感抗 X_N 与铁芯磁导率(μ)成反比(X = ωL = ω×(N²Sμ)/l,N 为绕组匝数,S 为铁芯截面积,l 为磁路长度),通过控制铁芯饱和(降低 μ)可减小 X,增加无功输出(Q = U²/X,X 越小,Q 越大)。
当 I_dc = 0 时,铁芯处于不饱和状态,磁导率 μ 最大,感抗 X 最大,输出最小无功 Q_min(约为 Q_N 的 10%);
当 I_dc 增大至额定值(I_dcN),铁芯深度饱和,μ 最小,X 最小,输出额定无功 Q_N;
中间状态通过分段拟合公式计算:Q (I_dc) = Q_N × [1 - e^(-k×I_dc/I_dcN)](k 为拟合系数,通常取 2~3,通过实验数据校准)。
铁芯截面积 S:根据额定磁通密度(B_N = 1.7~1.8T,冷轧硅钢片 30Q130)计算,S = (U_N×10³) / (4.44×f×N×B_N)(f 为电网频率 50Hz);
磁路长度 l:由铁芯柱与铁轭组成,需满足磁动势平衡(N×I_dc = H×l,H 为磁场强度,根据 B-H 曲线查取);
绕组匝数 N:根据绝缘等级(110kV 级采用分级绝缘)和电流密度(J = 2.5~3A/mm²)设计,确保温升≤65K(环境温度 40℃时,热点温度≤105℃)。
三相 MCR 通常采用五柱式铁芯结构(中间三柱为工作柱,两侧为旁柱),工作柱上绕制交流绕组(串联于电网)和直流励磁绕组(控制回路),旁柱提供直流磁路通路,避免交流磁通干扰励磁回路。
单相等效电路需考虑交流绕组电阻(R_ac) 和励磁电感(L_exc),通过建立 “交流电压 - 励磁电流 - 无功输出” 的传递函数,为控制设计提供模型。
实验测试:在不同励磁电流下(0~I_dcN)测量输出无功 Q,绘制 Q-I_dc 曲线,通过最小二乘法拟合得到实用公式(如 Q = a×I_dc² + b×I_dc + c,a、b、c 为拟合参数);
线性化处理:在额定容量的 30%~100% 区间,通过分段线性化将非线性特性近似为线性关系(误差≤5%),简化控制算法(如 Q = k×I_dc + Q_min,k 为比例系数)。
励磁绕组匝数 N_dc:根据控制电压(U_dc = 220V)和额定励磁电流(I_dcN)计算,N_dc = (U_dc×η) / (4.44×f×Φ_dc),其中 η 为励磁效率(约 0.85),Φ_dc 为直流磁通(由铁芯饱和程度决定);
励磁调节器带宽:为实现≤50ms 的响应速度,励磁回路的 PI 调节器参数需满足:比例系数 K_p = 0.5~1.0,积分时间 T_i = 0.01~0.05s(通过阶跃响应实验整定,超调量≤10%)。
实时采集电网电压(U)、电流(I),计算瞬时无功功率 Q = U×I×sinφ(φ 为电压电流相位差);
根据电压偏差(ΔU = U - U_ref)和电网调度指令,通过电压 - 无功灵敏度系数(K = ΔU/ΔQ)计算目标无功 Q_ref = (U_ref - U) / K,确保 Q_ref 在 MCR 调节范围内(Q_min ≤ Q_ref ≤ Q_N)。
采用 “无功 - 电流双闭环控制”:
外环:将目标无功 Q_ref 与实际输出 Q 的偏差(ΔQ = Q_ref - Q)送入 PI 调节器,输出励磁电流指令 I_dc_ref;
内环:将 I_dc_ref 与实际励磁电流 I_dc 的偏差(ΔI = I_dc_ref - I_dc)送入另一个 PI 调节器,输出 PWM 占空比,控制励磁变流器输出直流电压,调节 I_dc 至指令值。
过励磁限制:当 I_dc ≥ 1.1×I_dcN 时,触发限幅(强制 I_dc = 1.1×I_dcN),避免铁芯过度饱和导致过热;
过电压保护:当电网电压 U ≥ 1.1×U_N 时,快速降低励磁电流(10ms 内降至 I_dc_min),减小无功输出(避免电压进一步升高);
谐波抑制:MCR 运行时会产生 3 次、5 次谐波(因铁芯非线性),需并联无源滤波器(如 3 次谐波滤波器,调谐频率 150Hz),使总谐波畸变率 THD≤3%。
空载试验:断开电网,施加额定电压,测量空载无功 Q_0(应≤5% Q_N),检查铁芯是否存在异常饱和;
负载调节试验:逐步增大励磁电流,记录 Q 与 I_dc 的关系曲线,验证与理论计算的偏差(需≤8%);
动态响应测试:突加负载(如阶跃增加 50% Q_N),测量从指令发出到 Q 稳定的时间(应≤50ms),调整 PI 参数优化响应速度;
谐波测试:在额定工况下测量输出电流谐波含量,确保 3 次谐波≤2%,总谐波≤3%,不满足时需调整滤波器参数。