1 引言
電抗器按其特性可分爲固定電抗器和可變電抗器。随着電力系統的發展，在很(hěn)多場合都(dōu)希望電抗器的電抗值能夠實時調節。
可變電抗器經曆了從機械式到電磁式，再到電力電子式的發展過程。機械式可調電抗器結構簡單，線性度好，但不能實現電感的平滑調節，目前應用較少。電磁式可變電抗器通過改變鐵心的磁阻來改變電感。磁阻大，則電感小；反之，磁阻小，則電感大。電磁式可變電抗器制造(zào)工藝簡單，成本較低，在限制過電壓、補償無功功率等方面應用潛力大。其主要缺點是響應時間長，振動和噪聲較大。電力電子電抗器是近年來研究和開發出(chū)來的一種新型可變電抗器，它采用電磁技術、電力電子技術、控制技術、計算機技術等，可實現阻抗值的連續無級可調。典型代表有晶閘管式電抗器、IGBT式電抗器。
這裏主要研究晶閘管式電力電子電抗器，它結合了傳統機械式電抗器和電磁式電抗器的優點，對傳統電抗器進行改進，可實現電抗值的連續無級可調，且高次諧波較小。
2 電力電子電抗器結構
傳統的機械式電抗器結構如圖1所示(shì)。采用調節分接頭式的方式來改變電抗器的電感，僅能實現阻抗的有級變換。這裏所述的電力電子電抗器将傳統電抗器與電力電子技術相結合，其結構如圖2所示(shì)。
對比圖1，2知，電力電子電抗器将傳統電抗器的單邊繞組(zǔ)結構設計成雙邊繞組(zǔ)結構，其初級繞組(zǔ)與負載、電網串接、次級繞組(zǔ)與電力電子阻抗變換器相接，通過阻抗變換控制器控制電力電子阻抗變換器的工作狀态，調節電抗變換器次級繞組(zǔ)的電流與阻抗，改變電抗變換器初級繞組(zǔ)的電流和阻抗，實現電抗器的阻抗變換。
3 電力電子電抗器拓撲結構
電力電子電抗器是一種較典型的可變電抗器。三組(zǔ)兩兩反并聯的晶閘管構成電力電子阻抗變換器，通過控制晶閘管的導通角就(jiù)可控制電抗器的等效阻抗值。其拓撲結構如圖3所示(shì)。其一相的等效電路模型如圖4所示(shì)。
文獻已經詳細推導了電力電子電抗器的阻抗變換原理。晶閘管控制角α與電力電子電抗器次級繞組(zǔ)ax端等效阻抗之間的關系爲：
當α=0°時，晶閘管全導通，電力電子電抗器次級繞組(zǔ)相當于短路，電流最大，初級繞組(zǔ)電流最大，此時電力電子電抗器初級繞組(zǔ)阻抗最小。
當α=180°時，晶閘管關斷，電力電子電抗器二次繞組(zǔ)相當于開路，電流最小，初級繞組(zǔ)電流最小，此時電力電子電抗器初級繞組(zǔ)阻抗最大。
當α在0°～180°之間時，電力電子電抗器初級繞組(zǔ)阻抗介于最大值與最小值之間，且連續可調。
4 建模與阻抗變換分析
在Matlab／Simulink中，利用電氣模塊PSB對三相電力電子電抗器進行建模與阻抗變換分析。三相電力電子電抗器仿真模型包括：三相電源模塊、三相可變電抗器模塊、三相晶閘管阻抗變換模塊、脈沖觸發器模塊、負載模塊等。
設置電源參數：電壓峰值爲，頻率爲50 Hz；電力電子電抗變換器功率：Pn=107VA，fn=50Hz；初級線圈參數：U1=104V，R1=2 mΩ，L1=0．05H；次級線圈參數：U2=25×105V，R2=2 mΩ，L2=0．05 H；磁阻Rm=200 Ω；勵磁電感Lm=200 H。晶閘管參數使用默認值。設置Series RLC Branch的參數：R=100 Ω，L=0．05 H；C爲inf，此時負載爲感性負載。改變α得到仿真數據，根據此數據可描點繪出(chū)感性負載時α與電力電子電抗器的阻抗模值Z的關系圖，如圖5所示(shì)。
由(yóu)圖5可見，随着α的增大，電力電子電抗器初級繞組(zǔ)電壓增大，電流減小，初級繞組(zǔ)阻抗增大，即電力電子電抗器阻抗随α的增大而(ér)增大。這與第3節中理論分析完全一緻。
5 電力電子電抗器的應用及實驗
5．1 電力電子電抗器式軟起(qǐ)動器構建
軟起(qǐ)動器結構圖如圖6所示(shì)。電機起(qǐ)動時，首(shǒu)先合上K1，電力電子電抗器初級繞組(zǔ)與電機、電網串接。根據阻抗變換原理，阻抗變換控制器通過改變電力電子阻抗變換器中晶閘管的觸發角，來改變電力電子電抗器初級繞組(zǔ)的阻抗。随着該阻抗從大到小減小，加在電機上的電壓由(yóu)小逐漸增大，電機轉速逐漸上升，當接近額定轉速時，合上K2，斷開K1，軟起(qǐ)動結束，電機以額定轉速運行。
5．2 軟起(qǐ)動實
實驗對象爲Y90S-4型三相繞線電機，其額定功率1．1 kW，定子Y型連接，額定電壓380 V，額定電流2．7 A，頻率50 Hz，額定轉速1 390 r·min-1，功率因數爲0．78。爲驗證電力電子電抗器在電機軟起(qǐ)動中的應用效果，進行了電機全壓直接起(qǐ)動和帶電力電子電抗器軟起(qǐ)動兩種實驗。
電機空載全壓直接起(qǐ)動：直接合上K2，電機全壓直接起(qǐ)動，起(qǐ)動電流波形如圖7a所示(shì)。圖中，電機全壓直接起(qǐ)動時，起(qǐ)動過程很(hěn)短，最大起(qǐ)動沖擊(jī)電流爲13．7 A，爲額定電流的5．1倍；帶電力電子電抗器軟起(qǐ)動：合上K1，電機帶電力電子電抗器軟起(qǐ)動，起(qǐ)動電流波形如圖7b所示(shì)。
電機帶電力電子電抗器起(qǐ)動時，起(qǐ)動過程明顯延長了，電機平滑地起(qǐ)動，最大起(qǐ)動沖擊(jī)電流爲7．1 A，爲額定電流的2．6倍。對比圖7a，b可見，與全壓直接起(qǐ)動相比，帶電力電子電抗器軟起(qǐ)動能減小電機起(qǐ)動電流，達到保護電機及減小電機起(qǐ)動對電網影響的目的。
6 結論
電力電子電抗器的結構是對傳統機械式可變電抗器結構的創新，這種結構具有高壓與低壓隔離、無源阻抗變換、對元器件的耐壓要求低、阻抗無極調節等優點。已成功運用于高壓電機軟起(qǐ)動、靜止無功補償器、動态諧波抑制、風機水泵的調速等方面，具有廣闊的應用價值。
