可调电抗器综述

杨芳，唐小亮，周亚兵，周凡，李达义

(1.广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511500；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

随着现代工业不断发展，全球经济持续向上攀升，电力需求也越来越强，保证电力系统安全可靠成为重中之重。可调电抗器是电力系统中的一种基础性装置，在电机启动、柔性交流输电系统、消弧线圈、电力系统稳定和改善多LCL逆变器并网稳定性等领域应用非常广泛。很多柔性交流输电系统装置，如静止无功补偿器、串联潮流控制器等，都用到了可调电抗器，因此可以认为可调电抗器对于电力系统的稳定性与安全性起到了重要作用。此外，很多谐波抑制、过电压过电流限制等问题都能利用可调阻抗进行解决，因此可调电抗器可发挥的作用也越来越大[1-3]。

国内外许多学者都对可调电抗器进行了深入的研究，并且提出了各种类型的可调电抗器。本文在前人研究的基础上，总结了目前已有的各种可调电抗器的研究现状，并对于各种可调电抗器的优缺点、适用范围及国内外的工程应用情况做出评述。

1 可调电抗器的发展历史与研究现状

可调电抗器的发展历程大致如下：1916年提出磁放大器的概念；20世纪50年代，磁放大理论被引入电力系统，由此产生了饱和式可调电抗器的概念；1955年世界上第1台可调电抗器在英国研制成功；70年代，晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)开始被大量研究；1986年，前苏联学者提出了“磁阀”的概念，磁阀式可调电抗器随之出现，并很快成为热点，停滞多年的关于直流饱和式可调电抗器的研究也有了突破性进展；近年来，基于脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制的可调电抗器以及交流可调电抗器也被大范围地研究，而且由于目前高温超导技术的发展，高温超导技术也被逐渐应用于可调电抗器的研究中。

近年来，国内外学者都展开了对可调电抗器的研究，并且取得了丰硕的成果。

国内方面，华中科技大学、浙江大学、哈尔滨理工大学在这方面的研究较多。如文献[4]提出一种“磁楔式”可调电抗器，对传统的调气隙式电抗器进行了改进，通过在水平方向往铁轭中插入磁楔，调整插入深度即可改变气隙大小，相对于以往调气隙式电抗器的动铁心与定铁心竖直相对调节相距距离的方式而言，大大减少了动铁心受到的电磁吸力和自身重力对于电感值调节的影响。文献[5]提出一种磁路转移型可调电抗器，利用直流磁通迫使交流磁通改变路径，实现磁路转移，从而改变交流等效磁阻实现电抗连续调节。文献[6]将超导技术应用于可调电抗器，利用超导零电阻特性来降低损耗，提高效率，云南电网有限责任公司电力科学研究院已经针对于磁饱和式超导电抗器和高漏抗式超导电抗器研制出样机，并完成入库验收[7]。

国外研究方面，俄罗斯学者针对于磁阀式可调电抗器进行了深入的研究，并取得了丰厚的成果。前苏联学者Брянц提出的“磁阀”概念使得直流磁控饱和电抗器的研究得到了突破性进展，磁阀式饱和电抗器也成为研究重点。目前，磁阀式可调电抗器的研究重点逐渐由单相过渡到三相，2005年俄罗斯率先研制出180 Mvar/500 kV三相磁阀式可调电抗器[8]。此外，由一些日本学者提出的正交磁心式可调电抗器，由于直流磁通和交流磁通不会互相干扰这一优点，目前也成为了研究的重点[9]。

2 可调电抗器的类型及工作原理

根据调节方式的不同，可调电抗器大致可以分为以下几类：机械控制式、直流磁控式、电力电子控制式、磁通控制式[10-14]。具体分类及工作原理如下。

2.1 机械控制式可调电抗器

由于线路电感L=W2Λ，只要改变线圈匝数W或者磁路磁导Λ，就能对电抗X(X=ωL,ω为角频率)进行调节。因此，最初的机械控制式可调电抗器就应运而生。

a) 调匝式电抗器。可以通过2种方式调节电抗器匝数：①参照自耦式调压器的结构，采用机械的滑动调匝方式，如图1(a)所示，理论上这种电抗器的电抗可以连续调节，但实际上由于滑动调匝时难以精确控制，且制作难度较大，因此这种滑动调匝式电抗器一般只是应用在实验室；②参照多抽头式变压器的结构，制作多抽头式电感线圈，然后进行抽头切换，从而调节匝数，如图1(b)所示，这种可调电抗器原理简单，实现起来难度也很小，但缺点是不能连续调节。

图1 调匝式电抗器Fig.1 Turn regulating reactor

b) 调气隙式电抗器。磁路的磁导Λ=μS/l，其中，μ为铁心磁导率，S为线圈截面积，l为磁路长度。其结构如图2所示。

图2中，传动轴转动时，铁心气隙的长度就会被改变，即磁路长度发生了变化，因此线圈的电感就能被调节了。与上文中提到的滑动调匝式电抗器一样，这种电抗器的电感也只是理论上连续可调。这种可调电抗器的原理很简单，制作难度也很低。但是很难对机械进行精确控制，因此无法做到连续可调；另外，在这种情况下，由电动机带动传动轴会导致震动和噪声都较大，容易出现故障。针对于这一系列缺点，哈尔滨理工大学的魏新劳等提出了一种磁楔式可调电抗器，通过调整水平磁楔插入深度来改变气隙，大大降低了动铁心所受的电磁吸力和重力，提高了电抗器的性能[15]。

图2 调气隙式电抗器Fig.2 Air gap adjustable reactor

2.2 直流磁控式可调电抗器

这种可控电抗器的基本原理是利用另外一个绕组线圈作为励磁绕组，向其中通直流电流，通过改变直流电流大小，使电抗器铁心在饱和点左右变化，从而改变铁心磁导率，进而改变磁路磁导，最终使得工作绕组线圈电感发生改变。在进行直流助磁时，铁心很容易就达到了饱和状态，因此直流磁控式电抗器又被称作磁饱和式电抗器。

目前国内外已有的直流磁控式电抗器大致可以分为3类：裂芯式、磁阀式与正交铁心式。

a)裂芯式可调电抗器。裂芯式可调电抗器原理如图3所示。图3中，工作绕组与励磁绕组的绕制方式不同，导致交流磁通所流经磁路由2个分裂芯柱和1个旁柱组成，而直流磁通所流经磁路只是由2个分裂芯柱组成。交流磁回路磁导率改变的原因是正半波内其中一个分裂芯柱饱和，负半波内另一个分裂芯柱饱和，这样的交替饱和导致磁导率变化[16-17]。两分裂芯柱内的磁密波形呈镜像对称关系，这就使得直流控制绕组两端感应出偶次谐波电动势，其主要成分为2次谐波。

图3 裂芯式可调电抗器原理Fig.3 Schematic diagram of split core adjustable reactor

裂芯式可调电抗器可以应用于可控高抗的设计。裂芯式可控高抗网侧绕组有2种结构——串联结构和并联结构。串联结构下，网侧电流只含奇数次谐波；并联结构下，网侧会形成偶次谐波环流，抑制了铁心中的偶次谐波磁通，能降低控制绕组中2次谐波含量。三相裂芯式可控高抗本体一般是采用3个单相电抗器构成，其控制绕组的结构也有2种，分别为三串两并式和两串三并式。

裂芯式可控高抗一般是用作母线高抗，对应的电压等级为110～500 kV，目前主要在俄罗斯等国家多有应用。我国首台500 kV裂芯式可控高抗由中国电力科学研究院与沈阳变压器集团有限公司联合设计开发，其装设于峡江线，于2007年顺利投运。可控高抗还有另一种形式，即分级式可控高抗，它目前在超高压输电系统中多有应用，如敦煌变电站母线上装设750 kV分级式可控高抗来解决无功平衡及电压稳定问题[18]。

b) 磁阀式可调电抗器。磁阀式可调电抗器原理如图4所示。图4中，与裂芯式可调电抗器一样，铁心是由2个分裂芯柱和1个旁柱组成。2个分裂芯柱上绕有匝数相同的2个绕组 ,并且绕组分为上下2个部分，中间通过晶闸管进行连接。这就使得芯柱上半部分的绕组中流过交流电流，是工作绕组，而芯柱下半部分的绕组中流过的是经晶闸管整流后得到的直流电流，因此下半部分绕组是励磁绕组。在1个周期内，2个分裂芯柱上的晶闸管轮流导通，进行整流；改变晶闸管的导通角 ,便可以控制直流电流大小,调节铁心饱和程度 ,进而调节电抗[19-22]。

图4 磁阀式可调电抗器原理Fig.4 Schematic diagram of magnetic valve type adjustable reactor

单相磁阀式可调电抗器技术目前已经较为成熟，三相磁阀式可调电抗器成为了新一轮的研究热点。2005年俄罗斯率先研制出180 Mvar/500 kV三相磁阀式可调电抗器；2006年我国的沈阳变压器厂成功研制出400 Mvar/500 kV三相磁阀式可调电抗器的样机，并通过厂内实验[23]。目前国内对于磁阀式电抗器的应用基本集中在220 kV变电站中，以浙江省为例，2012年至2017年浙江电网共有18套磁阀式可调电抗器在12座220 kV变电站中投入使用，主要用于平衡无功，维持电网电压[24]。

c) 正交铁心式可调电抗器。正交铁心式可调电抗器原理如图5所示。图5中，铁心由2个U型铁心旋转90°相互正交构成，其中：N1为交流工作绕组，固定在其中一个U型铁心上；N2为直流励磁绕组，固定在另外一个U型铁心上。由于采用了正交结构，使得直流磁通与交流磁通不会相互干扰，这是正交铁心式可调电抗器的结构所带来的优点。但这种结构同样也有缺陷，就是容易导致两侧的铁心交接处铁心饱和，使得工作电流中谐波含量较高[25]。大连理工大学的牟宪民等提出在交流工作绕组侧设置1个辅助绕组，该辅助绕组通过电压型逆变器与直流励磁绕组相连接，这样在提供励磁功率的同时将逆变器输出电流耦合到交流工作绕组中，消除工作电流中的谐波[26]。

图5 正交铁心式可调电抗器原理Fig.5 Schematic diagram of orthogonal core type adjustable reactor

直流磁控式可调电抗器的突出优点是结构简单，控制也不复杂。作为控制部分的励磁绕组一般来说容量都较小，而工作绕组中通过的是交流工作电流，容量较大，因此这是一种“小容量控制大容量”的方式，这一特点使其在高压大容量场合应用较多；但其也存在明显的缺点，即铁心饱和使得响应速度慢，且谐波和有功损耗都很大。

2.3 电力电子控制式可调电抗器

a) TCR。TCR原理如图6所示，它是利用晶闸管的导通状态来控制电抗大小。

图6 TCRFig.6 Thyristor controlled reactor

若设定2个晶闸管的触发角为α，则流过电感L的电流

(1)

因此电流i的基波有效值

I=U(2π-2α+sin 2α)/πωL.

(2)

式 (1)—(2)中:U为端电压u的有效值;ω为角频率；t为时间。由式(2)可知，控制2个晶闸管的触发角α即可控制流过电感的电流，因此整体可等效为1个可调电抗器。

这种电抗器控制灵活，在上个世纪70至80年代成为了研究热点 ,但它有一个显著的缺点就是会产生大量低次谐波，因此使用时必须加装滤波装置；此外，晶闸管耐压值较低，在高压场合中必须采用多个晶闸管串联，这就会导致成本上升，因此TCR主要应用在低压配电网中作为静止无功补偿装置[27]。

b) PWM控制的可调电抗器。PWM控制的可调电抗器是近些年来基于脉宽调制技术发展起来的新型可调电抗器，它是利用全控型器件代替晶闸管，通过改变占空比来调节电抗值，PWM控制的可调电抗器原理如图7所示。图7中，开关K1、K2为双向开关，其中K1和电感串联，可以对电流进行进行斩波；K2与电感并联，在K1断开时对电感电流进行续流，防止电感上产生过电压。由于使用了PWM技术，这种电抗器响应速度很快；而且辅助开关对电感进行了续流，谐波含量很低。它的缺点是使用开关器件数目多且控制较为复杂，成本较高。

图7 PWM控制的可调电抗器Fig.7 PWM controlled adjustable reactor

2.4 磁通控制式可调电抗器

目前主流的磁通控制式可调电抗器是磁通可控型可调电抗器，如图8所示。从图8中可以明显看出，它是一种变压器与逆变器控制技术相结合而形成的新型可调电抗器。通过检测一次侧的交流电流作为目标量，再利用直流电源进行逆变产生受控电流，与目标量成比例且反相，就可以改变铁心中磁通，进而改变铁心中感应电动势，使得变压器一次侧的等效电抗值改变，因此它是一种典型的交流磁控电抗器[28-32]。

图8 磁通可控型可调电抗器Fig.8 Flux controllable adjustable reactor

由文献[29]、[32]可知：令双绕组变压器一次侧绕组漏阻抗为Z1，励磁阻抗为Zm，变压器二次侧产生的受控电流与一次侧电流的比例系数为δ，则从一次侧看进去的等效电抗值为

Z=Z1+(1-δ)Zm.

(3)

由式(3)可知：当二次侧电流跟踪一次侧电流时，变压器就会等效为1个可调电抗器，且它的等效阻抗值的大小是由参数δ决定；且δ是连续可调的，因此该等效阻抗也是连续可调的，随着δ在0到1之间变化，该等效阻抗值会在Z1到(Z1+Zm)之间变化。

双绕组变压器结构如图8所示。如果要提升容量，可以采用多绕组共同补偿的方案，如图9所示。该电抗器的各项性能都非常优秀，如电抗连续可调范围广，响应速度快，产生谐波少等[33]，不过该电抗器的缺点也十分明显：即由于控制方案复杂且使用大量开关器件，需要投入的研究精力剧增，而且制作成本也会显著提升。

图9 磁通可控型多绕组可调电抗器Fig.9 Flux controllable multi-winding adjustable reactor

2.5 其他可调电抗器

随着可调电抗器的研究越来越深入，一些不属于上述分类的特殊类型的可调电抗器也逐渐被提出，现介绍其中2种：

a)虚拟气隙可调电抗器。虚拟气隙的概念最初是在文献[34]中提出的，用于抑制变压器中的浪涌电流。变压器铁心的局部区域的饱和，可以产生低磁导率的区域，该区域跨越铁心的横截面，类似于气隙，通过改变控制电流，即可实现可变长度的气隙。文献[35]给出了完整的计算虚拟气隙长度的方法。加拿大多伦多大学的D.S.L.Dolan 等将虚拟气隙概念应用于可调电抗器的研究，提出了一种虚拟气隙可调电抗器，如图10所示。

图10中，通过在铁心中嵌入1对直流控制绕组，使得它们产生相反的直流磁通，在整个铁心中，直流磁通会相互抵消，但在直流控制绕组附近的局部区域铁心会饱和，饱和区域的磁导率会下降到接近于空气的磁导率，导致类似于出现了1个气隙；改变直流电流的大小，即可改变虚拟气隙的长度，从而改变电感大小[36]。

图10 虚拟气隙可调电抗器Fig.10 Virtual air gap adjustable reactor

这种虚拟气隙可调电抗器也是利用饱和来改变电抗，但它与直流磁控式等饱和电抗器的重要区别是：直流磁控式电抗器中，直流磁通会在整个铁心中循环，导致较大的损耗，而虚拟气隙电抗器的直流磁通在整个铁心中是相互抵消的，只在绕组附近使铁心饱和。

D.S.L.Dolan等将虚拟气隙电抗器制成样机，并进行了测试。测试结果表明，使用虚拟气隙，可以实现连续可变电抗，并且随着直流控制电流的增加，电感值能降到初始值的9%以下。

国内对于虚拟气隙电抗器也进行了研究，如广西电网有限责任公司在2010至2014年内研制出世界上首套110 kV直挂式虚拟气隙可控电抗器和10 kV虚拟气隙可控电抗器成套装置，并在220 kV车河变电站中成功应用。

b)磁路转移型可调电抗器。哈尔滨理工大学的官瑞杨等设计一种特殊结构的铁心，利用直流磁通补偿交流磁通，迫使交流磁通改变磁路，从而改变磁阻大小，调节电感[5]。其主磁路如图11所示。

图11中：交流工作绕组设置在AG上，直流控制绕组设置在DH上。当直流控制绕组中无电流时，铁心柱BF之间的气隙很大，导致磁阻过大，因而交流磁通的磁路为A-C-E-G-A,此时磁路中仅有1个小气隙，磁阻最小。当直流控制绕组中通入直流电流时，直流磁通的磁路为D-C-B-H-D在和D-E-F-H-D 2个对称磁路。增大直流电流，可交流电流的正负半周内，使得直流磁通分别在B、F处与交流磁通大小相等、方向相反，即可迫使交流磁通改换磁路流通。此时，交流磁路分别为A-B-H-D-E-G-A和G-F-H-D-C-A-G，由于磁路中的气隙增加了，因而磁阻最大。研究表明，在直流磁通对交流磁通从不补偿到全补偿的过程中，电感值由大变小，并且补偿量越多，电感值越小。

图11 磁路转移型可调电抗器Fig.11 Magnetic circuit transfer adjustable reactor

官瑞杨等将磁路转移型电抗器制成了样机，并进行了测试。实际测试结果与理论计算值的偏差在允许范围内，验证了该原理的正确性；但该样机目前的电感调节范围只有毫亨级，能否应用到高压场合还需研究。

3 各种可调电抗器的对比分析

上文中已经介绍了现有的各种可调电抗器，这些电抗器各有优缺点，表1对一些典型电抗器的性能优劣势进行比较(特殊类型的可调电抗器由于应用不广泛，故不予比较)。

由表1可以得出如下结论：

a)目前常用的直流励磁的电抗器控制方法简单且成本较低，但是存在严重的谐波及振动噪声问题，因此只适用于部分场合，如前文提到的高压大容量场合。

表1 各类可控电抗器的比较结果Tab.1 Comparisons of various controllable reactors

b)机械调节式可调电抗器由于电抗变化不连续，只能在某些精度要求不高的场合应用，近些年已经逐渐开始被淘汰。

c)TCR可以连续调节电抗值，但和直流磁控式一样，存在严重的谐波问题，目前主要是用来和电容器并联组成无功补偿装置。

d)PWM控制式与磁通可控型这两者均有响应速度快、谐波含量低的优点，但是控制难度大且结构复杂度高，导致成本十分高昂，从而限制了这2种可调电抗器的应用范围。

4 结束语

可调电抗器是电力系统中非常重要的元件，它对于维持电力系统的安全与稳定具有重要的作用，近些年来发展十分迅猛。除了上面已经介绍的几种类型之外，高温超导型可调电抗器目前也是研究的热点，它是利用线路正常时处于超导态的低阻抗特性和发生短路故障时处于正常态的高阻抗特性进行切换，来实现电抗可调[37-38]。还有的学者通过设计特殊的铁心结构来让磁通通过不同的磁路来改变磁阻，进而实现调节电抗。

可调电抗器虽然从上世纪50年代就已经开始研究，但时至今日，它还是有着许多研究空间，例如直流磁控式可调电抗器的谐波、噪声问题，三相磁阀式可调电抗器的铁心柱及磁阀的复杂制造工艺，磁通控制式可调电抗器的控制复杂、成本高等等，这些都是目前所亟待解决的问题。

总的来说，可调电抗器一直是朝着电抗值连续可调、噪声小、谐波低的方向来发展的，但是在实现这些目标时又会出现其他问题，如控制复杂、成本上升。研制出一种性能好而成本又低的可调电抗器是国内外众多学者一致的追求，为此需要在制造工艺及控制策略上实现新的突破。

此外，随着高压、超高压输电技术的迅速发展，高压大容量的可调电抗器的需求量剧增，它也必将成为研究的热点。