TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 65 4 4  ~ 655 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.497 2          6544     Re cei v ed  No vem ber 2 8 , 2013; Re vi sed  Apr 2, 2014;  Acce pted Jun e  10, 2014   Single-winding Regulation Mode of Controllable  Reactor of Transformer Type      Yibin Liu,   Mingxing Tian,   Jianning Yin  Schoo l of Auto mation a nd El e c trical Eng i ne e r ing, La nzh ou  Jiaoto ng U n ive r sit y   Lanz ho u, 730 0 70, Gansu pr o v ince, Ch ina, 1 365 94 658 40   Corresp on idn g  author, e-mai l y a ner w u min g @ 12 6.com       A b st r a ct   It is an i m por tant part to s e lect the  reg u l at io n mod e   i n   the desi gn and man u facture  of  a   control l ab le r e actor of transf o rmer type  (C RT ). Based  on  the circ uit e q u a tions  expr ess ed by  the s e lf  and   mutu al  in ducta nce, the  pi ece w ise express i o n s of the  in sta n tane ous c u rre nt in w o rk w i n d in g i n  the s i n g le - w i ndin g  re gu la tion  mod e  ar e  obta i n ed,  and  then  the  for m ula  for c a lcu l at ing  the  RMS  o f  each  h a r m on ic   current  in w o rk  w i ndi ng  is  der ived  by F o uri e r series   d e co mpositi on. At  las t, the  co ntrol c haracter i stics  of   CRT  an d the c u rves of the  R M S of  harn oni c currents w i th  referenc e to the o u tput p o w e r in thr ee typi ca l   singl e-w i nd ing  regu latio n  mod e s are pres ent ed an d thei r a d vanta ges a n d  disadv anta ges  are compar ed  i n   the sa mpl e , w h ich prov ides a r e ferenc e for the desi gn of CR T .     Ke y w ords co ntroll abl e react o r of transformer type, singl e- w i ndin g  reg u lat i on  mo de, har mo nic curr ent     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Rea c tive bal ance is very  important fo r t he se cu re  and econo mical op eration of the   power  syste m s[1]. By now, due to th e  long-te rm ef f o rts of m any  sci entific   workers at h o me  and  abro ad, there  are vario u kind s of rea c t i ve-l oad  com pen sation eq uipment s hav e come into  use  [2-4], In 199 5, G.N.Aleksandrov, a Ru ssi an expe rt,  came u p  wit h  the ba sic  circuit di agram  o f   CRT[5], after  that many scholars d o  furt her  re sea r ch  on it [6-9], an d point o u t that CRT ha s t he  advantag es  of fast re spo n se a nd  con t rollabl harmonic  co nte n ts, whi c h i s  a rea c tive-l oad  comp en satio n  equipm ent that can a ppli e s to EHV tra n smi ssi on lin es.   The key rea s on the h a rmonic  conte n ts of CR T can b e  co ntrolled is that  there is a   rest rictio n am ong regul atio n mode,  cont rol ste p s,  cap a city of ea ch  step a nd ha rmonic  co nten ts.  Referen c e [7 ] presented  3 regul ation  mode s: st ep -singl e-b r an ch  mode, fixed-sin g le -bran c h   mode, tran sf er-sin gle-bra n ch m ode, since all of th em allow  onl y one cont ro l windin g  to be  regul ated, th ey can b e  cal l ed as  sin g le-windi ng regul ation mod e . Referen c e [7]  did re sea r ch  on  the  3 mode in ca se of negle c ting   th coupli ng  of the  cont rol  windi ng s. Ho wever, th e n on- ignorable in d u ctive co upli ng always ex ists am ong  t he co ntrol  wi ding s, and e a ch of the  co ntrol  windi ng current will seriously affect the o t hers, this  leads to a great  difficulty for the selection  of  the rated  cap a city of each  control win d in g.  In this pap er,  takin g  into  a c count  of the   indu ctive co upling   amo n g   the cont rol widin g s,   the formula s  for calculati ng the RMS  of  each ha rmonic  cu rre n t  and the cu rre nt harm o n i c   coeffici ents a r e given, and  then the variation tr end of the output power  an d the curve s  of the   RMS of  ha rn onic current with  referen c e to the  outp u t po wer in  the th ree  typical si ngle - wi nd ing  regul ation mo des a r e p r e s e n ted, this will  provide s  a referen c e fo r the desi gn of a CRT.       2. Instantane ous Cur r en t of Wor k ing  Winding    The basi circuit diagram  of a CRT  i s  illustrated  in Figure  1, where,  1 W is the  hi gh- voltage work windi ng,  a n d 2 W , 3 W ,…, n W are  co ntro l win d ing s . In  additio n , ea ch control  win d ing   is equi pped  with a cu rren t-limiting rea c tor ( 2 X , 3 X ,…, n X ) an d a thyristor  swit ch ( 2 T , 3 T ,…, n T )whi ch  co nsi s ts of two thyri s tors in pa rall el but  in opp o s ite directio ns. Assume th at the voltage of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Single-windi n g  Reg u lation  Mode of Co ntrollabl Re act o r of Tra n sfo r m e r Type (Yi b in Liu)  6545 the grid i s  sh own a s   ) cos( 2 1 1 t U u , and the starting  point du ring  each pe riod i s  the time wh en  the voltage of the grid re ached maximu m.      .. . 1 u 2 W 3 W n W 2 X 2 T 3 T n T 3 X n X 3 i 2 i n i 1 i 1 W     Figure 1. Basic Circuit Di a g ram of CRT       Includi ng 1 W ,There a r n  windi ngs in the CRT illustrated  in Figure 1. Assume that  all  the pa ram e ters of all  wi nding are  referred to   1 W . Negl ectin g  th e iro n   satu ra tion an d all  resi stan ce, th e in stantan eo us  circuit  equ ati ons for all  of the  windi n g whil e all  the  1 n  co nt rol   windi ng s a r sho r t-circuite d are give n b y  (1),  wh ere,  k L is  th e se lf- i n d u c ta nc e o f   k W ( 1 k n ),  kq M  is the  mutua l -indu ctan ce  betwe en k W and q W k L x is the i ndu ct ance of  k X , while k X is the   c u rrent-limiting reac tor  c o nnec ted with k W as mentioned a bove.      n n n p u i L ) (           ( 1 )     Whe r e, n n n n n n n n n L L M M M M L L M M M M L L M M M M L x 3 2 1 3 x3 3 32 31 2 23 x2 2 21 1 13 12 1 L , t p d d , n n i i i i 3 2 1 i , 0 0 0 1 u n u Assu me  that there are  1 h ( 1 h n )control wi ndi ngs  are  invol v ed in the o p e ration, a nd  only one of th em is b e ing  regulate d , wh ose tri gge red  angle i s  eq ua l to  ( 0 < < 2 π ), whil e the  other  2 h  are sh ort-circuited d u ring the p e ri od. Si nce the  symmetry of curre n t wavef o rm in  1 W we ju st have to work out th e expre ssi on  for the instant aneo us  curre n t in ] 2 π , 0 [ The ci rcuit eq uation s  for all  of the windin g s in ] , 0 (  can be rewritten a s :       1 1 1 ) ( h- h- h- p u i L           ( 2 )     Whe r e, 1 h L , 1 h i , 1 h u  are  the subm atri xes of   n L , n i , n u  re spectively, whi c ca n b e   o b tained  b y   r e mo ving  th e e l e m en ts   o f   n L , n i , n u  that co rre s po ndin g  to  the  re gulate d  and  op en-ci rcuite windi ng s.  From (2), the  differential eq uation for the  work wi ndin g  curre n t is deri v ed as:       1 , 1 1 1 d d h L u t i           ( 3 )     Whe r e, 1 - , 1 1 h L is the first eleme n t of the first co lumn of  1 1 h- L , and 1 1 h- L is the inverse matrix of  1 h- L Since the initi a l condition in this time segment is  0 0 1 t i , from (3),  1 i  is figure out as (4).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 44 – 655 0   6546   ) sin( 2 1 - , 1 1 1 t L U i h           ( 4 )     In the same  way, the circuit equat ion f o r wo rk win d i ng cu rrent in ] 2 π , ( can be rewritten   as:       h L u t i , 1 1 1 d d            ( 5 )     Whe r e, h L , 1 1 is the   first el ement   of the first  col u mn  of  1 h L , and 1 h L is the inverse  matrix of  h L , and h L is the subm atrixes of  n L ,which  can  be  obtained  by removing th e eleme n ts  of  n L  tha t   corre s p ondin g  to the ope n-ci rcuited  co ntrol wi nding s. Since th e final value of  the forme r  time   s egment is  the initial c o ndition of  the c u rrent time s e gment,from(5),   1 i  can be figure out as (6).       sin ) 2 2 ( ) sin( 2 1 - , 1 1 , 1 1 , 1 1 1 h h h L U L U t L U i        ( 6 )       3. Formulas for Cal c ulati ng Harmonic s   The waveform of  1 i  is symmetric  amo ng 4 qua rter period s , wh ich contain s  only  fundame n tal and od d harmonics. He nce, 1 i can b e  expressed a s  a F ourie r serie s  l i ke this.       ]} ) 1 2 sin[( { 1 1 2 1 k k t k b i          ( 7 )     Whe r e,       ) 3 2 1 ( ) d( ] ) 1 2 sin[( ) ( π 4 2 π 0 1 1 2 k t t k t i b k         ( 8 )     From  (4 ), ( 6 ),  (8 ), the  RMS  of the  ) , 3 , 2 , 1 ( 1 2 k k th ha rmonic current  in the  wo rk  windi ng   can b e  derive d  as (9 ):       ) ( ) 1 1 ( ) 2 π ( 1 π , 1 1 , 1 , 1 1 1 2 k h h k h k f L L f L U I         ( 9 )     Whe r e,       )   , 4 , 3 , 2 ( ] 2 sin 1 ) 1 ( 2 sin [ 1 2 1 ) ( 2 sin 2 ) ( 1 k k k k k k f f k         ( 1 0 )     The fo rmul a(9)  cla r ifies th e relation shi p  not  only b e twee n the   RMS of  ea ch current  harm oni c a n d  trigg e re d a n g le, but  also  betwe en th harm oni co mpone nts an d the  pa rame ters  of self and m u tual indu cta n ce, w hi ch is   very importan t  for the desig n of CRT.   The 1 2 k th current  harmo nic  co efficient for th e work wi ndin g  can b e  deri v ed      ) ( ) ( π ) ( 1 1 , 1 , 1 1 , 1 1 1 2 1 2 H, h h h h h k k k f L L L f I I k        ( 1 1 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Single-windi n g  Reg u lation  Mode of Co ntrollabl Re act o r of Tra n sfo r m e r Type (Yi b in Liu)  6547 4. Analy s is o f  Examples   Takin g  CRT descri bed   in [7]  as an  illu stra tion, th 3 si ngle - wi nd ing regul atio n mod e are an alyse d  in the case of taking acco u n t of t he coupling of the control wi ndin g s in this pap er.   The  CRT  de scribe d in [7]  has 6  windi ngs(in c ludi ng 1 W ), the rated  voltage is  kV 3 500 N U Based  on  th e self an d m u tual imp eda nce  which  can b e   conve r ted into  the  self  and  mu tual  indu ctan ce a nd the ind u ctance  of cu rrent-limit ing  reacto rs  whi c h ca n be  ca lculate d  by the  recursio n alg o rithm, n L can be  expediently obtaine d,in this ca se, 6 n ,Hence, 6 L is  (unit:H)    453.99 452.48 452.32 452.22 452.16 450.98 452.48 462.89 452.57 452.48 452.41 451.17 452.32 452.57 482.61 452.64 452.57 451.27 452.22 452.48 452.64 524.34 452.67 451.36 452.16 452.41 452.57 452.67 538.36 451.40 450.98 451.17 451.27 451.36 451.40 452.83 6 L     Referrin g to [ 7 ], a 5 - digit  binary  co de  i s  u s e d  to  re pre s ent  the  state of e a ch  thyristor  swit ch, the r e  is a  on e-to -one  co rre sp o nden ce  between p e bit o f  this code  in  se quen ce  from  high to l o w and  ea ch  cont rol  wi nding  of CRT from 6 W to 2 W , where, “ 0 ”me ans t h e   corre s p ondin g  control  wi n d ing i s  o pen -circuited,  and  the trig gered  angle  of its thyristo r i s  eq ual   to  90 ;“ 1 ”mea ns  short-circuite d, and the trig g e red  angl e of the co rre sp o nding thyri s to r is eq ual   to  0 ; “ 1 ”me a n s  regulatio n, the co rrespon ding trig g e re d angle falls some whe r e  in between   those two.  Duri ng the p r oce s s that the output po wer of  CRT ch ange s from n o -loa d to the rated, the  variation  ran ge of outp u t power  can  b e  divi ded int o  5 ste p s in  step-sin g le -branch mod e 16   step s in fixed-sin g le -bran c h mode, and  15 step in transfe r-sin g le-bran c h m ode  in this ca se.   Acco rdi ng to the above de script ion, the  regul ating p r oce s se s of the 3 ope ration  modes  are a s  follo ws. The d oubl e arrow i n  the processe s indi cate s that the pr ocess is  reversible,   whe r e, “ ” p r e s ent s a in sta n taneo usly  shifted pro c e s s of wi nding  curre n ts, whil e “ ” mean s   a smooth p o w er  reg u latio n  due to the chang e of  trigg e red a ngle of  the thyristor  switch.   (1) Step -si ngl e-b r an ch mo de     11111 01111 00111 00011 00001 00000 5 4 3 2 1     (2) Fix e d - sing le-b ran c h mo de                   6 5 4 3 2 1 01011 01010 01001 01000 00111 00110 00101 00100 00011 00010 00001 00000             12 11 10 9 8 7 1011 1 10110 10101 10100 10011 10010 10001 10000 01111 01110 01101 01100          16 15 14 13 11111 11110 11101 11100 11011 11010 11001 11000     (3) T r an sfe r -single-branch mode          10001 10000 0000 1 01000 000 1 0 00100 00 1 00 00010 0 1 000 00001 00000 6 5 4 3 2 1                   11101 11100 00 1 11 11010 0 1 110 11001 11000 000 1 1 10100 00 1 10 10010 0 1 100 13 12 11 10 9 8 7             11111 11110 0 1 111 15 14     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 44 – 655 0   6548 Figure 3 sho w s the  pie c e w ise cu rve s  of  the RMS  of fundame n tal cu rre nt in  work  windi ng  with  referen c e  to t he tri gge red   angle  du ri ng  each step,na mely,the  c ont rol ch ara c te ri stic.  The numb e r i n  each p a re nthesi s  in Figu re 3 repr esent s the step nu mber, whi c h i s  the same  wi th   what in th e regulatin g pro c e s ses  metio ned a bove.  The  corre s po nding t r igge red an gle d u ri ng  each step re duces  from 90 to 0 in both  Figu re 3(a)  and  F i gure  3(b),  which  is  different from   Figure 3(c). I n  Figure 3(c),   the triggered  angle of the  i th step re du ces from  a sp ecific a ngle   i   calle d as  starting regul atin g angle that varie s  amo ng  different ste p s . In this ca se, the calcula t ed   values of  i  are given in Tabl e 1.      Table 1. Start i ng Re gulatin g Angle of ea ch Step in Transfe r-sin g le-bran c h M ode   i   1 2  3 4 5  6 7 8  10  11  12  13  14  15  ) ( i   90.0 7.19  27.1 29.1 31.8  90.0 3.90 23.1  25.0  90  3.40  22.4 90.0 3.20  90.0        (a) step -sin gl e-b r an ch  mo de     (b) fix ed- sin g l e -b ran c h mo de       (c) tran sfer-si ngle-bran ch  mode     Figure 3. RM S of Fundam ental  Cu rrent vs Step Num bers      Figure 3 ( b) shows that  th e  output p o wer is inte rmitten t  when  the  CRT o perating  in fixed- singl e-b r an ch  mode,  whi c h is mainly  due to  t hat  t he cap a city assignm ent of  ea ch co ntrol   windi ng ca n't satisfy the de sign requi rem ent for cont in uation, in fact , the c apa city of each control  windi ng mai n ly depe nd s on the valu e of its current -limiting reacto r.  He nc e, it is of great  importa nce to  sele ct a a p p r op riate valu e  for ea ch  cu rrent-limiting  re actor in o r de r to satisfy the  contin uation  of output po wer. Fi gure  3(a )  an d Fig u re 3 ( c)  sho w s th at the  output po we r is  contin uou s when CRT  op erating   in ste p -si ngle - b r an ch m ode  and  tran sfer-si n g l e-b r an ch  mo de,  but the  re gul ation of  outp u t po we r mai n ly dep end on the  fou r th  and fifth  step  in thi s   ca se,  an d   the cap a city  of the regul ating co ntrol  wi nding s in the s e two  step are la rge r  tha n  others,this i s   unre a sona ble  in the practi cal appli c ation.   Figure 4  sho w re spe c tively the variat ion tend en cy of the RMS  of  the 5th,  7th, 11th,  13th h a rm oni curre n t and  the total h a rnoni current  com pon ents (de noted  a s   H I ) that p o u r ed   into power sy stem with referen c e to the  RM S of the fundame n tal cu rre nt in work  windi ng.   The  curve s  o f  the RMS of  each ha rno n ic  curre n t with referen c e  to the outpu t powe r   have a tre n d  of increa se  in  both  step-singl e-b r an ch  mode a nd  t r an sfer-si ngle - bran ch mo d e while they a r e steady in f i xed-si ngle - b r anch mo d e . Furthe rmo r e,  the wavefo rm disto r tion in   transfe r-sin g l e -b ran c h m o de is the  mo st serio u amo ng 3 mo de s, and the  wave form di stortio n  in   fixed-sin g le -b ran c h mo de i s  mu ch le ss  than the  othe r two. Analysing the tren d s  of the abov curve s  combi n ing with ea ch step, we ca n find that  it  will lead to large r  harm oni c cu rrent in work  windi ng if a control wi ndin g  of large r  ca pacity is re gul ated.      0 50 100 150 200 I 1 /A (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (5 ) 0 50 100 150 200 I 1 /A (1) (2 ) (3 ) (4 ) (5 ) (6 ) (7) (8) (9 ) ( 10) ( 11) ( 12) ( 13) (14) (1 5 ) ( 16) 0 50 10 0 15 0 20 0 I 1 /A (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (5) (6 ) (7) (8) (9) (10 ) (11 ) (12 ) (1 3 ) (1 4 ) (1 5 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Single-windi n g  Reg u lation  Mode of Co ntrollabl Re act o r of Tra n sfo r m e r Type (Yi b in Liu)  6549     (a) 5th h a rm o n ic current     (b) 7th h a rm o n ic current     (c) 11th ha rm onic  curre n   (d) 1 3 th harm onic  curre n     (e) total ha rm onic  cur r e n ts H I       Figure 4. RM S of every Harmoni c Curre n ts and H I vs out put Powe     4. Conclusio n   (1) T he RM S of harmon i c cu rrents i n  wo rk   windi ng of all kin d s of si ngle - windi ng   regul ation m ode  i n   the   case   of con s i derin the  couplin am o ng cont rol winding s ca n be   cal c ulate d  by an unified formula.  (2) O p e r atin g in the sin g le-windi ng regulat io n mo de, the cont rol win d ing  of small  cap a city  sho u ld b e  regul ated to  red u c e th e h a rm onic content s in the  work win d ing  on  the  premi s e that the co ntinuati on of  the outp u t powe r  hav e been e n sured.      Ackn o w l e dg ements   This  study is  Suppo rted by  Nation al Natu ral S c ien c Found ation o f  China  (51 1 6700 9),  Nation al Nat u ral Scie nce  Foundatio n  of China (5136 7010 ) a nd Scien c and Te chn o l o g y   Program of G ansu Provin ce (130 4WCG A181).       Referen ces   [1]  Z haoa n W a n g , Jun Ya ng, Ji nj un L i u. Harm o n ic Su ppress i o n  an d Var C o mpens ation. S e con d  Editi o n .   Beiji ng: Mach in e Press. 200 5: 6-11 [in C h in es e].  [2]  Nie H ongz ha n, W ang Z hen ha o.  Devel o p m en t of Multi-functi on Var C o mpe n satio n  Co ntrol l er for Low - voltag e Distri b ution T r a n sfor mer.  El ectric  Po w e r A u tom a tion E q u i pme n t. 200 4; 24( 8): 50-5 2  [i n   Chin ese].   [3]  Yan Guo q i, H ang  Nais ha n, Li Ru qi, et a l A New  T y pe Reactiv e  Pow e r Co mp ens ati on Eq uip m ent.   Electric Po w e r Automatio n  Eq uipm ent. 200 4; 24(6): 68-7 1  [in Chi nese].     0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 160 180 200 0 2 4 6 8 I 1 /A I 5 /A 0 20 40 60 80 10 0 120 14 0 16 0 18 0 20 0 0 1 2 3 4 I 1 /A I 7 /A 0 20 40 60 80 100 120 14 0 160 180 200 0 1 2 I 1 /A I 11 /A 0 20 40 60 80 10 0 120 14 0 16 0 18 0 20 0 0 0. 5 1 I 1 /A I 13 /A 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 I 1 /A I H /A s t ep- s i ngle- br anc h m ode f i x ed- s i ngle- br anc h m ode t r ans f e r - s ingle- br anc h m ode Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 44 – 655 0   6550 [4]  Liu Sh umin g, Li Qion gli n , Du Xiz h o u , et al.  Para meter  Matching of  Series R eacto r in Reactiv e   Co mp ensati o n  Ca pacitor  Ba nk . Electric  P o w e r  Automati on E qui pme n t. 20 12;  32(4):  14 5-15 0 [i n   Chin ese].   [5]  G.N.Aleksandr ov, BI Al’b erti nskij, IA Shk u ropa t. Oper ati ona l Pri n cip l es  of a  Contr o ll ed S hunti n g   Reactor of the  T r ansformer  T y p e Russi an E l ectrical E ngi ne erin g,  199 5; 66 (11): 42-4 7 [6]  T i an Ming xing,  Li Qin g fu, L i  Q unfen g. A C ont rolla bl e R eacto r of T r ansformer T y pe.  IEEE Transactions   o n  Po we r D e li ve ry.  2004; 1 9 (4 ): 1718-1 7 2 6   [7]  T i an Ming xi ng.  Basic T heore t ical R e se arch  on  Contr o ll ab le R eactors  of T r ansformer T y pe. P h D   T hesis. Xi’a n: Xi ’a n Jiaoto ng  Univers i t y . 2 0 0 5  [in Chi nes e].  [8]  Z hou L a w u . T he T heor y  a nd It ’s Appl icati on o n  Ne w  T y p e  Ui tra-hig h  Volta g e  Contr o ll ed R eactor. Ph D   T hesis. Chang sha: Hun an U n iversit y . 2 0 0 8  [in Chi nese].   [9]  Z hang Yu. R e searc h  on a  Novel T r ansformer-t ype Co ntroll abl e Rea c tor. PhD  T hesis. W uhan :   Huaz hon g Un i v ersit y  of Se ie nce & T e chnol og y. 200 9 [in C h in ese].     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.