超導可控電抗器研究方法分析

朱紅亮

隨著電網系統電壓的不斷提升，系統無功缺額及電壓失穩等問題加劇[1]。電抗器作為重要的無功補償裝，可以有效改善供電質量。但傳統電抗器難以實現無功的連續平滑調節，且無功容量小，諧波干擾大，不能有效解決高壓電網的無功缺額問題[2]。超導可控電抗器具有占空比低、質量輕、成本低、諧波小、阻燃率高等優點，能夠有效提升電網系統的穩定性。

1 電抗器原理分類

可控電抗器根據原理不同，主要分為：機械式電抗器、晶閘管式電抗器、磁控式電抗器、超導電抗器4類[3]（圖1）。

機械式電抗器通過機抽頭、內部氣隙等方式，實現電感變化，進而進行電抗調節，要求機械傳動裝置精密度高，存在調節不連續、噪聲大，響應速度慢的缺點[4]。晶閘管控制電抗器通過控制晶閘管的導通時間，可以有效控制電抗連續變化，但是存在結構復雜、造價高昂、諧波引入的缺點。磁控式電抗器通過直流偏磁改變磁密飽和程度，實現電抗的可控調節，存在響應速度不顯著的缺點[5]。超導電抗器采用超導材料替代傳統導體材料，基于其超導態零電阻特性，可以顯著降低電抗器焦耳熱能耗，有效提升空間占比。

2 超導電抗器研究情況

高溫超導繞組具有載流密度高、體積小、損耗低等優點，超導可控電抗器在解決高壓電網的無功補償問題上，具有很好的應用前景。世界各國分別開展超導可控電抗器的研究工作[6-8]（表1）。

3 超導可控電抗器分類及工作原理

超導可控電抗器按照超導狀態分為2類：①串聯型超導可控電抗器電抗值調節，通過超導材料超導態與失超態轉變；②并聯型超導可控電抗器電抗值的調節過程中，超導材料保持超導態。

3.1 串聯型超導可控電抗器

3.1.1 變壓器型

3.1.1.1 裝置結構

變壓器型超導可控電抗器由銅線主繞組與超導線圈副繞組組合而成，主繞組與副繞組繞在同一鐵芯，主繞組與電網主回路連接，副繞組浸泡在低溫工況，由超導線圈構成[9，10]，結構原理與等效電路如圖2、圖3所示。

3.1.1.2 控制方式

系統正常運行時，副繞組短接呈現零電阻狀態，電抗器表現為低阻抗。發生短路故障后，主、副繞組電流迅速上升，副側繞組呈失超狀態，電抗器表現高阻抗，完成電抗的可控調節。

3.1.2 三相電抗器型

3.1.2.1 裝置結構

三相電抗器型超導可控電抗器由匝數相同的三組超導繞組繞在同一鐵芯并浸泡在低溫工況中，三組繞組分別接于電網三相電路上[11]，結構原理如圖4所示。

3.1.2.2 控制方式

正常運行時，繞組不失超，三相電流相互抵消，鐵芯磁通變化為零，表現低阻抗；當單相發生短路電流故障，三相不平衡，電抗值瞬間增大，短路電流被抑制；發生二到三相短路故障時，超導繞組失超，電抗值大幅升高，完成電抗的可控調節。

3.1.3 磁屏蔽型

3.1.3.1 裝置結構

磁屏蔽感應型可控電抗器由銅線主繞組、超導副繞組構成、兩組繞組繞在同側鐵芯上，復繞組浸泡在低低溫工況中，主繞組繞在低溫裝置上，主繞組與電網相接[12]，結構原理如圖5所示。

3.1.3.2 控制方式

在正常工作時，電抗器為超導態，主繞組磁通變化對電網無影響，電抗器的阻抗由主副繞組間漏磁量決定。當出現短路故障時，主繞組電流使鐵芯內的磁通量急劇增大，進而使副繞組失超，電抗器阻值瞬間增大，完成電抗值的可控調節。

3.1.4 橋路型

3.1.4.1 裝置結構

橋路型超導可控電抗器由高溫超導電感線圈、整流橋及偏置電壓源組成。超導電感線圈處在77K低溫工況中，全波整流橋處于常溫工況中[13]，結構原理與等效電路如圖6、圖7所示。

3.1.4.2 控制方式

正常運行時，負載電流低于超導電感呈超導狀態態，表現低電抗。發生短路故障時，故障電流使得超導電感失超，電抗值瞬間增大，完成電抗的可控調節。

3.1.5 串聯超導可控電抗器優缺點分析

變壓器型、三相電抗器型、磁屏蔽型、橋路型超導可控電抗器裝置結構相對簡單，無論從故障電流調節和可靠性方面均有明顯的優勢，4類串聯超導電控器優缺點分析如表2所示，其中橋路型超導電抗器從空間占比、引入諧波有較大優勢，電流引線損耗方面有很大的改善空間。

3.2 并聯超導可控電抗器

3.2.1 飽和鐵芯型

3.2.1.1 裝置結構

飽和鐵芯型電控器由銅線工作繞組和超導控制繞組組成，工作繞組為交流繞組，由兩組銅線纏繞在不同鐵芯上，勵磁繞組連接直流供電電源[14]，結構原理如圖8所示。通過調整直流電源的輸出，實現鐵芯的偏磁，通過調整鐵芯電磁飽和度，實現輸出電抗的可控調節。

3.2.1.2 控制方式[15]

飽和鐵芯型超導可控電抗器磁化曲線如圖9所示，控制繞組不通流時，鐵芯間僅有少量磁通，工作繞組波形如曲線2所示?？刂评@組通入一定電流時，鐵芯間波形如曲線3與曲線4表現出非對稱性。電抗器所通過全部電流值為控制繞組與工作繞組電流疊加而成，波形如曲線5。因此，當交流電壓恒定時，可大限度提高直流勵磁，促使工作繞組電流疊加，利用調整直流勵磁值，對工作繞組電流進行調整，實現電抗器電抗有效調整（表3）。

3.2.2 高漏抗型

3.2.2.1 裝置結構

高漏抗型電抗器由一組銅線工作繞組和多組超導控制繞組組成[16]。工作繞組連接電網，控制繞組依次同芯繞制在鐵芯上，結構原理與等效電路如圖10、圖11所示。通過依次對控制繞組進行短路操作，實現電抗器的電抗值的調節。

3.2.2.2 控制方式[17]

如圖12所示，根據磁通變化情況，高漏抗型超導可控電抗器處于檔位1時，超導控制繞組全部開路，磁通全部集中于鐵芯內，中芯柱的磁飽和程度直接決定電抗值的穩定性。檔位2下，控制繞組1產生感應電流，中芯柱部分磁通抵消；檔位2、3、4下，控制繞組1感應電流不斷變化，2組超導繞組通路情況隨檔位變化如表4所示，隨著主磁通磁路抵消程度不同，實現電抗的可控調節。

3.2.3 正交磁通型

3.2.3.1 正交耦合型

正交磁通型超導可控電抗器由銅線工作繞組和超導控制繞組構成。工作繞組為交流繞組接入電網，2組繞組以正交方式纏繞在圓筒形鐵芯中，結構原理如圖13所示?？刂评@組產生直流磁場使公共鐵軛偏磁，工作繞組產生與鐵芯軸線平行的交流磁場?？刂评@組與工作繞組正交，產生一個與鐵芯軸線正交的直流磁場[18，19]。由于完全正交方式及形成磁路不完整，使控制繞組產生巨大交變磁場，進而形成很大交流損耗，導致電抗輸出范圍有限、諧波問題嚴重，因此正交耦合型可控電抗器還需進一步完善。

3.2.3.2 正交磁鏈型[20]

為解決電抗輸出范圍有限、諧波問題無法避免問題，華中科技大學提出正交磁鏈飽和鐵芯式超導可控電抗器設計方案，控制繞組和工作繞組磁鏈呈正交布局，多組超導繞組外接直流控制電源，相鄰超導繞組按同名端異名端依次串聯（如圖14所示）。該方案技術優勢：控制段鐵芯和工作段鐵芯的分離，增大可控調節范圍工作繞組與控制繞組的磁通正交，顯著降低耦合正交鐵芯結構，勵磁繞組感應電壓小，交流損耗低工作段鐵芯始終處于非飽和區，可有效抑制電流諧波。

3.2.4 并聯超導可控電抗器優缺點分析

相較于串聯超導可控電抗器，并聯可控電抗器在無功補償方面優勢明顯，調節范圍更大，響應時間更短，但結構更加復雜，引入諧波含量更高，如表5所示，對并聯超導電抗器優缺點進行具體分析，其中正交磁鏈型在諧波控制方面更具有發展前景。

4 結語

本文闡述了目前超導電抗器的發展現狀，簡述了串聯超導電抗器和并聯超導電抗器的基本結構和工作原理，分析了現有超導電抗器的優缺點。串聯超導電控器主要用于故障電流電抗調節，并聯型超導電抗器主要用于對電網做無功補償，其中正交磁鏈型電抗器因其交流損耗低和諧波低的特點，是超導電抗器應用技術重要研究方向，現階段還需開展更加深入研究，突進超導電抗器應用進程。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.015

致謝：感謝國家重點研發計劃（課題編號：2018YFB0904403）的資助。

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