感抗 X_N 與鐵芯磁導(dǎo)率(μ)成反比(X = ωL = ω×(N2Sμ)/l,N 為繞組匝數(shù),S 為鐵芯截面積,l 為磁路長(zhǎng)度),通過(guò)控制鐵芯飽和(降低 μ)可減小 X,增加無(wú)功輸出(Q = U2/X,X 越小,Q 越大)。
當(dāng) I_dc = 0 時(shí),鐵芯處于不飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率 μ 最大,感抗 X 最大,輸出最小無(wú)功 Q_min(約為 Q_N 的 10%);
當(dāng) I_dc 增大至額定值(I_dcN),鐵芯深度飽和,μ 最小,X 最小,輸出額定無(wú)功 Q_N;
中間狀態(tài)通過(guò)分段擬合公式計(jì)算:Q (I_dc) = Q_N × [1 - e^(-k×I_dc/I_dcN)](k 為擬合系數(shù),通常取 2~3,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn))。
鐵芯截面積 S:根據(jù)額定磁通密度(B_N = 1.7~1.8T,冷軋硅鋼片 30Q130)計(jì)算,S = (U_N×103) / (4.44×f×N×B_N)(f 為電網(wǎng)頻率 50Hz);
磁路長(zhǎng)度 l:由鐵芯柱與鐵軛組成,需滿足磁動(dòng)勢(shì)平衡(N×I_dc = H×l,H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度,根據(jù) B-H 曲線查取);
繞組匝數(shù) N:根據(jù)絕緣等級(jí)(110kV 級(jí)采用分級(jí)絕緣)和電流密度(J = 2.5~3A/mm2)設(shè)計(jì),確保溫升≤65K(環(huán)境溫度 40℃時(shí),熱點(diǎn)溫度≤105℃)。
三相 MCR 通常采用五柱式鐵芯結(jié)構(gòu)(中間三柱為工作柱,兩側(cè)為旁柱),工作柱上繞制交流繞組(串聯(lián)于電網(wǎng))和直流勵(lì)磁繞組(控制回路),旁柱提供直流磁路通路,避免交流磁通干擾勵(lì)磁回路。
單相等效電路需考慮交流繞組電阻(R_ac) 和勵(lì)磁電感(L_exc),通過(guò)建立 “交流電壓 - 勵(lì)磁電流 - 無(wú)功輸出” 的傳遞函數(shù),為控制設(shè)計(jì)提供模型。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試:在不同勵(lì)磁電流下(0~I_dcN)測(cè)量輸出無(wú)功 Q,繪制 Q-I_dc 曲線,通過(guò)最小二乘法擬合得到實(shí)用公式(如 Q = a×I_dc2 + b×I_dc + c,a、b、c 為擬合參數(shù));
線性化處理:在額定容量的 30%~100% 區(qū)間,通過(guò)分段線性化將非線性特性近似為線性關(guān)系(誤差≤5%),簡(jiǎn)化控制算法(如 Q = k×I_dc + Q_min,k 為比例系數(shù))。
勵(lì)磁繞組匝數(shù) N_dc:根據(jù)控制電壓(U_dc = 220V)和額定勵(lì)磁電流(I_dcN)計(jì)算,N_dc = (U_dc×η) / (4.44×f×Φ_dc),其中 η 為勵(lì)磁效率(約 0.85),Φ_dc 為直流磁通(由鐵芯飽和程度決定);
勵(lì)磁調(diào)節(jié)器帶寬:為實(shí)現(xiàn)≤50ms 的響應(yīng)速度,勵(lì)磁回路的 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)需滿足:比例系數(shù) K_p = 0.5~1.0,積分時(shí)間 T_i = 0.01~0.05s(通過(guò)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)整定,超調(diào)量≤10%)。
實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)電壓(U)、電流(I),計(jì)算瞬時(shí)無(wú)功功率 Q = U×I×sinφ(φ 為電壓電流相位差);
根據(jù)電壓偏差(ΔU = U - U_ref)和電網(wǎng)調(diào)度指令,通過(guò)電壓 - 無(wú)功靈敏度系數(shù)(K = ΔU/ΔQ)計(jì)算目標(biāo)無(wú)功 Q_ref = (U_ref - U) / K,確保 Q_ref 在 MCR 調(diào)節(jié)范圍內(nèi)(Q_min ≤ Q_ref ≤ Q_N)。
采用 “無(wú)功 - 電流雙閉環(huán)控制”:
外環(huán):將目標(biāo)無(wú)功 Q_ref 與實(shí)際輸出 Q 的偏差(ΔQ = Q_ref - Q)送入 PI 調(diào)節(jié)器,輸出勵(lì)磁電流指令 I_dc_ref;
內(nèi)環(huán):將 I_dc_ref 與實(shí)際勵(lì)磁電流 I_dc 的偏差(ΔI = I_dc_ref - I_dc)送入另一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器,輸出 PWM 占空比,控制勵(lì)磁變流器輸出直流電壓,調(diào)節(jié) I_dc 至指令值。
過(guò)勵(lì)磁限制:當(dāng) I_dc ≥ 1.1×I_dcN 時(shí),觸發(fā)限幅(強(qiáng)制 I_dc = 1.1×I_dcN),避免鐵芯過(guò)度飽和導(dǎo)致過(guò)熱;
過(guò)電壓保護(hù):當(dāng)電網(wǎng)電壓 U ≥ 1.1×U_N 時(shí),快速降低勵(lì)磁電流(10ms 內(nèi)降至 I_dc_min),減小無(wú)功輸出(避免電壓進(jìn)一步升高);
諧波抑制:MCR 運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生 3 次、5 次諧波(因鐵芯非線性),需并聯(lián)無(wú)源濾波器(如 3 次諧波濾波器,調(diào)諧頻率 150Hz),使總諧波畸變率 THD≤3%。
空載試驗(yàn):斷開(kāi)電網(wǎng),施加額定電壓,測(cè)量空載無(wú)功 Q_0(應(yīng)≤5% Q_N),檢查鐵芯是否存在異常飽和;
負(fù)載調(diào)節(jié)試驗(yàn):逐步增大勵(lì)磁電流,記錄 Q 與 I_dc 的關(guān)系曲線,驗(yàn)證與理論計(jì)算的偏差(需≤8%);
動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試:突加負(fù)載(如階躍增加 50% Q_N),測(cè)量從指令發(fā)出到 Q 穩(wěn)定的時(shí)間(應(yīng)≤50ms),調(diào)整 PI 參數(shù)優(yōu)化響應(yīng)速度;
諧波測(cè)試:在額定工況下測(cè)量輸出電流諧波含量,確保 3 次諧波≤2%,總諧波≤3%,不滿足時(shí)需調(diào)整濾波器參數(shù)。
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