10 Mvar超导同步调相机总体电磁设计

史正军，宋彭，宋萌，梅桂华，李力，瞿体明

(1. 南方电网公司电力超导联合实验室(广东电网有限责任公司电力科学研究院)，广州510080；2. 清华大学机械工程系， 北京100084)

0 引言

随着国内远距离直流输电规模的不断扩大，珠三角和长三角等负荷密集地区的直流落点越来越集中[1 - 3]。对于直流多馈入受端电网，如果动态无功补偿不足，交流系统故障容易导致多回直流换相失败，电压稳定问题突出[4]。相较于SVC、STATCOM等静态无功补偿装置，同步调相机具有更快的响应速度和更强的电压支撑能力[5 - 6]，且无功功率调节范围更广[7]，因此备受关注。

但常规调相机的铜励磁绕组存在电阻，在低功率输出时效率较低，并且在强励时转子过度发热导致绝缘寿命缩减，需要频繁维护。高温超导材料具有高电流密度、低损耗的特点，将其应用于同步调相机中可以大幅度降低转子热损耗，提升运行效率。此外，超导电机的定子可采用无磁性齿结构，电机的物理气隙很大，故超导同步调相机的同步电抗大幅度减小。相比于常规调相机，超导调相机只需要改变很小的励磁电流便可使输出的无功功率成倍增加，并且强励过程中励磁绕组的温度不变[8]。

日本的三菱电机和富士电机曾于20世纪80年代合作开发一台30 MVA的低温超导同步调相机，其转子励磁绕组采用的是NbTi和Nb3Sn低温超导绕组[9]。日本的Super-GM研究组曾于20世纪90年代开发出基于NbTi低温超导绕组的70 MW超导发电机，并进行了同步调相机运行模式测试[10]。2003年，美国超导公司设计开发了名为SuperVARTM的高温超导同步调相机，该调相机额定功率和转速分别为8 Mvar和1 800 r/min，转子励磁绕组采用Bi2223/Ag高温超导带材绕制。在实际电网中的测试中表现出优异的无功补偿性能[11]。

为研究超导同步调相机在电网中应用的可行性，广东电网公司2018年启动了超导同步调相机样机研制工作。本文介绍了10 Mvar超导同步调相机样机(以下简称10 Mvar样机)的总体电磁设计方案、电机的定子、转子配置和阻尼屏蔽层的方案。为计算该调相机的无功补偿曲线采用ANSYS Simplorer进行了电路仿真。

1 总体设计

根据电机设计的一般原则，首先应当确定电机的拓扑结构。超导同步调相机的定子频率固定为50 Hz，为降低转速以降低超导转子的设计难度，同时又要控制电机的体积，转子极数和转速可设定为4极和1 500 r/min。定子绕组采用较为传统的双层分布式绕组形式，每极每相槽数设为3，即定子槽数为36。

10 Mvar样机的二维电磁有限元仿真模型图(1/4模型)如图1所示。转子励磁绕组采用REBCO高温超导带材绕制而成，气隙磁密最高可达1.4 T。为避免定子铁心饱和导致的损耗增大、过度发热的现象，该调相机的定子为无磁性齿定子结构，即定子齿采用环氧树脂等非金属材料制造，而背铁仍采用叠压的硅钢铁心。为进一步提高功率密度，定子绕组为水内冷绕组。在保守设计中，定子电枢线负荷设定为900 A/cm，该数值也符合一般常规电机的性能指标。由上述给定参数可大致算得电机的体积参数。

图 1 10 Mvar超导同步调相机二维电磁仿真模型图Fig.1 2D electromagnetic FEM model of the 10 Mvar superconducting synchronous condenser

转子整体连同REBCO超导励磁绕组均置于真空腔中。真空腔壁同时起到了阻尼屏蔽层(以下简称阻尼屏)的作用。REBCO超导绕组的工作温度为20～30 K，采用冷氦气冷却。REBCO超导绕组固定在不锈钢制成的转子主骨架上(图1中未画出)，并通过该主骨架传递电磁转矩。主骨架内部压装有转子铁心以提高整体磁密、减少超导材料用量。10 Mvar样机的主要设计参数列于表1中。

表1 10 Mvar样机的主要设计参数Tab.1 General electromagnetic parameters of the 10 Mvar prototype

1.1 定子绕组

在无磁性齿定子中，电枢绕组直接暴露于气隙磁密中，为减小涡流损耗绕组导体应采用细铜线绞制而成。根据文献[12]，当气隙磁密为1～2 T左右时，优选的细铜线直径应在1～2 mm之间。故10 Mvar样机中采用1 mm直径的细铜线制造定子线圈。在定子绕组的初步设计中，7根细铜线绞制成Litz线，9股Litz线和两根方形不锈钢水管共同绞制成定子绕组导体。每个定子线圈共有6匝导体，每匝导体中有63根细铜线，铜线中电流密度约为10.6 A/mm2。电枢线负荷约为900 A/cm。定子线圈导体的截面如图2所示。

1.2 REBCO超导励磁绕组

利用理论计算公式和有限元仿真相结合，并带入REBCO带材的Ic-B特性曲线，对REBCO超导励磁绕组进行了设计。首先根据文献[13]中的计算公式算出产生目标气隙磁密B0所需的励磁安匝数，然后利用ANSYS Maxwell有限元电磁仿真软件进行仿真，计算得到REBCO超导绕组的几何尺寸以及空载励磁安匝数。初步估算可得单个磁极上所需励磁安匝数IfNf约为4.51×105A。受限于REBCO带材的Ic-B特性曲线，对空载励磁电流If,0的计算需要进行多次迭代。此外，当电网发生故障时，转子励磁绕组的瞬时电流可能达到If,0的2～3倍以上[7,14]，因此If,0应当远离Ic以防止不可逆损伤。

对于大型超导电机来说，为使得定子电压波形近似正弦形，励磁绕组安匝数在转子圆周上的分布也应当近似正弦形[13]。但因为跑道形线圈的形状限制，只能通过改变不同位置线圈的内径来近似等效。如图1所示，超导转子共有4个磁极，每个磁极上的超导绕组由6个单饼REBCO跑道形线圈组成，所用高温超导带材为上海超导公司生产的REBCO涂层导体，该涂层导体采用50 μm的C- 276哈式合金基带，超导层采用“EuBCO+BaHfO3”或“YGdBCO”超导材料[15]，以提高其在低温高场下的电流性能。带材宽度为10 mm，采用双面75 μm的铜带进行封装，包覆绝缘后带材厚度约0.4 mm。该类型的涂层导体封装带在77 K下的临界拉伸应力可达到1 000 MPa(5%Ic衰减的判据)[15]，其临界弯曲半径也将小于30 mm，即小于所设计的超导绕组的最小半径。

超导电机因采用无磁性齿定子以及转子需要绝热结构，其物理气隙通常较大，因此超导电机的端部磁场较为发散，磁路特征不明显。常规电机中的二维仿真通常不能满足要求，需借助三维有限元仿真来计算电感矩阵参数和确定超导励磁绕组的工作点。为简化计算，在仿真模型中REBCO超导绕组被简化为理想导体。图3为二维和三维仿真模型中，当励磁电流If=If,0=375 A时，REBCO超导绕组在 图3(a)为线圈直线边中部截面和图3(b)为线圈弧段端部截面的磁密分布图。

图3 当励磁电流If=375 A，超导线圈磁密分布图Fig.3 The flux density distribution at the middle part of the REBCO coils and the end part of the REBCO coils when If=375 A

从图3可以看出，REBCO线圈端部的最大磁场为Bm,end=3.05 T，比线圈中部的最大磁场Bm,mid=2.92 T要高一些，因此线圈端部磁场对线圈的性能有更大的影响。为保证REBCO线圈的安全性做保守设计，线圈上磁场对带材性能的影响均按照垂直场进行评估。根据新西兰维多利亚大学的罗宾逊研究所(RRI)所测量的上海超导公司PA1212型REBCO涂层导体的性能数据[16]，对于10 mm宽的带材，当外界垂直场为5 T的情况下带材在30 K、25 K、20 K下的Ic分别为665 A、840 A和1 010 A，其在平行场下的Ic远高于垂直场下的Ic。图4显示了Bm,end随If变化的曲线和所用REBCO带材的在30 K、25 K、20 K/垂直场下的Ic-B特性曲线[16]的交叉点，在30 K下的交叉点即为REBCO超导绕组的极限工作点If,m=665 A，即10 Mvar样机运行过程中，励磁电流不得超过665 A。

1.3 阻尼屏蔽层

图4 REBCO励磁绕组极限工作点决定图Fig.4 The determination of the maximum excitation current of the REBCO exciting windings

阻尼屏蔽层是超导电机的特有结构，其作用是屏蔽定子侧高次谐波对转子超导绕组的不利影响，以及延缓定子短路脉冲磁场在转子超导绕组处的上升速度[17]。但另一方面，当超导励磁绕组进行快速励磁以提供瞬时无功功率时，阻尼屏蔽层的屏蔽效果延缓了磁场上升的速度，削弱了瞬时无功补偿的效果。这两个作用是相互矛盾的，在设计时需综合考量。

经过综合分析，6061铝合金是较为合适的阻尼屏材料。根据文献[17]中的公式，可算得阻尼屏的时间常数TD和表示屏蔽效果的复函数S(f)。由于REBCO励磁绕组自身具有很大的时间常数(Tf=Lf/Rf)，使得阻尼屏的TD发生了改变，进而影响了S(f)。图5为|S(f)|在随谐波频率的变化曲线，可以看出当不考虑励磁绕组的影响时，有阻尼屏时可将100 Hz以上的谐波对励磁绕组的影响屏蔽至无阻尼屏时的1%左右。若考虑励磁绕组的影响，|S(f)|的值略微有增加，屏蔽效果略有下降。

图5 屏蔽效果|S(f)|随谐波频率f的变化曲线Fig.5 The screening effect of the damper |S(f)| at different harmonic frequencies f

2 电路仿真

利用ANSYS Simplorer软件进行电路仿真以计算10 Mvar样机的无功补偿曲线，仿真电路图如图6所示。在仿真软件中，10 Mvar样机用带有阻尼绕组的同步电动机模块来实现，其定子端连接到三相理想电压源来模拟连接到无穷大电网中的情况，理想电压源的电压设定为定子额定空载电压，频率为50 Hz。超导励磁绕组通过理想电流源进行励磁，励磁电流的变化通过控制函数进行控制。当励磁电流If发生变化时，电枢电流Ia也相应的发生变化。定子电流初值设为0，励磁电流初值设为额定空载励磁电流375 A，转子初始角度为0 °，初始转速为1 500 r/min。调相机模块中的各个电感矩阵参数通过三维有限元仿真，以及针对大气隙结构的超导电机理论计算公式算得[13,18](包括阻尼屏蔽层相关电感参数)，计算结果及在仿真模块中的设定值如表2所示。在电路仿真中，超导励磁绕组的电流均在容许的通流能力之下，因此超导材料的性能参数对电路仿真的结果没有显著影响。

图6 10 Mvar样机的无功补偿仿真电路图Fig.6 Simple circuit layout of the reactive compensation simulation of the 10 Mvar HTS DSC

表2 10 Mvar样机主要电感矩阵参数Tab.2 Main parameters of the inductance matrix of the 10 Mvar prototype

图7为10 Mvar超导同步调相机的“V形”无功补偿曲线。当励磁电流If,n=428 A时，10 Mvar样机可以产生额定的10 Mvar无功功率(滞相)，此时励磁电流变化率仅为14.13 %。如图7中的虚线所示，当励磁电流为534 A时，10 Mvar样机可以实现30 Mvar，即3倍额定的输出功率，此时的励磁电流仍小于极限工作点If,m=665 A，因此励磁绕组是安全的，在此过程中励磁电流变化率为42.4%。而对于大型常规调相机而言，定子的无功功率过载率通常小于励磁电流的变化率。如某300 Mvar常规同步调相机中，其励磁电流过载倍数为2.5倍时，定子电流的过载倍数仅为1.5倍[19]，即最大滞相无功输出能力不超过额定值的1.5倍。这表明超导同步调相机可以以较小的励磁电流变化产生较大的无功输出功率，无功补偿能力优于常规同步调相机。

图7 10 Mvar样机的无功补偿曲线Fig.7 Result curves of the reactive power compensation simulation of the 10 Mvar HTS DSC

图8表明当励磁电流在0.5 s时间内从空载励磁电流If,0=375 A线性增加至满载励磁电流If,n=428 A过程中，励磁电压和电枢电流的变化过程。可以看到电枢电流的上升有一定的延迟，这是阻尼屏的屏蔽效果导致的。阻尼屏还迟滞了电枢反应磁通对励磁绕组的作用，所以励磁电压的波形也受到一定的影响。因此在制定10 Mvar样机的控制策略时，需考虑阻尼屏对快速励磁过程的负面影响。

图8 当励磁电流在0.5 s内从375 A升至428 A过程中励磁电压和电枢电流的变化曲线Fig.8 Variation curves of armature current Ia and the excitation voltage Uf during the 0.5 s forced excitation from 375 A to 428 A

3 结语

本文介绍了10 Mvar超导同步调相机的基本电磁设计方案和无功补偿仿真结果。该调相机的定子拟采用无磁性齿定子结构，转子励磁绕组采用10 mm宽的REBCO高温超导导线绕制。额定空载励磁电流为375 A，此时气隙磁密约为1.4 T，REBCO绕组上的最大磁密约为3.05 T，出现在线圈的端部位置。作为超导电机中特有结构，阻尼屏蔽层既屏蔽了定子侧的高次谐波对转子超导绕组的影响，也给快速励磁过程带来了负面的影响，在设计时需要综合考虑。最后借助电路仿真软件，计算了10 Mvar样机的无功补偿曲线，可以看出超导同步调相机具有较为优异的无功补偿性能。