新型高温超导可控电抗器的理论探索及应用基础研究

Controllable reactor is widely applied in power system as reactive power compensation device to improve the stability of transmission systems, increase the transmission ability, and control system overvoltage. This application is intended to study technical feasibility and key technologies of a new-type high-temperature superconducting controllable reactor. In the controllable reactor, the magnetic flux of the superconducting windings controlling ferromagnetic core saturation and the working winding are designed to be orthogonal. Compared with traditional controllable reactor in which the magnetic flux of the superconducting windings and the working winding are series-coupled, the proposed layout can significantly weaken electromagnetic induction between the working winding and the controlling winding, thereby decreasing superconducting windings’ AC losses, reducing induced voltage in the dynamic process and bringing technical performance of the superconducting windings into full play. The project will study some basic issues on the saturation characteristic of ferromagnetic core under the effect of orthogonal flux, the interaction between the working winding and the controlling winding, and the dynamic output characteristic of inductor. Besides, the application will research key technologies about inductance control strategy as well as multi-physics coupling optimization methods of superconducting windings’ structure and cooling schemes. Based on the optimization design, a single-phase prototype on a laboratory scale will trial-produced to experimentally verify the project, which will lay a theoretical foundation and provide technical support for developing practical superconducting controlled reactor, and also improve electrical engineering application values of superconducting controllable reactor.

可控电抗器是在电力系统中广泛应用的无功补偿装置，对改善输电系统的稳定性、提高输电能力、控制系统过电压有显著作用。本申请拟研究一种新型高温超导可控电抗器的技术可行性及关键技术。在该可控电抗器中，控制铁芯饱和度的超导控制绕组和交流工作绕组的磁通呈正交布局，这种布局与传统的控制绕组和工作绕组呈现磁通串联式耦合的可控电抗器相比，可显著减弱工作绕组与控制绕组的电磁感应，从而降低超导绕组的交流损耗，减小动态过程中的感应电压，更充分地发挥超导绕组的技术性能。项目将研究正交磁通作用下铁心的饱和特性，控制绕组和工作绕组之间的相互作用以及电感的动态输出特性等基础问题；研究电感控制策略，超导绕组的结构、冷却、以及多物理场耦合的优化设计方法等关键技术，并在优化设计的基础上试制实验室规模的单相样机进行实验验证，为发展实用超导可控电抗器奠定理论基础、提供支撑技术，提高超导可控电抗器的工程化应用价值。

可控电抗器是重要的无功补偿装置，在电力系统中应用广泛。随着对电能质量要求的提高，迫切需要研发控制灵活、谐波含量低、调节平滑连续、损耗小的新型可控电抗器。超导体具有零电阻、高载流能力的特性，将超导技术应用于可控电抗器，可提高可控电抗器的励磁稳定性，降低绕组损耗，减小整体体积。本项目提出了一种新型高温超导可控电抗器，论证了其结构和原理，分析了电抗特性和励磁绕组运行状态，研究了多场耦合分析及综合优化设计方法，通过小型样机测试和110kV/30Mvar样机设计进行了实验验证与设计实践。本项目完成的主要工作和取得的成果如下：.（1）在充分调研和深入分析传统可控电抗器存在问题的基础上，提出了一种新型高温超导可控电抗器；建立了该型电抗器的解析模型，利用松弛迭代法实现了其快速求解；理论分析和实验测试了其电抗输出特性，结果表明该型超导可控电抗器稳态励磁绕组损耗低，励磁绕组感应电压小，谐波含量低，且电抗值稳定。.（2）针对正交铁心的结构特点，建模分析了铁心各向异性磁化特性、磁滞效应对电抗输出及动态响应特性的影响；针对含铁心超导磁体交流损耗求解速度慢的问题，提出了三种交流损耗计算方法；针对该电抗器铁心的三维不对称结构，提出了多截面分离计算法，完成了电抗器超导绕组的交流损耗评估。.（3）本项目提出了基于铁心正交各向异性的电磁力分析方法、基于动态电磁热耦合的运行状态分析方法和基于动态电感矩阵的状态响应分析方法，实现了电抗器多物理场耦合分析；提出了非线性铁磁材料频域下响应特性的分析方法，形成了超导电抗器本体参数优化-超导绕组设计-运行特性校核的综合优化设计方法。.（4）为验证该型电抗器在电力网络中的应用，完成了110kV/30Mvar的超导可控电抗器样机电磁设计、低温设计和支撑结构设计，分析了电抗输出特性和动态过程的力热稳定性；实现了非线性系统元件封装，并在系统仿真中对无功补偿效果、磁体响应状态进行了验证。