10 Mvar超導同步調(diào)相機總體電磁設計

史正軍，宋彭，宋萌，梅桂華，李力，瞿體明

(1. 南方電網(wǎng)公司電力超導聯(lián)合實驗室(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院)，廣州510080；2. 清華大學機械工程系， 北京100084)

0 引言

隨著國內(nèi)遠距離直流輸電規(guī)模的不斷擴大，珠三角和長三角等負荷密集地區(qū)的直流落點越來越集中[1 - 3]。對于直流多饋入受端電網(wǎng)，如果動態(tài)無功補償不足，交流系統(tǒng)故障容易導致多回直流換相失敗，電壓穩(wěn)定問題突出[4]。相較于SVC、STATCOM等靜態(tài)無功補償裝置，同步調(diào)相機具有更快的響應速度和更強的電壓支撐能力[5 - 6]，且無功功率調(diào)節(jié)范圍更廣[7]，因此備受關注。

但常規(guī)調(diào)相機的銅勵磁繞組存在電阻，在低功率輸出時效率較低，并且在強勵時轉子過度發(fā)熱導致絕緣壽命縮減，需要頻繁維護。高溫超導材料具有高電流密度、低損耗的特點，將其應用于同步調(diào)相機中可以大幅度降低轉子熱損耗，提升運行效率。此外，超導電機的定子可采用無磁性齒結構，電機的物理氣隙很大，故超導同步調(diào)相機的同步電抗大幅度減小。相比于常規(guī)調(diào)相機，超導調(diào)相機只需要改變很小的勵磁電流便可使輸出的無功功率成倍增加，并且強勵過程中勵磁繞組的溫度不變[8]。

日本的三菱電機和富士電機曾于20世紀80年代合作開發(fā)一臺30 MVA的低溫超導同步調(diào)相機，其轉子勵磁繞組采用的是NbTi和Nb3Sn低溫超導繞組[9]。日本的Super-GM研究組曾于20世紀90年代開發(fā)出基于NbTi低溫超導繞組的70 MW超導發(fā)電機，并進行了同步調(diào)相機運行模式測試[10]。2003年，美國超導公司設計開發(fā)了名為SuperVARTM的高溫超導同步調(diào)相機，該調(diào)相機額定功率和轉速分別為8 Mvar和1 800 r/min，轉子勵磁繞組采用Bi2223/Ag高溫超導帶材繞制。在實際電網(wǎng)中的測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的無功補償性能[11]。

為研究超導同步調(diào)相機在電網(wǎng)中應用的可行性，廣東電網(wǎng)公司2018年啟動了超導同步調(diào)相機樣機研制工作。本文介紹了10 Mvar超導同步調(diào)相機樣機(以下簡稱10 Mvar樣機)的總體電磁設計方案、電機的定子、轉子配置和阻尼屏蔽層的方案。為計算該調(diào)相機的無功補償曲線采用ANSYS Simplorer進行了電路仿真。

1 總體設計

根據(jù)電機設計的一般原則，首先應當確定電機的拓撲結構。超導同步調(diào)相機的定子頻率固定為50 Hz，為降低轉速以降低超導轉子的設計難度，同時又要控制電機的體積，轉子極數(shù)和轉速可設定為4極和1 500 r/min。定子繞組采用較為傳統(tǒng)的雙層分布式繞組形式，每極每相槽數(shù)設為3，即定子槽數(shù)為36。

10 Mvar樣機的二維電磁有限元仿真模型圖(1/4模型)如圖1所示。轉子勵磁繞組采用REBCO高溫超導帶材繞制而成，氣隙磁密最高可達1.4 T。為避免定子鐵心飽和導致的損耗增大、過度發(fā)熱的現(xiàn)象，該調(diào)相機的定子為無磁性齒定子結構，即定子齒采用環(huán)氧樹脂等非金屬材料制造，而背鐵仍采用疊壓的硅鋼鐵心。為進一步提高功率密度，定子繞組為水內(nèi)冷繞組。在保守設計中，定子電樞線負荷設定為900 A/cm，該數(shù)值也符合一般常規(guī)電機的性能指標。由上述給定參數(shù)可大致算得電機的體積參數(shù)。

圖 1 10 Mvar超導同步調(diào)相機二維電磁仿真模型圖Fig.1 2D electromagnetic FEM model of the 10 Mvar superconducting synchronous condenser

轉子整體連同REBCO超導勵磁繞組均置于真空腔中。真空腔壁同時起到了阻尼屏蔽層(以下簡稱阻尼屏)的作用。REBCO超導繞組的工作溫度為20～30 K，采用冷氦氣冷卻。REBCO超導繞組固定在不銹鋼制成的轉子主骨架上(圖1中未畫出)，并通過該主骨架傳遞電磁轉矩。主骨架內(nèi)部壓裝有轉子鐵心以提高整體磁密、減少超導材料用量。10 Mvar樣機的主要設計參數(shù)列于表1中。

表1 10 Mvar樣機的主要設計參數(shù)Tab.1 General electromagnetic parameters of the 10 Mvar prototype

1.1 定子繞組

在無磁性齒定子中，電樞繞組直接暴露于氣隙磁密中，為減小渦流損耗繞組導體應采用細銅線絞制而成。根據(jù)文獻[12]，當氣隙磁密為1～2 T左右時，優(yōu)選的細銅線直徑應在1～2 mm之間。故10 Mvar樣機中采用1 mm直徑的細銅線制造定子線圈。在定子繞組的初步設計中，7根細銅線絞制成Litz線，9股Litz線和兩根方形不銹鋼水管共同絞制成定子繞組導體。每個定子線圈共有6匝導體，每匝導體中有63根細銅線，銅線中電流密度約為10.6 A/mm2。電樞線負荷約為900 A/cm。定子線圈導體的截面如圖2所示。

1.2 REBCO超導勵磁繞組

利用理論計算公式和有限元仿真相結合，并帶入REBCO帶材的Ic-B特性曲線，對REBCO超導勵磁繞組進行了設計。首先根據(jù)文獻[13]中的計算公式算出產(chǎn)生目標氣隙磁密B0所需的勵磁安匝數(shù)，然后利用ANSYS Maxwell有限元電磁仿真軟件進行仿真，計算得到REBCO超導繞組的幾何尺寸以及空載勵磁安匝數(shù)。初步估算可得單個磁極上所需勵磁安匝數(shù)IfNf約為4.51×105A。受限于REBCO帶材的Ic-B特性曲線，對空載勵磁電流If,0的計算需要進行多次迭代。此外，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，轉子勵磁繞組的瞬時電流可能達到If,0的2～3倍以上[7,14]，因此If,0應當遠離Ic以防止不可逆損傷。

對于大型超導電機來說，為使得定子電壓波形近似正弦形，勵磁繞組安匝數(shù)在轉子圓周上的分布也應當近似正弦形[13]。但因為跑道形線圈的形狀限制，只能通過改變不同位置線圈的內(nèi)徑來近似等效。如圖1所示，超導轉子共有4個磁極，每個磁極上的超導繞組由6個單餅REBCO跑道形線圈組成，所用高溫超導帶材為上海超導公司生產(chǎn)的REBCO涂層導體，該涂層導體采用50 μm的C- 276哈式合金基帶，超導層采用“EuBCO+BaHfO3”或“YGdBCO”超導材料[15]，以提高其在低溫高場下的電流性能。帶材寬度為10 mm，采用雙面75 μm的銅帶進行封裝，包覆絕緣后帶材厚度約0.4 mm。該類型的涂層導體封裝帶在77 K下的臨界拉伸應力可達到1 000 MPa(5%Ic衰減的判據(jù))[15]，其臨界彎曲半徑也將小于30 mm，即小于所設計的超導繞組的最小半徑。

超導電機因采用無磁性齒定子以及轉子需要絕熱結構，其物理氣隙通常較大，因此超導電機的端部磁場較為發(fā)散，磁路特征不明顯。常規(guī)電機中的二維仿真通常不能滿足要求，需借助三維有限元仿真來計算電感矩陣參數(shù)和確定超導勵磁繞組的工作點。為簡化計算，在仿真模型中REBCO超導繞組被簡化為理想導體。圖3為二維和三維仿真模型中，當勵磁電流If=If,0=375 A時，REBCO超導繞組在 圖3(a)為線圈直線邊中部截面和圖3(b)為線圈弧段端部截面的磁密分布圖。

圖3 當勵磁電流If=375 A，超導線圈磁密分布圖Fig.3 The flux density distribution at the middle part of the REBCO coils and the end part of the REBCO coils when If=375 A

從圖3可以看出，REBCO線圈端部的最大磁場為Bm,end=3.05 T，比線圈中部的最大磁場Bm,mid=2.92 T要高一些，因此線圈端部磁場對線圈的性能有更大的影響。為保證REBCO線圈的安全性做保守設計，線圈上磁場對帶材性能的影響均按照垂直場進行評估。根據(jù)新西蘭維多利亞大學的羅賓遜研究所(RRI)所測量的上海超導公司PA1212型REBCO涂層導體的性能數(shù)據(jù)[16]，對于10 mm寬的帶材，當外界垂直場為5 T的情況下帶材在30 K、25 K、20 K下的Ic分別為665 A、840 A和1 010 A，其在平行場下的Ic遠高于垂直場下的Ic。圖4顯示了Bm,end隨If變化的曲線和所用REBCO帶材的在30 K、25 K、20 K/垂直場下的Ic-B特性曲線[16]的交叉點，在30 K下的交叉點即為REBCO超導繞組的極限工作點If,m=665 A，即10 Mvar樣機運行過程中，勵磁電流不得超過665 A。

1.3 阻尼屏蔽層

圖4 REBCO勵磁繞組極限工作點決定圖Fig.4 The determination of the maximum excitation current of the REBCO exciting windings

阻尼屏蔽層是超導電機的特有結構，其作用是屏蔽定子側高次諧波對轉子超導繞組的不利影響，以及延緩定子短路脈沖磁場在轉子超導繞組處的上升速度[17]。但另一方面，當超導勵磁繞組進行快速勵磁以提供瞬時無功功率時，阻尼屏蔽層的屏蔽效果延緩了磁場上升的速度，削弱了瞬時無功補償?shù)男Ч?。這兩個作用是相互矛盾的，在設計時需綜合考量。

經(jīng)過綜合分析，6061鋁合金是較為合適的阻尼屏材料。根據(jù)文獻[17]中的公式，可算得阻尼屏的時間常數(shù)TD和表示屏蔽效果的復函數(shù)S(f)。由于REBCO勵磁繞組自身具有很大的時間常數(shù)(Tf=Lf/Rf)，使得阻尼屏的TD發(fā)生了改變，進而影響了S(f)。圖5為|S(f)|在隨諧波頻率的變化曲線，可以看出當不考慮勵磁繞組的影響時，有阻尼屏時可將100 Hz以上的諧波對勵磁繞組的影響屏蔽至無阻尼屏時的1%左右。若考慮勵磁繞組的影響，|S(f)|的值略微有增加，屏蔽效果略有下降。

圖5 屏蔽效果|S(f)|隨諧波頻率f的變化曲線Fig.5 The screening effect of the damper |S(f)| at different harmonic frequencies f

2 電路仿真

利用ANSYS Simplorer軟件進行電路仿真以計算10 Mvar樣機的無功補償曲線，仿真電路圖如圖6所示。在仿真軟件中，10 Mvar樣機用帶有阻尼繞組的同步電動機模塊來實現(xiàn)，其定子端連接到三相理想電壓源來模擬連接到無窮大電網(wǎng)中的情況，理想電壓源的電壓設定為定子額定空載電壓，頻率為50 Hz。超導勵磁繞組通過理想電流源進行勵磁，勵磁電流的變化通過控制函數(shù)進行控制。當勵磁電流If發(fā)生變化時，電樞電流Ia也相應的發(fā)生變化。定子電流初值設為0，勵磁電流初值設為額定空載勵磁電流375 A，轉子初始角度為0 °，初始轉速為1 500 r/min。調(diào)相機模塊中的各個電感矩陣參數(shù)通過三維有限元仿真，以及針對大氣隙結構的超導電機理論計算公式算得[13,18](包括阻尼屏蔽層相關電感參數(shù))，計算結果及在仿真模塊中的設定值如表2所示。在電路仿真中，超導勵磁繞組的電流均在容許的通流能力之下，因此超導材料的性能參數(shù)對電路仿真的結果沒有顯著影響。

圖6 10 Mvar樣機的無功補償仿真電路圖Fig.6 Simple circuit layout of the reactive compensation simulation of the 10 Mvar HTS DSC

表2 10 Mvar樣機主要電感矩陣參數(shù)Tab.2 Main parameters of the inductance matrix of the 10 Mvar prototype

圖7為10 Mvar超導同步調(diào)相機的“V形”無功補償曲線。當勵磁電流If,n=428 A時，10 Mvar樣機可以產(chǎn)生額定的10 Mvar無功功率(滯相)，此時勵磁電流變化率僅為14.13 %。如圖7中的虛線所示，當勵磁電流為534 A時，10 Mvar樣機可以實現(xiàn)30 Mvar，即3倍額定的輸出功率，此時的勵磁電流仍小于極限工作點If,m=665 A，因此勵磁繞組是安全的，在此過程中勵磁電流變化率為42.4%。而對于大型常規(guī)調(diào)相機而言，定子的無功功率過載率通常小于勵磁電流的變化率。如某300 Mvar常規(guī)同步調(diào)相機中，其勵磁電流過載倍數(shù)為2.5倍時，定子電流的過載倍數(shù)僅為1.5倍[19]，即最大滯相無功輸出能力不超過額定值的1.5倍。這表明超導同步調(diào)相機可以以較小的勵磁電流變化產(chǎn)生較大的無功輸出功率，無功補償能力優(yōu)于常規(guī)同步調(diào)相機。

圖7 10 Mvar樣機的無功補償曲線Fig.7 Result curves of the reactive power compensation simulation of the 10 Mvar HTS DSC

圖8表明當勵磁電流在0.5 s時間內(nèi)從空載勵磁電流If,0=375 A線性增加至滿載勵磁電流If,n=428 A過程中，勵磁電壓和電樞電流的變化過程。可以看到電樞電流的上升有一定的延遲，這是阻尼屏的屏蔽效果導致的。阻尼屏還遲滯了電樞反應磁通對勵磁繞組的作用，所以勵磁電壓的波形也受到一定的影響。因此在制定10 Mvar樣機的控制策略時，需考慮阻尼屏對快速勵磁過程的負面影響。

圖8 當勵磁電流在0.5 s內(nèi)從375 A升至428 A過程中勵磁電壓和電樞電流的變化曲線Fig.8 Variation curves of armature current Ia and the excitation voltage Uf during the 0.5 s forced excitation from 375 A to 428 A

3 結語

本文介紹了10 Mvar超導同步調(diào)相機的基本電磁設計方案和無功補償仿真結果。該調(diào)相機的定子擬采用無磁性齒定子結構，轉子勵磁繞組采用10 mm寬的REBCO高溫超導導線繞制。額定空載勵磁電流為375 A，此時氣隙磁密約為1.4 T，REBCO繞組上的最大磁密約為3.05 T，出現(xiàn)在線圈的端部位置。作為超導電機中特有結構，阻尼屏蔽層既屏蔽了定子側的高次諧波對轉子超導繞組的影響，也給快速勵磁過程帶來了負面的影響，在設計時需要綜合考慮。最后借助電路仿真軟件，計算了10 Mvar樣機的無功補償曲線，可以看出超導同步調(diào)相機具有較為優(yōu)異的無功補償性能。