电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析

摘要：可变电抗器是电力系统中调压调功控制、谐波治理和无功补偿的关键设备。电力电子电抗器是一种新型的可变电抗器，它采用电磁技术、电力电子技术、控制技术、计算机技术等实现阻抗值的连续可调。这里介绍了电力电子电抗器的拓扑结构，分析了其阻抗变换原理，对其阻抗变换进行了仿真，并将其应用在电机软起动中，给出了实验结果。仿真及实验结果表明，基于电力电子电抗器阻抗可连续变化的特性，可将其应用在电机软起动、无功补偿、谐波抑制等方面，具有良好的应用前景。
关键词：电抗器；阻抗变换；软起动

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结构如图1所示。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，其结构如图2所示。

对比图1，2知，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。