随着我国远距离、大容量输电的常态化,以及风力发电规模的不断扩大,无功补偿设备的应用将越来越迫切、越来越普遍。本文将现有无功补偿设备进行了比较,指出了磁控电抗器的优势和不足。并对磁控电抗器的结构、特性进行了全面分析,在此基础上将磁控电抗器的磁阀段进行了重新布局及优化,以提高其整体性能；同时,针对磁控电抗器快速性、谐波特性方面的不足进行了理论分析,提出了新颖的改进方法；最后,基于制造和运行成本最优提出了一种磁控电抗器的优化设计方法。基于PSCAD搭建了自励式磁控电抗器的仿真模型,免除了以往仿真时需等效为他励式磁控电抗器的过程和中间计算环节,更加准确地模拟了自励式磁控电抗器随晶闸管开关状态变化的运行模式。基于有限元方法对磁控电抗器的磁路特性进行了分析,并在ANSY S中搭建了磁控电抗器的二维及三维仿真模型。在此基础上,提出了将磁控电抗器铁芯中单段磁阀分为串联的几段磁阀的结构来减小铁芯的边缘效应,从而减小工作绕组中的漏抗,达到减小工作绕组中总电抗的目的,使得磁控电抗器在相同的工作电压和控制电压下,输出更大的感性无功电流。通过理论分析和ANSYS仿真得出了磁控电抗器磁阀段具体划分的有效段数和每两段磁阀间铁芯长度的最优值。通过分析得出,影响磁控电抗器响应速度的作用机理在于工作绕组中存在直流感应电压以及作用回路。提出了工作绕组先串后并的结构设计方案,详细介绍了绕组配置方法及其工作原理。在此基础上设计了一种磁控电抗器快速响应电路,将磁控电抗器的响应速度进一步加快。并且,提出了一种以DSP和FPGA混合系统作为磁控电抗器控制系统的控制方案。仿真和实验结果表明,所提结构设计与控制电路和方法可使得磁控电抗器的励磁和去磁过程均在0.02s以内完成。提出了一种新的抑制磁控电抗器谐波的方法。该方法是在磁控电抗器的低压直流控制绕组中加入谐波电压,让其产生的特定次谐波磁通抵消铁芯中由于磁控电抗器铁芯饱和后磁化曲线非线性的影响,从而使各分支工作绕组中生成的电流中不含有该次谐波电流,使总工作电流谐波含量极小。同时其可以和磁控电抗器的控制电压一同调制,将磁控电抗器调节饱和度的功能与抑制谐波的功能相兼顾,具有低压控制高压和双重功效的优点。根据自励式磁控电抗器抽头比的特殊结构,得到了使其有功损耗和响应时间达到平衡最优时的抽头比值,并应用ANSYS和PSCAD仿真验证了理论分析的正确性。同时,将磁控电抗器作为整体研究,对其铁芯结构、绕组匝数和功率损耗等相关数据进行优化计算,得出了使磁控电抗器制造和运行成本最优时的计算方程。