超导可控电抗器研究方法分析

朱红亮

随着电网系统电压的不断提升，系统无功缺额及电压失稳等问题加剧[1]。电抗器作为重要的无功补偿装，可以有效改善供电质量。但传统电抗器难以实现无功的连续平滑调节，且无功容量小，谐波干扰大，不能有效解决高压电网的无功缺额问题[2]。超导可控电抗器具有占空比低、质量轻、成本低、谐波小、阻燃率高等优点，能够有效提升电网系统的稳定性。

1 电抗器原理分类

可控电抗器根据原理不同，主要分为：机械式电抗器、晶闸管式电抗器、磁控式电抗器、超导电抗器4类[3]（图1）。

机械式电抗器通过机抽头、内部气隙等方式，实现电感变化，进而进行电抗调节，要求机械传动装置精密度高，存在调节不连续、噪声大，响应速度慢的缺点[4]。晶闸管控制电抗器通过控制晶闸管的导通时间，可以有效控制电抗连续变化，但是存在结构复杂、造价高昂、谐波引入的缺点。磁控式电抗器通过直流偏磁改变磁密饱和程度，实现电抗的可控调节，存在响应速度不显著的缺点[5]。超导电抗器采用超导材料替代传统导体材料，基于其超导态零电阻特性，可以显著降低电抗器焦耳热能耗，有效提升空间占比。

2 超导电抗器研究情况

高温超导绕组具有载流密度高、体积小、损耗低等优点，超导可控电抗器在解决高压电网的无功补偿问题上，具有很好的应用前景。世界各国分别开展超导可控电抗器的研究工作[6-8]（表1）。

3 超导可控电抗器分类及工作原理

超导可控电抗器按照超导状态分为2类：①串联型超导可控电抗器电抗值调节，通过超导材料超导态与失超态转变；②并联型超导可控电抗器电抗值的调节过程中，超导材料保持超导态。

3.1 串联型超导可控电抗器

3.1.1 变压器型

3.1.1.1 装置结构

变压器型超导可控电抗器由铜线主绕组与超导线圈副绕组组合而成，主绕组与副绕组绕在同一铁芯，主绕组与电网主回路连接，副绕组浸泡在低温工况，由超导线圈构成[9，10]，结构原理与等效电路如图2、图3所示。

3.1.1.2 控制方式

系统正常运行时，副绕组短接呈现零电阻状态，电抗器表现为低阻抗。发生短路故障后，主、副绕组电流迅速上升，副侧绕组呈失超状态，电抗器表现高阻抗，完成电抗的可控调节。

3.1.2 三相电抗器型

3.1.2.1 装置结构

三相电抗器型超导可控电抗器由匝数相同的三组超导绕组绕在同一铁芯并浸泡在低温工况中，三组绕组分别接于电网三相电路上[11]，结构原理如图4所示。

3.1.2.2 控制方式

正常运行时，绕组不失超，三相电流相互抵消，铁芯磁通变化为零，表现低阻抗；当单相发生短路电流故障，三相不平衡，电抗值瞬间增大，短路电流被抑制；发生二到三相短路故障时，超导绕组失超，电抗值大幅升高，完成电抗的可控调节。

3.1.3 磁屏蔽型

3.1.3.1 装置结构

磁屏蔽感应型可控电抗器由铜线主绕组、超导副绕组构成、两组绕组绕在同侧铁芯上，复绕组浸泡在低低温工况中，主绕组绕在低温装置上，主绕组与电网相接[12]，结构原理如图5所示。

3.1.3.2 控制方式

在正常工作时，电抗器为超导态，主绕组磁通变化对电网无影响，电抗器的阻抗由主副绕组间漏磁量决定。当出现短路故障时，主绕组电流使铁芯内的磁通量急剧增大，进而使副绕组失超，电抗器阻值瞬间增大，完成电抗值的可控调节。

3.1.4 桥路型

3.1.4.1 装置结构

桥路型超导可控电抗器由高温超导电感线圈、整流桥及偏置电压源组成。超导电感线圈处在77K低温工况中，全波整流桥处于常温工况中[13]，结构原理与等效电路如图6、图7所示。

3.1.4.2 控制方式

正常运行时，负载电流低于超导电感呈超导状态态，表现低电抗。发生短路故障时，故障电流使得超导电感失超，电抗值瞬间增大，完成电抗的可控调节。

3.1.5 串联超导可控电抗器优缺点分析

变压器型、三相电抗器型、磁屏蔽型、桥路型超导可控电抗器装置结构相对简单，无论从故障电流调节和可靠性方面均有明显的优势，4类串联超导电控器优缺点分析如表2所示，其中桥路型超导电抗器从空间占比、引入谐波有较大优势，电流引线损耗方面有很大的改善空间。

3.2 并联超导可控电抗器

3.2.1 饱和铁芯型

3.2.1.1 装置结构

饱和铁芯型电控器由铜线工作绕组和超导控制绕组组成，工作绕组为交流绕组，由两组铜线缠绕在不同铁芯上，励磁绕组连接直流供电电源[14]，结构原理如图8所示。通过调整直流电源的输出，实现铁芯的偏磁，通过调整铁芯电磁饱和度，实现输出电抗的可控调节。

3.2.1.2 控制方式[15]

飽和铁芯型超导可控电抗器磁化曲线如图9所示，控制绕组不通流时，铁芯间仅有少量磁通，工作绕组波形如曲线2所示。控制绕组通入一定电流时，铁芯间波形如曲线3与曲线4表现出非对称性。电抗器所通过全部电流值为控制绕组与工作绕组电流叠加而成，波形如曲线5。因此，当交流电压恒定时，可大限度提高直流励磁，促使工作绕组电流叠加，利用调整直流励磁值，对工作绕组电流进行调整，实现电抗器电抗有效调整（表3）。

3.2.2 高漏抗型

3.2.2.1 裝置结构

高漏抗型电抗器由一组铜线工作绕组和多组超导控制绕组组成[16]。工作绕组连接电网，控制绕组依次同芯绕制在铁芯上，结构原理与等效电路如图10、图11所示。通过依次对控制绕组进行短路操作，实现电抗器的电抗值的调节。

3.2.2.2 控制方式[17]

如图12所示，根据磁通变化情况，高漏抗型超导可控电抗器处于档位1时，超导控制绕组全部开路，磁通全部集中于铁芯内，中芯柱的磁饱和程度直接决定电抗值的稳定性。档位2下，控制绕组1产生感应电流，中芯柱部分磁通抵消；档位2、3、4下，控制绕组1感应电流不断变化，2组超导绕组通路情况随档位变化如表4所示，随着主磁通磁路抵消程度不同，实现电抗的可控调节。

3.2.3 正交磁通型

3.2.3.1 正交耦合型

正交磁通型超导可控电抗器由铜线工作绕组和超导控制绕组构成。工作绕组为交流绕组接入电网，2组绕组以正交方式缠绕在圆筒形铁芯中，结构原理如图13所示。控制绕组产生直流磁场使公共铁轭偏磁，工作绕组产生与铁芯轴线平行的交流磁场。控制绕组与工作绕组正交，产生一个与铁芯轴线正交的直流磁场[18，19]。由于完全正交方式及形成磁路不完整，使控制绕组产生巨大交变磁场，进而形成很大交流损耗，导致电抗输出范围有限、谐波问题严重，因此正交耦合型可控电抗器还需进一步完善。

3.2.3.2 正交磁链型[20]

为解决电抗输出范围有限、谐波问题无法避免问题，华中科技大学提出正交磁链饱和铁芯式超导可控电抗器设计方案，控制绕组和工作绕组磁链呈正交布局，多组超导绕组外接直流控制电源，相邻超导绕组按同名端异名端依次串联（如图14所示）。该方案技术优势：控制段铁芯和工作段铁芯的分离，增大可控调节范围工作绕组与控制绕组的磁通正交，显著降低耦合正交铁芯结构，励磁绕组感应电压小，交流损耗低工作段铁芯始终处于非饱和区，可有效抑制电流谐波。

3.2.4 并联超导可控电抗器优缺点分析

相较于串联超导可控电抗器，并联可控电抗器在无功补偿方面优势明显，调节范围更大，响应时间更短，但结构更加复杂，引入谐波含量更高，如表5所示，对并联超导电抗器优缺点进行具体分析，其中正交磁链型在谐波控制方面更具有发展前景。

4 结语

本文阐述了目前超导电抗器的发展现状，简述了串联超导电抗器和并联超导电抗器的基本结构和工作原理，分析了现有超导电抗器的优缺点。串联超导电控器主要用于故障电流电抗调节，并联型超导电抗器主要用于对电网做无功补偿，其中正交磁链型电抗器因其交流损耗低和谐波低的特点，是超导电抗器应用技术重要研究方向，现阶段还需开展更加深入研究，突进超导电抗器应用进程。

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

致谢：感谢国家重点研发计划（课题编号：2018YFB0904403）的资助。

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