紧凑化正交可控电抗器电感调节特性

袁佳歆 陈 凡 柯焰明,2 郑先锋 张朝阳

紧凑化正交可控电抗器电感调节特性

袁佳歆1陈 凡1柯焰明1,2郑先锋1张朝阳1

（1. 武汉大学电气与自动化学院 武汉 430072 2. 中冶南方都市环保工程技术股份有限公司 武汉 430223）

正交可控电抗器具有谐波含量低、电感变化较为线性的优点，在电能治理等领域有广泛的应用前景。针对传统正交可控电抗器电感可调范围小和空间占地多等问题，该文提出“十字型”和“丰字型”两种紧凑化正交可控电抗器。首先，通过电磁理论分析，建立紧凑化正交可控电抗器的电路磁路模型；其次，建立有限元仿真模型并得到其电感调节特性；最后，研制两台220V正交可控电抗器样机，并搭建实验平台进行电感调节特性测试。仿真和实验结果表明，相较于传统模型，在相同材料用量的情况下，该文所提出的“十字型”正交电抗器拓扑空间占用减小了53.7%、电感调节范围增大了1倍，“丰字型”拓扑则将电感调节范围增大了1.93倍。此外，正交拓扑还实现了控制绕组和工作绕组的解耦。

可控电抗器 正交可控电抗器 电感控制 线圈解耦

0 引言

电抗器作为电路的基础元件之一，在电力系统稳定、潮流调控、电机软起动和故障抑制等方面有着广泛的应用[1-4]。固定电抗器虽然能够解决电力系统的部分问题，但同时也存在一定的缺点，如当负荷变化、新能源的接入导致串联线路电压波动、潮流需要调控时，固定电抗由于无法动态调节，其电抗值将无法实现对潮流的控制；同样对并联滤波而言，由固定电抗构成的定调谐滤波装置难以对频率变化的谐波进行滤除[5-6]。可控电抗器逐渐被广泛研究，可以根据应用场景的需要进行电感值调节，如动态调整无功补偿容量达到改善电能质量的目的，同时可控电抗器也能解决投切固定电抗的开关投资费用[7-8]。应用在滤波器上则可以通过对电感值大小的调节，完成对不同频率的谐波滤除[9]。

现有的可控电抗器主要分为传统可控电抗器、晶闸管控制电抗器、磁控电抗器、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）可控电抗器、超导可控电抗器五大类[10]。传统可控电抗器即机械式调控电抗器，其通过调节抽头从而改变接入系统线圈匝数或者通过调节动铁心之间的气隙宽度来使得电感值可控，该类型电抗器电感值离散变化，无法连续调节且动作时间较长，抽头容易损坏；晶闸管控制电抗器通过控制晶闸管触发角的大小从而控制流过电抗器电流以等效为电感值的变化，该类型在应用于高压环境中需要多个晶闸管级联构成，成本较高且电力电子器件会产生一定的谐波；磁控电抗器通过控制铁心中磁通的大小以改变铁心磁导率来实现电感值的可控[11-12]，其中，助磁式可控电抗器应用较为广泛，但其工作区域由于铁心的大面积饱和使得交流绕组中均产生较大的谐波含量且存在较大的噪声；PWM可控电抗器通过对双向开关的控制实现对电感值的调控，但控制较为复杂且成本较高；超导可控电抗器利用超导材料的零电阻、迈斯纳效应等特性[13]，但其冷却系统复杂、成本高，目前难以广泛应用。

针对以上内容，文献[14]提出了一种如图1所示的铁心正交的电抗器结构，但该种电抗器的电感值可调范围较小、占用空间较大且不易安装。基于此，本文提出两种新型紧凑化的正交可控电抗器，根据铁心结构将其称为“十字型”和“丰字型”正交电抗器，如图2和图3所示，新型正交可控电抗器相比于传统正交电抗器结构更为紧凑，电感值的可调范围更大；相比于非正交的可控电抗器，正交结构能够使工作绕组和控制绕组解耦[15]。

图1 传统正交电抗器结构

图2 “十字型”紧凑化正交可控电抗器结构

图3 “丰字型”正交可控电抗器结构

1 紧凑化正交可控电抗器拓扑及工作原理

1.1 紧凑化正交可控电抗器拓扑

本文研究的“十字型”正交电抗器结构如图2所示，其中，交流铁心为一个“口字型”闭合铁心，直流铁心为两个相同的“C字型”铁心与交流铁心正交放置构成。交直流铁心的尺寸如图1所示，由图1、图2对比可知，传统拓扑的安装空间占用尺寸为450mm×300mm×300mm=40.5×106mm3，“十字型”新拓扑安装空间占用为250mm×250mm×300mm= 18.75×106mm3，“十字型”新拓扑的空间占用仅为传统拓扑的46.3%。

绕组部分由两个交流绕组Wac1、Wac2和两个直流绕组Wdc1、Wdc2组成，两个交流绕组缠绕在交流铁心的两个边柱上，两个直流绕组缠绕在两个直流铁心边柱上，分别各自串联连接。交流绕组接入工作回路，直流绕组接入控制回路。交直流磁通路径如图1和图2中虚线所示，在交流绕组及直流绕组分别施加激励时，产生的交直流磁通在铁心相交区域形成正交的磁场，通过控制直流电流的大小改变正交部分的磁场强度，等效于改变正交部分的磁导率，从而使得工作线圈的电感值可控。“丰字型”正交电抗器的直流铁心由一个增加到了3个并延长了交流铁心。

1.2 等效磁路及调节特性理论分析

根据图2所给出的正交可控电抗器的结构及磁通的部分情况得到该模型的等效磁路，如图4所示。图中，ac、dc分别为交流铁心及直流铁心非正交部分的磁阻，a1、a2为交流铁心两正交部分的磁阻，d1、d2为直流铁心两正交部分的磁阻，ac、dc分别为交、直流磁动势，改变dc可使得a1、a2可控，从而实现对电抗器的调节。

图4 正交可控电抗器等效磁路

正交可控电抗器在铁心正交区域的磁场分布如图5所示，其交流磁场方向及直流磁场方向应与对应铁心的方向相同，因此，正交区域形成的主磁场强度为交流、直流磁场强度的矢量之和。假设在正交区域内的相应关系如图5中所示，则根据电磁中的基本理论可得其数学模型，根据全电流定律可得

式中，Na、Nd分别为交流绕组及直流绕组线圈的总匝数；ia、id分别为交流绕组及直流绕组中所通的电流；Ha1、Ha2分别为交流铁心非正交部分磁场强度及交流铁心正交部分的磁场强度；Hd1、Hd2分别为直流铁心非正交部分磁场强度及直流铁心正交部分的磁场强度；la、la1、la2分别为交流铁心的总磁路长度、非正交部分磁路长度及单个正交部分磁路长度；ld、ld1、ld2分别为直流铁心的总磁路长度、非正交部分磁路长度及单个正交部分磁路长度。图5中，Ba、Bd分别为磁感应强度的交、直流分量。