基于磁状态调节机制的可控电抗器分析设计
沈阳工业大学电气工程学院的研究人员安振、陈志伟等，在2017年第20期《电工技术学报》上撰文，针对电力系统对可靠性、节约能源、智能化的要求，提出一种基于纳米复合磁性材料、具有内在磁状态自动调节能力的可控电抗器磁路设计方案。
首先，分别从宏观及微观角度研究复合磁性材料的磁化模型，确定剩磁与矫顽力的关系并给出材料的制备工艺；其次，运用磁路磁阻理论分析方法，将制备的纳米复合磁性材料植入传统可控电抗器中，完成电抗器结构设计和电磁设计方案；最后，提出该电抗器的磁路设计方法并制备了一台220V/1kV×A/700mH样机，建立实验系统及其控制系统。
仿真及实验结果表明，基于纳米复合磁性材料的可控电抗器仅依靠材料的剩磁即可实现连续、平滑的电感值调节，对电力线路能够进行快速无功功率补偿，节能效果显著。所设计的可控电抗器可以作为一种保障智能化电网安全运行的新型电力设备。
国家“十三五”规划将继续推进智能电网的建设，特高压输电及主动配电网络建设将得到进一步发展。智能电网的安全关系到我国输配电电网的安全可靠运行，也关系到节能与环境保护及国民经济可持续发展的战略问题。
目前，我国经济发展存在区域不平衡问题，工业生产中采用了越来越多的电力电子变流装置，这些负载多数都是非线性的，如变频调速装置、电弧炉、配电网中的整流器等，它们运行中会产生大量的谐波，向电力系统注入谐波电流。
电网负载主要为以电动机为主的感性负载，该类负载会从电网中吸收滞后的无功功率，具有冲击性、不平衡等特性。因此，无论从维护电网安全稳定运行的角度还是从设备能提高安全运转角度考虑，都需要在电力网中增加一系列装置来调节和补偿电力网各项电能指标。
比如电抗器就是其中有效的补偿装置之一，用于限制工频过电压，消除发电机自励磁，限制操作过电压，补偿线路容性充电功率，潜供电流抑制，限制短路和平波稳流等[1-3]。在许多场合希望电抗器的电抗值可实时调节或控制。如用于配电网中自动消弧线圈的电抗器、用于大型电机无极软启动的启动电抗器、用于故障限流的可控串联电抗器、用于超/特高压输电线路限制容升和无功补偿的并联高压电抗器等，都需要根据运行工况实时调节控制[4-10]。
在上述情况下，可控电抗器作为一种特殊的电抗器，可根据运行工况实时调节自身容量，用以稳定系统电压和控制无功功率，减小线路的空载及轻载损耗，提高电力系统的输电能力、稳定性和电网可靠性。该种电抗器的实质为铁心带有非线性电路，通过直流绕组励磁控制铁心饱和程度，从而控制和改变交流绕组电抗值。
传统可控电抗器的使用，有效改善了电网电能质量。然而，传统可控电抗器采用电励磁调控电抗器的磁状态，这将降低电网质量，产生电网谐波、能量损失等；另一方面，电励磁系统惯性等因素使得电抗器快速响应能力下降，严重影响电抗器的静、动态特性及整个电网的稳定。它在相当程度上增加了电抗器结构的体积及复杂性，而这种复杂性蕴含着不可靠，许多电网故障是由电力设备失效而引起的。
同时，智能电网已经成为未来电网的发展方向，其主要特征之一是电力设备能够与电网互动、自适应。在这一过程中，电力设备结构简化、合理化、各类装置功能集成化、智能化，是智能电网需要解决的问题。电抗器是电网系统中的重要设备，其特性指标的提升、可控性及智能化关系到电力网以及未来智能电网的发展。为此，开发研制新型磁状态可控电抗器具有重要意义[6-10]。各类可控电抗器的特性比较见表1。
表1 各类可控电抗器的特性比较
近年来出现了各类新型磁性材料，特别是纳米技术、材料复合技术的应用产生了一种新的纳米复合磁性材料——NdFeB，由纳米晶硬磁相和软磁相组成。通过调整合金中硬磁相的各向异性场和软硬磁相的比例，并在一定外加磁场条件下，可以实现材料硬磁相和软磁相之间可以实现功能转换，如导磁、不导磁和励磁能力。
本文提出采用NdFeB作为电抗器铁心的基础材料，将电励磁控制转化为对材料磁特性控制，创新性地设计了一种可控电抗器，突破了传统材料对可控电抗器性能的束缚。增加的检测控制系统，可以根据电力网的工作状态，有效地调整纳米磁性铁心材料功能的转换，实现电抗器磁状态的自动可调。将这种可控材料引入电抗器，可以改变电抗器铁心单质化、不可控性，为未来新型电抗器类产品的研制提供新的选择。
图5 可控电抗器物理模型
图10 可控电抗器样机及实验系统
结论
本文采用纳米复合磁性材料——NdFeB作电抗器的铁心，设计了一种可控电抗器及其控制系统。从纳米磁性材料磁滞数学模型、制备纳米磁性材料、进行仿真与实验验证这一思路出发，对基于纳米磁性材料的新型可控电抗器进行了详细的分析与设计。
利用纳米复合磁性材料对控制电流的快速反应、易于在不同磁状态下转换的特点。建立检测、控制系统实现对该纳米磁性材料交流退磁和直流励磁功能之间的转换，完成对可控电抗器电抗的实时、连续调节。并能根据电力系统线路无功、谐波或其他故障情况，进行材料导磁和励磁功能之间的转换，实现可控电抗器磁状态的自动可调，消除无功及谐波对电力系统的影响。
仿真及实验结果表明，本文设计的可控电抗器具有较好的电抗调节效果，在很小的直流电压下可近似线性地调节电感值，对线路具有较好的无功补偿效果，节能效果显著，各项指标满足工程实际需求。