统，磁控电抗器系统退磁时间为19.73ms，即从满载到空载的时间为19.73ms，磁控电抗器系统励磁时间为16.24ms，即从空载到满载的时间为16.24ms。

快速退磁线圈匝数和快速励磁线圈匝数均为主线圈匝数的25％条件下，快速励磁电路、快速退磁电路工作时的磁控电抗器系统，磁控电抗器系统退磁时间为12.63ms，即从满载到空载的时间为12.63ms，磁控电抗器系统励磁时间为11.90ms，即从空载到满载的时间为11.90ms。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

通过纵轭线圈快速响应的磁控电抗器系统及工作方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。