楊芳，唐小亮，周亞兵，周凡，李達(dá)義

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511500；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)向上攀升，電力需求也越來(lái)越強(qiáng)，保證電力系統(tǒng)安全可靠成為重中之重?？烧{(diào)電抗器是電力系統(tǒng)中的一種基礎(chǔ)性裝置，在電機(jī)啟動(dòng)、柔性交流輸電系統(tǒng)、消弧線(xiàn)圈、電力系統(tǒng)穩(wěn)定和改善多LCL逆變器并網(wǎng)穩(wěn)定性等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。很多柔性交流輸電系統(tǒng)裝置，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器、串聯(lián)潮流控制器等，都用到了可調(diào)電抗器，因此可以認(rèn)為可調(diào)電抗器對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性起到了重要作用。此外，很多諧波抑制、過(guò)電壓過(guò)電流限制等問(wèn)題都能利用可調(diào)阻抗進(jìn)行解決，因此可調(diào)電抗器可發(fā)揮的作用也越來(lái)越大[1-3]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)可調(diào)電抗器進(jìn)行了深入的研究，并且提出了各種類(lèi)型的可調(diào)電抗器。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前已有的各種可調(diào)電抗器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)于各種可調(diào)電抗器的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用情況做出評(píng)述。

1 可調(diào)電抗器的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀

可調(diào)電抗器的發(fā)展歷程大致如下：1916年提出磁放大器的概念；20世紀(jì)50年代，磁放大理論被引入電力系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了飽和式可調(diào)電抗器的概念；1955年世界上第1臺(tái)可調(diào)電抗器在英國(guó)研制成功；70年代，晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor，TCR)開(kāi)始被大量研究；1986年，前蘇聯(lián)學(xué)者提出了“磁閥”的概念，磁閥式可調(diào)電抗器隨之出現(xiàn)，并很快成為熱點(diǎn)，停滯多年的關(guān)于直流飽和式可調(diào)電抗器的研究也有了突破性進(jìn)展；近年來(lái)，基于脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)控制的可調(diào)電抗器以及交流可調(diào)電抗器也被大范圍地研究，而且由于目前高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)技術(shù)也被逐漸應(yīng)用于可調(diào)電抗器的研究中。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都展開(kāi)了對(duì)可調(diào)電抗器的研究，并且取得了豐碩的成果。

國(guó)內(nèi)方面，華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)在這方面的研究較多。如文獻(xiàn)[4]提出一種“磁楔式”可調(diào)電抗器，對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)氣隙式電抗器進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)在水平方向往鐵軛中插入磁楔，調(diào)整插入深度即可改變氣隙大小，相對(duì)于以往調(diào)氣隙式電抗器的動(dòng)鐵心與定鐵心豎直相對(duì)調(diào)節(jié)相距距離的方式而言，大大減少了動(dòng)鐵心受到的電磁吸力和自身重力對(duì)于電感值調(diào)節(jié)的影響。文獻(xiàn)[5]提出一種磁路轉(zhuǎn)移型可調(diào)電抗器，利用直流磁通迫使交流磁通改變路徑，實(shí)現(xiàn)磁路轉(zhuǎn)移，從而改變交流等效磁阻實(shí)現(xiàn)電抗連續(xù)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[6]將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于可調(diào)電抗器，利用超導(dǎo)零電阻特性來(lái)降低損耗，提高效率，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院已經(jīng)針對(duì)于磁飽和式超導(dǎo)電抗器和高漏抗式超導(dǎo)電抗器研制出樣機(jī)，并完成入庫(kù)驗(yàn)收[7]。

國(guó)外研究方面，俄羅斯學(xué)者針對(duì)于磁閥式可調(diào)電抗器進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐厚的成果。前蘇聯(lián)學(xué)者Брянц提出的“磁閥”概念使得直流磁控飽和電抗器的研究得到了突破性進(jìn)展，磁閥式飽和電抗器也成為研究重點(diǎn)。目前，磁閥式可調(diào)電抗器的研究重點(diǎn)逐漸由單相過(guò)渡到三相，2005年俄羅斯率先研制出180 Mvar/500 kV三相磁閥式可調(diào)電抗器[8]。此外，由一些日本學(xué)者提出的正交磁心式可調(diào)電抗器，由于直流磁通和交流磁通不會(huì)互相干擾這一優(yōu)點(diǎn)，目前也成為了研究的重點(diǎn)[9]。

2 可調(diào)電抗器的類(lèi)型及工作原理

根據(jù)調(diào)節(jié)方式的不同，可調(diào)電抗器大致可以分為以下幾類(lèi)：機(jī)械控制式、直流磁控式、電力電子控制式、磁通控制式[10-14]。具體分類(lèi)及工作原理如下。

2.1 機(jī)械控制式可調(diào)電抗器

由于線(xiàn)路電感L=W2Λ，只要改變線(xiàn)圈匝數(shù)W或者磁路磁導(dǎo)Λ，就能對(duì)電抗X(X=ωL,ω為角頻率)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，最初的機(jī)械控制式可調(diào)電抗器就應(yīng)運(yùn)而生。

a) 調(diào)匝式電抗器?？梢酝ㄟ^(guò)2種方式調(diào)節(jié)電抗器匝數(shù)：①參照自耦式調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械的滑動(dòng)調(diào)匝方式，如圖1(a)所示，理論上這種電抗器的電抗可以連續(xù)調(diào)節(jié)，但實(shí)際上由于滑動(dòng)調(diào)匝時(shí)難以精確控制，且制作難度較大，因此這種滑動(dòng)調(diào)匝式電抗器一般只是應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室；②參照多抽頭式變壓器的結(jié)構(gòu)，制作多抽頭式電感線(xiàn)圈，然后進(jìn)行抽頭切換，從而調(diào)節(jié)匝數(shù)，如圖1(b)所示，這種可調(diào)電抗器原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度也很小，但缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1 調(diào)匝式電抗器Fig.1 Turn regulating reactor

b) 調(diào)氣隙式電抗器。磁路的磁導(dǎo)Λ=μS/l，其中，μ為鐵心磁導(dǎo)率，S為線(xiàn)圈截面積，l為磁路長(zhǎng)度。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鐵心氣隙的長(zhǎng)度就會(huì)被改變，即磁路長(zhǎng)度發(fā)生了變化，因此線(xiàn)圈的電感就能被調(diào)節(jié)了。與上文中提到的滑動(dòng)調(diào)匝式電抗器一樣，這種電抗器的電感也只是理論上連續(xù)可調(diào)。這種可調(diào)電抗器的原理很簡(jiǎn)單，制作難度也很低。但是很難對(duì)機(jī)械進(jìn)行精確控制，因此無(wú)法做到連續(xù)可調(diào)；另外，在這種情況下，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸會(huì)導(dǎo)致震動(dòng)和噪聲都較大，容易出現(xiàn)故障。針對(duì)于這一系列缺點(diǎn)，哈爾濱理工大學(xué)的魏新勞等提出了一種磁楔式可調(diào)電抗器，通過(guò)調(diào)整水平磁楔插入深度來(lái)改變氣隙，大大降低了動(dòng)鐵心所受的電磁吸力和重力，提高了電抗器的性能[15]。

圖2 調(diào)氣隙式電抗器Fig.2 Air gap adjustable reactor

2.2 直流磁控式可調(diào)電抗器

這種可控電抗器的基本原理是利用另外一個(gè)繞組線(xiàn)圈作為勵(lì)磁繞組，向其中通直流電流，通過(guò)改變直流電流大小，使電抗器鐵心在飽和點(diǎn)左右變化，從而改變鐵心磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變磁路磁導(dǎo)，最終使得工作繞組線(xiàn)圈電感發(fā)生改變。在進(jìn)行直流助磁時(shí)，鐵心很容易就達(dá)到了飽和狀態(tài)，因此直流磁控式電抗器又被稱(chēng)作磁飽和式電抗器。

目前國(guó)內(nèi)外已有的直流磁控式電抗器大致可以分為3類(lèi)：裂芯式、磁閥式與正交鐵心式。

a)裂芯式可調(diào)電抗器。裂芯式可調(diào)電抗器原理如圖3所示。圖3中，工作繞組與勵(lì)磁繞組的繞制方式不同，導(dǎo)致交流磁通所流經(jīng)磁路由2個(gè)分裂芯柱和1個(gè)旁柱組成，而直流磁通所流經(jīng)磁路只是由2個(gè)分裂芯柱組成。交流磁回路磁導(dǎo)率改變的原因是正半波內(nèi)其中一個(gè)分裂芯柱飽和，負(fù)半波內(nèi)另一個(gè)分裂芯柱飽和，這樣的交替飽和導(dǎo)致磁導(dǎo)率變化[16-17]。兩分裂芯柱內(nèi)的磁密波形呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系，這就使得直流控制繞組兩端感應(yīng)出偶次諧波電動(dòng)勢(shì)，其主要成分為2次諧波。

圖3 裂芯式可調(diào)電抗器原理Fig.3 Schematic diagram of split core adjustable reactor

裂芯式可調(diào)電抗器可以應(yīng)用于可控高抗的設(shè)計(jì)。裂芯式可控高抗網(wǎng)側(cè)繞組有2種結(jié)構(gòu)——串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)側(cè)電流只含奇數(shù)次諧波；并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)側(cè)會(huì)形成偶次諧波環(huán)流，抑制了鐵心中的偶次諧波磁通，能降低控制繞組中2次諧波含量。三相裂芯式可控高抗本體一般是采用3個(gè)單相電抗器構(gòu)成，其控制繞組的結(jié)構(gòu)也有2種，分別為三串兩并式和兩串三并式。

裂芯式可控高抗一般是用作母線(xiàn)高抗，對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)為110～500 kV，目前主要在俄羅斯等國(guó)家多有應(yīng)用。我國(guó)首臺(tái)500 kV裂芯式可控高抗由中國(guó)電力科學(xué)研究院與沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其裝設(shè)于峽江線(xiàn)，于2007年順利投運(yùn)?？煽馗呖惯€有另一種形式，即分級(jí)式可控高抗，它目前在超高壓輸電系統(tǒng)中多有應(yīng)用，如敦煌變電站母線(xiàn)上裝設(shè)750 kV分級(jí)式可控高抗來(lái)解決無(wú)功平衡及電壓穩(wěn)定問(wèn)題[18]。

b) 磁閥式可調(diào)電抗器。磁閥式可調(diào)電抗器原理如圖4所示。圖4中，與裂芯式可調(diào)電抗器一樣，鐵心是由2個(gè)分裂芯柱和1個(gè)旁柱組成。2個(gè)分裂芯柱上繞有匝數(shù)相同的2個(gè)繞組 ,并且繞組分為上下2個(gè)部分，中間通過(guò)晶閘管進(jìn)行連接。這就使得芯柱上半部分的繞組中流過(guò)交流電流，是工作繞組，而芯柱下半部分的繞組中流過(guò)的是經(jīng)晶閘管整流后得到的直流電流，因此下半部分繞組是勵(lì)磁繞組。在1個(gè)周期內(nèi)，2個(gè)分裂芯柱上的晶閘管輪流導(dǎo)通，進(jìn)行整流；改變晶閘管的導(dǎo)通角 ,便可以控制直流電流大小,調(diào)節(jié)鐵心飽和程度 ,進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗[19-22]。

圖4 磁閥式可調(diào)電抗器原理Fig.4 Schematic diagram of magnetic valve type adjustable reactor

單相磁閥式可調(diào)電抗器技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，三相磁閥式可調(diào)電抗器成為了新一輪的研究熱點(diǎn)。2005年俄羅斯率先研制出180 Mvar/500 kV三相磁閥式可調(diào)電抗器；2006年我國(guó)的沈陽(yáng)變壓器廠(chǎng)成功研制出400 Mvar/500 kV三相磁閥式可調(diào)電抗器的樣機(jī)，并通過(guò)廠(chǎng)內(nèi)實(shí)驗(yàn)[23]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于磁閥式電抗器的應(yīng)用基本集中在220 kV變電站中，以浙江省為例，2012年至2017年浙江電網(wǎng)共有18套磁閥式可調(diào)電抗器在12座220 kV變電站中投入使用，主要用于平衡無(wú)功，維持電網(wǎng)電壓[24]。

c) 正交鐵心式可調(diào)電抗器。正交鐵心式可調(diào)電抗器原理如圖5所示。圖5中，鐵心由2個(gè)U型鐵心旋轉(zhuǎn)90°相互正交構(gòu)成，其中：N1為交流工作繞組，固定在其中一個(gè)U型鐵心上；N2為直流勵(lì)磁繞組，固定在另外一個(gè)U型鐵心上。由于采用了正交結(jié)構(gòu)，使得直流磁通與交流磁通不會(huì)相互干擾，這是正交鐵心式可調(diào)電抗器的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。但這種結(jié)構(gòu)同樣也有缺陷，就是容易導(dǎo)致兩側(cè)的鐵心交接處鐵心飽和，使得工作電流中諧波含量較高[25]。大連理工大學(xué)的牟憲民等提出在交流工作繞組側(cè)設(shè)置1個(gè)輔助繞組，該輔助繞組通過(guò)電壓型逆變器與直流勵(lì)磁繞組相連接，這樣在提供勵(lì)磁功率的同時(shí)將逆變器輸出電流耦合到交流工作繞組中，消除工作電流中的諧波[26]。

圖5 正交鐵心式可調(diào)電抗器原理Fig.5 Schematic diagram of orthogonal core type adjustable reactor

直流磁控式可調(diào)電抗器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制也不復(fù)雜。作為控制部分的勵(lì)磁繞組一般來(lái)說(shuō)容量都較小，而工作繞組中通過(guò)的是交流工作電流，容量較大，因此這是一種“小容量控制大容量”的方式，這一特點(diǎn)使其在高壓大容量場(chǎng)合應(yīng)用較多；但其也存在明顯的缺點(diǎn)，即鐵心飽和使得響應(yīng)速度慢，且諧波和有功損耗都很大。

2.3 電力電子控制式可調(diào)電抗器

a) TCR。TCR原理如圖6所示，它是利用晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)控制電抗大小。

圖6 TCRFig.6 Thyristor controlled reactor

若設(shè)定2個(gè)晶閘管的觸發(fā)角為α，則流過(guò)電感L的電流

(1)

因此電流i的基波有效值

I=U(2π-2α+sin 2α)/πωL.

(2)

式 (1)—(2)中:U為端電壓u的有效值;ω為角頻率；t為時(shí)間。由式(2)可知，控制2個(gè)晶閘管的觸發(fā)角α即可控制流過(guò)電感的電流，因此整體可等效為1個(gè)可調(diào)電抗器。

這種電抗器控制靈活，在上個(gè)世紀(jì)70至80年代成為了研究熱點(diǎn) ,但它有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)就是會(huì)產(chǎn)生大量低次諧波，因此使用時(shí)必須加裝濾波裝置；此外，晶閘管耐壓值較低，在高壓場(chǎng)合中必須采用多個(gè)晶閘管串聯(lián)，這就會(huì)導(dǎo)致成本上升，因此TCR主要應(yīng)用在低壓配電網(wǎng)中作為靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置[27]。

b) PWM控制的可調(diào)電抗器。PWM控制的可調(diào)電抗器是近些年來(lái)基于脈寬調(diào)制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新型可調(diào)電抗器，它是利用全控型器件代替晶閘管，通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)電抗值，PWM控制的可調(diào)電抗器原理如圖7所示。圖7中，開(kāi)關(guān)K1、K2為雙向開(kāi)關(guān)，其中K1和電感串聯(lián)，可以對(duì)電流進(jìn)行進(jìn)行斬波；K2與電感并聯(lián)，在K1斷開(kāi)時(shí)對(duì)電感電流進(jìn)行續(xù)流，防止電感上產(chǎn)生過(guò)電壓。由于使用了PWM技術(shù)，這種電抗器響應(yīng)速度很快；而且輔助開(kāi)關(guān)對(duì)電感進(jìn)行了續(xù)流，諧波含量很低。它的缺點(diǎn)是使用開(kāi)關(guān)器件數(shù)目多且控制較為復(fù)雜，成本較高。

圖7 PWM控制的可調(diào)電抗器Fig.7 PWM controlled adjustable reactor

2.4 磁通控制式可調(diào)電抗器

目前主流的磁通控制式可調(diào)電抗器是磁通可控型可調(diào)電抗器，如圖8所示。從圖8中可以明顯看出，它是一種變壓器與逆變器控制技術(shù)相結(jié)合而形成的新型可調(diào)電抗器。通過(guò)檢測(cè)一次側(cè)的交流電流作為目標(biāo)量，再利用直流電源進(jìn)行逆變產(chǎn)生受控電流，與目標(biāo)量成比例且反相，就可以改變鐵心中磁通，進(jìn)而改變鐵心中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得變壓器一次側(cè)的等效電抗值改變，因此它是一種典型的交流磁控電抗器[28-32]。

圖8 磁通可控型可調(diào)電抗器Fig.8 Flux controllable adjustable reactor

由文獻(xiàn)[29]、[32]可知：令雙繞組變壓器一次側(cè)繞組漏阻抗為Z1，勵(lì)磁阻抗為Zm，變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的受控電流與一次側(cè)電流的比例系數(shù)為δ，則從一次側(cè)看進(jìn)去的等效電抗值為

Z=Z1+(1-δ)Zm.

(3)

由式(3)可知：當(dāng)二次側(cè)電流跟蹤一次側(cè)電流時(shí)，變壓器就會(huì)等效為1個(gè)可調(diào)電抗器，且它的等效阻抗值的大小是由參數(shù)δ決定；且δ是連續(xù)可調(diào)的，因此該等效阻抗也是連續(xù)可調(diào)的，隨著δ在0到1之間變化，該等效阻抗值會(huì)在Z1到(Z1+Zm)之間變化。

雙繞組變壓器結(jié)構(gòu)如圖8所示。如果要提升容量，可以采用多繞組共同補(bǔ)償?shù)姆桨?，如圖9所示。該電抗器的各項(xiàng)性能都非常優(yōu)秀，如電抗連續(xù)可調(diào)范圍廣，響應(yīng)速度快，產(chǎn)生諧波少等[33]，不過(guò)該電抗器的缺點(diǎn)也十分明顯：即由于控制方案復(fù)雜且使用大量開(kāi)關(guān)器件，需要投入的研究精力劇增，而且制作成本也會(huì)顯著提升。

圖9 磁通可控型多繞組可調(diào)電抗器Fig.9 Flux controllable multi-winding adjustable reactor

2.5 其他可調(diào)電抗器

隨著可調(diào)電抗器的研究越來(lái)越深入，一些不屬于上述分類(lèi)的特殊類(lèi)型的可調(diào)電抗器也逐漸被提出，現(xiàn)介紹其中2種：

a)虛擬氣隙可調(diào)電抗器。虛擬氣隙的概念最初是在文獻(xiàn)[34]中提出的，用于抑制變壓器中的浪涌電流。變壓器鐵心的局部區(qū)域的飽和，可以產(chǎn)生低磁導(dǎo)率的區(qū)域，該區(qū)域跨越鐵心的橫截面，類(lèi)似于氣隙，通過(guò)改變控制電流，即可實(shí)現(xiàn)可變長(zhǎng)度的氣隙。文獻(xiàn)[35]給出了完整的計(jì)算虛擬氣隙長(zhǎng)度的方法。加拿大多倫多大學(xué)的D.S.L.Dolan 等將虛擬氣隙概念應(yīng)用于可調(diào)電抗器的研究，提出了一種虛擬氣隙可調(diào)電抗器，如圖10所示。

圖10中，通過(guò)在鐵心中嵌入1對(duì)直流控制繞組，使得它們產(chǎn)生相反的直流磁通，在整個(gè)鐵心中，直流磁通會(huì)相互抵消，但在直流控制繞組附近的局部區(qū)域鐵心會(huì)飽和，飽和區(qū)域的磁導(dǎo)率會(huì)下降到接近于空氣的磁導(dǎo)率，導(dǎo)致類(lèi)似于出現(xiàn)了1個(gè)氣隙；改變直流電流的大小，即可改變虛擬氣隙的長(zhǎng)度，從而改變電感大小[36]。

圖10 虛擬氣隙可調(diào)電抗器Fig.10 Virtual air gap adjustable reactor

這種虛擬氣隙可調(diào)電抗器也是利用飽和來(lái)改變電抗，但它與直流磁控式等飽和電抗器的重要區(qū)別是：直流磁控式電抗器中，直流磁通會(huì)在整個(gè)鐵心中循環(huán)，導(dǎo)致較大的損耗，而虛擬氣隙電抗器的直流磁通在整個(gè)鐵心中是相互抵消的，只在繞組附近使鐵心飽和。

D.S.L.Dolan等將虛擬氣隙電抗器制成樣機(jī)，并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，使用虛擬氣隙，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變電抗，并且隨著直流控制電流的增加，電感值能降到初始值的9%以下。

國(guó)內(nèi)對(duì)于虛擬氣隙電抗器也進(jìn)行了研究，如廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司在2010至2014年內(nèi)研制出世界上首套110 kV直掛式虛擬氣隙可控電抗器和10 kV虛擬氣隙可控電抗器成套裝置，并在220 kV車(chē)河變電站中成功應(yīng)用。

b)磁路轉(zhuǎn)移型可調(diào)電抗器。哈爾濱理工大學(xué)的官瑞楊等設(shè)計(jì)一種特殊結(jié)構(gòu)的鐵心，利用直流磁通補(bǔ)償交流磁通，迫使交流磁通改變磁路，從而改變磁阻大小，調(diào)節(jié)電感[5]。其主磁路如圖11所示。

圖11中：交流工作繞組設(shè)置在A(yíng)G上，直流控制繞組設(shè)置在DH上。當(dāng)直流控制繞組中無(wú)電流時(shí)，鐵心柱BF之間的氣隙很大，導(dǎo)致磁阻過(guò)大，因而交流磁通的磁路為A-C-E-G-A,此時(shí)磁路中僅有1個(gè)小氣隙，磁阻最小。當(dāng)直流控制繞組中通入直流電流時(shí)，直流磁通的磁路為D-C-B-H-D在和D-E-F-H-D 2個(gè)對(duì)稱(chēng)磁路。增大直流電流，可交流電流的正負(fù)半周內(nèi)，使得直流磁通分別在B、F處與交流磁通大小相等、方向相反，即可迫使交流磁通改換磁路流通。此時(shí)，交流磁路分別為A-B-H-D-E-G-A和G-F-H-D-C-A-G，由于磁路中的氣隙增加了，因而磁阻最大。研究表明，在直流磁通對(duì)交流磁通從不補(bǔ)償?shù)饺a(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，電感值由大變小，并且補(bǔ)償量越多，電感值越小。

圖11 磁路轉(zhuǎn)移型可調(diào)電抗器Fig.11 Magnetic circuit transfer adjustable reactor

官瑞楊等將磁路轉(zhuǎn)移型電抗器制成了樣機(jī)，并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值的偏差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該原理的正確性；但該樣機(jī)目前的電感調(diào)節(jié)范圍只有毫亨級(jí)，能否應(yīng)用到高壓場(chǎng)合還需研究。

3 各種可調(diào)電抗器的對(duì)比分析

上文中已經(jīng)介紹了現(xiàn)有的各種可調(diào)電抗器，這些電抗器各有優(yōu)缺點(diǎn)，表1對(duì)一些典型電抗器的性能優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行比較(特殊類(lèi)型的可調(diào)電抗器由于應(yīng)用不廣泛，故不予比較)。

由表1可以得出如下結(jié)論：

a)目前常用的直流勵(lì)磁的電抗器控制方法簡(jiǎn)單且成本較低，但是存在嚴(yán)重的諧波及振動(dòng)噪聲問(wèn)題，因此只適用于部分場(chǎng)合，如前文提到的高壓大容量場(chǎng)合。

表1 各類(lèi)可控電抗器的比較結(jié)果Tab.1 Comparisons of various controllable reactors

b)機(jī)械調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器由于電抗變化不連續(xù)，只能在某些精度要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用，近些年已經(jīng)逐漸開(kāi)始被淘汰。

c)TCR可以連續(xù)調(diào)節(jié)電抗值，但和直流磁控式一樣，存在嚴(yán)重的諧波問(wèn)題，目前主要是用來(lái)和電容器并聯(lián)組成無(wú)功補(bǔ)償裝置。

d)PWM控制式與磁通可控型這兩者均有響應(yīng)速度快、諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)，但是控制難度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，導(dǎo)致成本十分高昂，從而限制了這2種可調(diào)電抗器的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

可調(diào)電抗器是電力系統(tǒng)中非常重要的元件，它對(duì)于維持電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定具有重要的作用，近些年來(lái)發(fā)展十分迅猛。除了上面已經(jīng)介紹的幾種類(lèi)型之外，高溫超導(dǎo)型可調(diào)電抗器目前也是研究的熱點(diǎn)，它是利用線(xiàn)路正常時(shí)處于超導(dǎo)態(tài)的低阻抗特性和發(fā)生短路故障時(shí)處于正常態(tài)的高阻抗特性進(jìn)行切換，來(lái)實(shí)現(xiàn)電抗可調(diào)[37-38]。還有的學(xué)者通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的鐵心結(jié)構(gòu)來(lái)讓磁通通過(guò)不同的磁路來(lái)改變磁阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電抗。

可調(diào)電抗器雖然從上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開(kāi)始研究，但時(shí)至今日，它還是有著許多研究空間，例如直流磁控式可調(diào)電抗器的諧波、噪聲問(wèn)題，三相磁閥式可調(diào)電抗器的鐵心柱及磁閥的復(fù)雜制造工藝，磁通控制式可調(diào)電抗器的控制復(fù)雜、成本高等等，這些都是目前所亟待解決的問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，可調(diào)電抗器一直是朝著電抗值連續(xù)可調(diào)、噪聲小、諧波低的方向來(lái)發(fā)展的，但是在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題，如控制復(fù)雜、成本上升。研制出一種性能好而成本又低的可調(diào)電抗器是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者一致的追求，為此需要在制造工藝及控制策略上實(shí)現(xiàn)新的突破。

此外，隨著高壓、超高壓輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓大容量的可調(diào)電抗器的需求量劇增，它也必將成為研究的熱點(diǎn)。