- 頭條武漢大學科研人員提出兩種新型緊湊化的正交可控電抗器2022-06-14 作者：袁佳歆、陳凡 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語正交可控電抗器具有諧波含量低、電感變化較為線性的優點，在電能治理等領域有廣泛的應用前景。針對傳統正交可控電抗器電感可調范圍小和空間占地多等問題，武漢大學電氣與自動化學院、中冶南方都市環保工程技術股份有限公司的研究人員袁佳歆、陳凡、柯焰明、鄭先鋒、張朝陽，在2022年第2期《電工技術學報》上撰文，提出“十字型”和“豐字型”兩種緊湊化正交可控電抗器。 他們的研究結果表明，相較于傳統模型，在相同材料用量的情況下，“十字型”正交電抗器拓撲空間占用減小了53.7%、電感調節范圍增大了1倍，“豐字型”拓撲則將電感調節范圍增大了1.93倍。此外，正交拓撲還實現了控制繞組和工作繞組的解耦。
電抗器作為電路的基礎元件之一，在電力系統穩定、潮流調控、電機軟起動和故障抑制等方面有著廣泛的應用。固定電抗器雖然能夠解決電力系統的部分問題，但同時也存在一定的缺點，如當負荷變化、新能源的接入導致串聯線路電壓波動、潮流需要調控時，固定電抗由于無法動態調節，其電抗值將無法實現對潮流的控制；同樣對并聯濾波而言，由固定電抗構成的定調諧濾波裝置難以對頻率變化的諧波進行濾除。
可控電抗器逐漸被廣泛研究，可以根據應用場景的需要進行電感值調節，如動態調整無功補償容量達到改善電能質量的目的，同時可控電抗器也能解決投切固定電抗的開關投資費用。應用在濾波器上則可以通過對電感值大小的調節，完成對不同頻率的諧波濾除。
現有的可控電抗器主要分為傳統可控電抗器、晶閘管控制電抗器、磁控電抗器、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）可控電抗器、超導可控電抗器五大類。
- 傳統可控電抗器即機械式調控電抗器，其通過調節抽頭從而改變接入系統線圈匝數或者通過調節動鐵心之間的氣隙寬度來使得電感值可控，該類型電抗器電感值離散變化，無法連續調節且動作時間較長，抽頭容易損壞；
- 晶閘管控制電抗器通過控制晶閘管觸發角的大小從而控制流過電抗器的電流以等效為電感值的變化，該類型在應用于高壓環境中需要多個晶閘管級聯構成，成本較高且電力電子器件會產生一定的諧波；
- 磁控電抗器通過控制鐵心中磁通的大小以改變鐵心磁導率來實現電感值的可控，其中，助磁式可控電抗器應用較為廣泛，但其工作區域由于鐵心的大面積飽和使得交流繞組中均產生較大的諧波含量且存在較大的噪聲；PWM可控電抗器通過對雙向開關的控制實現對電感值的調控，但控制較為復雜且成本較高；
- 超導可控電抗器利用超導材料的零電阻、邁斯納效應等特性，但其冷卻系統復雜、成本高，目前難以廣泛應用。
針對以上內容，有學者提出了一種如圖1所示的鐵心正交的電抗器結構，但該種電抗器的電感值可調范圍較小、占用空間較大且不易安裝。
圖1 傳統正交電抗器結構
基于此，武漢大學等單位的研究人員提出兩種新型緊湊化的正交可控電抗器，具有連續平滑調節的特性。他們根據鐵心結構將其稱為“十字型”和“豐字型”正交電抗器，如圖2和圖3所示。新型正交可控電抗器相比于傳統正交電抗器結構更為緊湊，電感值的可調范圍更大；相比于非正交的可控電抗器，正交結構能夠使工作繞組和控制繞組解耦。
圖2 十字型緊湊化正交可控電抗器結構
圖3 豐字型正交可控電抗器結構
圖4 實驗電路及現場接線
?研究人員指出，緊湊化的“十字型”正交電抗器，在使用相同材料及相同的工作條件下，新型結構的電感值調節范圍可達原結構的約2倍。而且，“十字型”正交可控電抗器相較傳統型結構，所占用的立體空間體積減小了53.7%，且更易于放置。而“豐字型”拓撲通過增加直流鐵心增大了正交面積和可變磁阻比例，將電感調節范圍增大了53.25%，但增加直流鐵心的收益是遞減的。
他們最后表示，新型結構的正交可控電抗器的工作繞組和控制繞組無耦合，可以降低控制回路的設計難度和成本。
本文編自2022年第2期《電工技術學報》，論文標題為“緊湊化正交可控電抗器電感調節特性”，作者為袁佳歆、陳凡 等。
