朱紅亮

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的不斷提升，系統(tǒng)無功缺額及電壓失穩(wěn)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(zhì)量。但傳統(tǒng)電抗器難以實現(xiàn)無功的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，且無功容量小，諧波干擾大，不能有效解決高壓電網(wǎng)的無功缺額問題[2]。超導(dǎo)可控電抗器具有占空比低、質(zhì)量輕、成本低、諧波小、阻燃率高等優(yōu)點，能夠有效提升電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 電抗器原理分類

可控電抗器根據(jù)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(dǎo)電抗器4類[3]（圖1）。

機械式電抗器通過機抽頭、內(nèi)部氣隙等方式，實現(xiàn)電感變化，進而進行電抗調(diào)節(jié)，要求機械傳動裝置精密度高，存在調(diào)節(jié)不連續(xù)、噪聲大，響應(yīng)速度慢的缺點[4]。晶閘管控制電抗器通過控制晶閘管的導(dǎo)通時間，可以有效控制電抗連續(xù)變化，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)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(xiàn)電抗的可控調(diào)節(jié)，存在響應(yīng)速度不顯著的缺點[5]。超導(dǎo)電抗器采用超導(dǎo)材料替代傳統(tǒng)導(dǎo)體材料，基于其超導(dǎo)態(tài)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(dǎo)電抗器研究情況

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

3 超導(dǎo)可控電抗器分類及工作原理

超導(dǎo)可控電抗器按照超導(dǎo)狀態(tài)分為2類：①串聯(lián)型超導(dǎo)可控電抗器電抗值調(diào)節(jié)，通過超導(dǎo)材料超導(dǎo)態(tài)與失超態(tài)轉(zhuǎn)變；②并聯(lián)型超導(dǎo)可控電抗器電抗值的調(diào)節(jié)過程中，超導(dǎo)材料保持超導(dǎo)態(tài)。

3.1 串聯(lián)型超導(dǎo)可控電抗器

3.1.1 變壓器型

3.1.1.1 裝置結(jié)構(gòu)

變壓器型超導(dǎo)可控電抗器由銅線主繞組與超導(dǎo)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(wǎng)主回路連接，副繞組浸泡在低溫工況，由超導(dǎo)線圈構(gòu)成[9，10]，結(jié)構(gòu)原理與等效電路如圖2、圖3所示。

3.1.1.2 控制方式

系統(tǒng)正常運行時，副繞組短接呈現(xiàn)零電阻狀態(tài)，電抗器表現(xiàn)為低阻抗。發(fā)生短路故障后，主、副繞組電流迅速上升，副側(cè)繞組呈失超狀態(tài)，電抗器表現(xiàn)高阻抗，完成電抗的可控調(diào)節(jié)。

3.1.2 三相電抗器型

3.1.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

三相電抗器型超導(dǎo)可控電抗器由匝數(shù)相同的三組超導(dǎo)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(wǎng)三相電路上[11]，結(jié)構(gòu)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(xiàn)低阻抗；當(dāng)單相發(fā)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(fā)生二到三相短路故障時，超導(dǎo)繞組失超，電抗值大幅升高，完成電抗的可控調(diào)節(jié)。

3.1.3 磁屏蔽型

3.1.3.1 裝置結(jié)構(gòu)

磁屏蔽感應(yīng)型可控電抗器由銅線主繞組、超導(dǎo)副繞組構(gòu)成、兩組繞組繞在同側(cè)鐵芯上，復(fù)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(wǎng)相接[12]，結(jié)構(gòu)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(dǎo)態(tài)，主繞組磁通變化對電網(wǎng)無影響，電抗器的阻抗由主副繞組間漏磁量決定。當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，主繞組電流使鐵芯內(nèi)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(diào)節(jié)。

3.1.4 橋路型

3.1.4.1 裝置結(jié)構(gòu)

橋路型超導(dǎo)可控電抗器由高溫超導(dǎo)電感線圈、整流橋及偏置電壓源組成。超導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(fù)載電流低于超導(dǎo)電感呈超導(dǎo)狀態(tài)態(tài)，表現(xiàn)低電抗。發(fā)生短路故障時，故障電流使得超導(dǎo)電感失超，電抗值瞬間增大，完成電抗的可控調(diào)節(jié)。

3.1.5 串聯(lián)超導(dǎo)可控電抗器優(yōu)缺點分析

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

3.2 并聯(lián)超導(dǎo)可控電抗器

3.2.1 飽和鐵芯型

3.2.1.1 裝置結(jié)構(gòu)

飽和鐵芯型電控器由銅線工作繞組和超導(dǎo)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(jié)構(gòu)原理如圖8所示。通過調(diào)整直流電源的輸出，實現(xiàn)鐵芯的偏磁，通過調(diào)整鐵芯電磁飽和度，實現(xiàn)輸出電抗的可控調(diào)節(jié)。

3.2.1.2 控制方式[15]

飽和鐵芯型超導(dǎo)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(xiàn)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(dāng)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(diào)整直流勵磁值，對工作繞組電流進行調(diào)整，實現(xiàn)電抗器電抗有效調(diào)整（表3）。

3.2.2 高漏抗型

3.2.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

高漏抗型電抗器由一組銅線工作繞組和多組超導(dǎo)控制繞組組成[16]。工作繞組連接電網(wǎng)，控制繞組依次同芯繞制在鐵芯上，結(jié)構(gòu)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(xiàn)電抗器的電抗值的調(diào)節(jié)。

3.2.2.2 控制方式[17]

如圖12所示，根據(jù)磁通變化情況，高漏抗型超導(dǎo)可控電抗器處于檔位1時，超導(dǎo)控制繞組全部開路，磁通全部集中于鐵芯內(nèi)，中芯柱的磁飽和程度直接決定電抗值的穩(wěn)定性。檔位2下，控制繞組1產(chǎn)生感應(yīng)電流，中芯柱部分磁通抵消；檔位2、3、4下，控制繞組1感應(yīng)電流不斷變化，2組超導(dǎo)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(xiàn)電抗的可控調(diào)節(jié)。

3.2.3 正交磁通型

3.2.3.1 正交耦合型

正交磁通型超導(dǎo)可控電抗器由銅線工作繞組和超導(dǎo)控制繞組構(gòu)成。工作繞組為交流繞組接入電網(wǎng)，2組繞組以正交方式纏繞在圓筒形鐵芯中，結(jié)構(gòu)原理如圖13所示?？刂评@組產(chǎn)生直流磁場使公共鐵軛偏磁，工作繞組產(chǎn)生與鐵芯軸線平行的交流磁場?？刂评@組與工作繞組正交，產(chǎn)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(chǎn)生巨大交變磁場，進而形成很大交流損耗，導(dǎo)致電抗輸出范圍有限、諧波問題嚴(yán)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(xué)提出正交磁鏈飽和鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器設(shè)計方案，控制繞組和工作繞組磁鏈呈正交布局，多組超導(dǎo)繞組外接直流控制電源，相鄰超導(dǎo)繞組按同名端異名端依次串聯(lián)（如圖14所示）。該方案技術(shù)優(yōu)勢：控制段鐵芯和工作段鐵芯的分離，增大可控調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，勵磁繞組感應(yīng)電壓小，交流損耗低工作段鐵芯始終處于非飽和區(qū)，可有效抑制電流諧波。

3.2.4 并聯(lián)超導(dǎo)可控電抗器優(yōu)缺點分析

相較于串聯(lián)超導(dǎo)可控電抗器，并聯(lián)可控電抗器在無功補償方面優(yōu)勢明顯，調(diào)節(jié)范圍更大，響應(yīng)時間更短，但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，引入諧波含量更高，如表5所示，對并聯(lián)超導(dǎo)電抗器優(yōu)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(fā)展前景。

4 結(jié)語

本文闡述了目前超導(dǎo)電抗器的發(fā)展現(xiàn)狀，簡述了串聯(lián)超導(dǎo)電抗器和并聯(lián)超導(dǎo)電抗器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了現(xiàn)有超導(dǎo)電抗器的優(yōu)缺點。串聯(lián)超導(dǎo)電控器主要用于故障電流電抗調(diào)節(jié)，并聯(lián)型超導(dǎo)電抗器主要用于對電網(wǎng)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(dǎo)電抗器應(yīng)用技術(shù)重要研究方向，現(xiàn)階段還需開展更加深入研究，突進超導(dǎo)電抗器應(yīng)用進程。

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

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

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