تصميم الهيكل واستخدام المفاعلات القابلة للتحكم في الشبكات الذكية

تعتبر المفاعلات أساسية لتعويض الطاقة التفاعلية في الأنظمة الكهربائية، مع التركيز على أبحاث المفاعلات المغناطيسية المتحكم فيها. الشبكة الذكية التي ترقى إلى الشبكة التقليدية عبر تقنيات متقدمة تعزز الأمان والموثوقية، مما يزيد من الطلب على المفاعلات القابلة للتحكم. وبالتالي، فإن تطوير أنواع جديدة منها يعتبر أمراً هاماً. يستكشف هذا البحث، من خلال الجمع بين النظرية والممارسة، تصميمها الهيكلي وتطبيقاتها لدفع الابتكار وتعزيز بناء الشبكات الذكية.

1 الوظائف وحالة التطبيق للمفاعلات القابلة للتحكم
1.1 الوظائف

بالنسبة للشبكات، تقوم المفاعلات القابلة للتحكم بتقليل خسائر الشبكة ورفع عامل الطاقة فوق 0.9 وتقليل الاهتزازات وتوسيع حدود التخميد وزيادة قدرة النقل وتحسين استقرار الجهد. وبالنسبة للمستخدمين، تقوم بما يلي: ① تثبيت الجهد وحماية المعدات مثل المحولات وتمديد عمر الخدمة. ② إزالة التوافقيات وتقليل الخسائر وتحسين السلامة. ③ الحد من الرفرفة الجهدية وتحسين جودة الطاقة. ④ تقليل خسائر الطاقة التفاعلية للمستخدمين ذوي الطلب العالي، مما يقلل من تكاليف الكهرباء. ⑤ تمكين توسيع القدرة بتكلفة منخفضة عبر التعويض الديناميكي.

1.2 حالة التطبيق

تُستخدم المفاعلات القابلة للتحكم بشكل واسع في الأنظمة الكهربائية، مثل في شركات الكهرباء والمرافق الصناعية وأيضاً في توليد الطاقة الجديدة وغيرها من المجالات. مع زيادة الطلب على الطاقة وترقية شبكات نقل وتوزيع الكهرباء، فإن الطلب على السوق للمفاعلات القابلة للتحكم يزداد أيضاً.

تنقسم المفاعلات إلى ثلاثة أنواع: المراقبة المغناطيسية والتقطيع بالتبديل والتحكم الإلكتروني. تقدم المفاعلات ذات التحكم المغناطيسي ضبطاً مستمراً وسعة كبيرة وتكلفة منخفضة ولكنها تتميز برد فعل بطيء وخسارة اهتزازية وتوافقيات. المفاعلات ذات التقطيع بالتبديل تتجنب الاهتزازات والتوافقيات ولكنها تضبط بشكل غير مستمر مما يحد من استخدامها. المفاعلات ذات التحكم الإلكتروني تتيح الضبط المستمر مع رد فعل سريع ولكنها تعاني من التوافقيات وتكون مرتفعة التكلفة. تفضل المفاعلات ذات التحكم المغناطيسي. لتناسب الشبكات الذكية، يتطلب الأمر تحسينات في المواد والهيكل والتصميمات الجديدة.

2 تصميم الهيكل للمفاعلات القابلة للتحكم في الشبكات الذكية

الشبكة الذكية أو الشبكة 2.0 تبنى على شبكات اتصال ثنائية الاتجاه. تستخدم معدات وتقنيات وطرق جديدة لتعزيز سلامة وكفاءة وصديقة للبيئة وإقتصادية الشبكة، مما يلبي بشكل أفضل احتياجات المستخدمين لجودة الطاقة. تعتبر المفاعلات القابلة للتحكم أساسية لبناء الشبكات الذكية. أدناه هو تصميمها الهيكلي استناداً إلى المواد المغناطيسية النانوية المركبة.

2.1 اختيار المواد المغناطيسية

تتكون المواد المغناطيسية النانوية المركبة من مراحل صلبة مغناطيسية صعبة ولينة. تتداخل حبيباتها وتولد تأثير تبادل مرتبط تحت التيار. على المستوى الدقيق، عند واجهة المرحلتين، إعادة توجيه اللحظات المغناطيسية للحقول أثناء التفاعل، مما يزيد من البقاء المغناطيسي. في المفاعلات القابلة للتحكم: يتم تطبيق التيار المباشر على ملفات التفاف لإنشاء مجال تحفيز، والذي يقوم بمغنطة المادة؛ بينما يقوم التيار المتردد بإنشاء مجال تقليل، والذي يقوم بفك المغنطة عنها.

يتم تحضير المادة عن طريق الإخماد السريع للصهر، ثم تخضع للتبريد الحراري لتعديل هيكلها الدقيق. وهذا يزيد من حجم الحبيبات ويقلل من القوة المغناطيسية المعكوسة، مما يلبي احتياجات التعديل.

2.2 التصميم الهيكلي العام

يتكون هيكل المفاعل القابل للتحكم من قضبان ربط، وقلب من الحديد، ومثبتات، وملفات العمل، وملفات التحكم، والمواد المغناطيسية النانوية المركبة. العمود التحفيزي، الذي يتم تصنيعه من المواد المغناطيسية وأوراق السيليكون، يقع في المركز. تحيط به ملفات العمل، مع طبقاتها الخارجية كدوائر مغناطيسية رئيسية. يلف ملف التحكم حول المواد المغناطيسية.

المبدأ: أثناء التشغيل الطبيعي للشبكة (بدون الحاجة للاستثناء التوافقي أو التنظيم التفاعلي)، يقوم المفاعل باكتشاف الجهد والتيار والطاقة التفاعلية. تذهب هذه البيانات إلى نظام التحكم لتقييم حالة الشبكة. للاستثناء التوافقي أو التنظيم التفاعلي، يقوم نظام التحكم بضبط تيار ملف التفاف. تقوم المواد المغناطيسية بتغيير التفاعلية عبر المغنطة. بمجرد أن تلبي المعلمات المواصفات التصميمية، يتم ضبط تيار ملف التفاف مرة أخرى لفك المغنطة عن المواد وإعادة البقاء المغناطيسي إلى الصفر.

وفقاً لدائرة التصميم، مع تجاهل تسربات الفيض الأولية والثانوية، نحصل على:

حيث: E₁ تمثل القوة الدافعة الكهربائية المحدثة لـ W₁; E₂ تمثل القوة الدافعة الكهربائية المحدثة لـ W₂; E₃ تمثل القوة الدافعة الكهربائية المحدثة لـ W₃. بالإضافة إلى ذلك، باستخدام دائرة T لتساوي الشبكة ذات المنفذين للمفاعل القابل للتحكم، يمكن الحصول على:

لنفترض I_k = β I_g، وقيمة الاستدلال للمنفذ العامل هي:

معامل التحكم في الاستدلال هو α، وI_k = αI_g. العلاقة بين الاستدلال للمنفذ العامل وα هي:

عن طريق توصيل المنفذ العامل بالتوازي مع شبكة الكهرباء ومعاملة U₁ كثابت، يمكن الحصول على نظام المعادلات التالي:

حيث: I_g و I_k يعبران عن القيم الفعالة للتيارات في المنفذيْن؛ U_k تمثل القيمة الفعالة للجهد في المنفذ التحكمي. حل نظام المعادلات في المعادلة (5) يسمح لنا بالحصول على مؤشرات الأداء التشغيلي للمفاعل القابل للتحكم.

2.3 تصميم نظام التحكم

يتكون نظام التحكم من دارة رئيسية (لضبط البقاء المغناطيسي للمواد) ونظام فرعي للرصد والتحكم (لمراقبة المعلمات الكهربائية)، يعملان معاً لتحقيق أهداف الإدارة. عندما يتطلب تشغيل الشبكة ضبط الاستدلال، تقوم الدارة الرئيسية بتطبيق تيارات لمغنطة/فك المغنطة للمواد، بينما يقوم النظام الفرعي برصد الأحمال للحفاظ على المعلمات المثلى، مما يضمن استقرار الشبكة. تنشأ التغيرات في الاستدلال من التحولات في حالة المغناطيس الأساسية. يتيح التقويم القابل للتحكم إخراج التيار المتردد على مستوى الميلي ثانية، مما يلبي احتياجات التحويل السريع للحالة المغناطيسية. يقوم النظام بإصدار الأوامر للمفاعل للاستثناء التوافقي والتنظيم التفاعلي، مما يحافظ على استقرار الشبكة.

عملية التشغيل: 1) اكتشاف حالة الشبكة، جمع المعلمات، وتقييم الاستقرار. 2) عند حدوث تقلبات في الجهد أو التوافقيات، يقوم نظام التحكم بالمفاعل بإصدار الأوامر. 3) تقوم الدارة الرئيسية بإخراج استدلال قابل للضبط؛ تقوم المواد بمغنطة، مما يغير البقاء المغناطيسي والحالة الأساسية وبالتالي الاستدلال للمفاعل. 4) بعد الضبط، قم بإعادة الضبط العكسي للاستدلال لفك المغنطة عن المواد وإعادة ضبط المفاعل. أكدت محاكاة Matlab دقة النظام: 15 أمبير تيار مغنطيس و220 فولت جهد فك المغنطة مع موجات مستقرة، مما يلبي متطلبات المغنطة وفك المغنطة.

3 تحليل تجريبي لأثر ضبط الاستدلال

لتقييم أداء ضبط الاستدلال للمفاعل، تم بناء نموذج أولي ونظام تحكم داعم وفقًا للتصميم والمحاكاة. قام التحليل التجريبي بتقييم خصائص توزيع الاستدلال وتقييم تغيرات جودة الطاقة في الشبكة.

3.1 استقرار المفاعل القابل للتحكم

في التجربة، تم جمع البيانات لرسم منحنى خصائص الفولت-أمبير ومنحنى التيار التشغيلي للمفاعل القابل للتحكم. تظهر النتائج أن: ① مع زيادة قيمة الجهد، يرتفع تيار ملف العمل، ويظهر علاقة خطية بينهما، مما يشير إلى أن قيمة الاستدلال تظل ضمن نطاق ثابت نسبيًا تحت جهود مختلفة. ② عندما يكون الجهد المغنطيسي من 0 إلى 35 فولت، ينخفض الاستدلال من 0.74 هنري إلى 0.61 هنري، ويكون إخراج الاستدلال مستقرًا، مما يلبي المتطلبات للضبط السلس. تظهر تغيرات الاستدلال مع الجهد المغنطيسي في الجدول 2.

في هذه الدراسة، يتم تحقيق تغير قيمة الاستدلال للمفاعل القابل للتحكم من خلال مغنطة وفك المغنطة للمواد المغناطيسية، والتي بدورها تعتمد على التيار المتردد والمستمر الذي يدخل ملف التحكم. ستؤدي هذه العملية أيضًا إلى إحداث اضطرابات في ملف العمل. لذلك، من الضروري تحليل عملية التشغيل العابرة لها بشكل أعمق. لهذا الغرض، تم استخدام مجهر مختلط المجال لجمع موجات التيار للمواد المغناطيسية أثناء المغنطة وفك المغنطة. تظهر النتائج أن المفاعل يستجيب بسرعة، وأن موجة التيار تكون في حالة مستقرة بعد الانتهاء من المغنطة.

3.2 نتائج قياس قيمة الاستدلال

خلال التشغيل الفعلي للمفاعل القابل للتحكم، تظهر قيم الاستدلال التي تم الحصول عليها بتطبيق جهود مغنطيسية مختلفة في الجدول 3. يكشف التحليل أن: ① تتغير قيمة الاستدلال للمفاعل بشكل تقريبي خطي مع تغير البقاء المغناطيسي للمواد. هذا يعني أنه حتى تغير طفيف في الجهد المستمر يمكن أن يضبط قيمة الاستدلال للمفاعل بشكل فعال. ② من خلال تنظيم دقيق للحالة المغناطيسية للمواد، يمكن للمفاعل القابل للتحكم تغيير قيمة الاستدلال بمرنة، مما يحقق تعويضًا فعالًا للطاقة التفاعلية في الخط الكهربائي.

3.3 تغيرات في جودة طاقة الشبكة

في النظام الكهربائي، تم تسجيل التغيرات في التيار والجهد على الجانب العالي من المحول قبل وبعد استخدام المفاعل القابل للتحكم، وتم ملاحظة خصائص التوافقيات. تظهر النتائج في الجدول 4. يظهر التحليل أن: ① قبل استخدام المفاعل القابل للتحكم، كانت التغيرات في التيار والجهد على الجانب العالي معقدة وكان لها موجات غير منتظمة؛ بعد استخدام المفاعل القابل للتحكم، تحسنت موجات التيار والجهد على الجانب العالي وأصبحت لديها ميزات منتظمة واضحة. ② بعد استخدام المفاعل القابل للتحكم، انخفض محتوى التوافقيات وزادت الطاقة الفعالة، مما أدى إلى تحسين كبير في جودة الطاقة.

4 الخاتمة

في الختام، تلعب المفاعلات دورًا مهمًا في الأنظمة الكهربائية، حيث تساهم في تثبيت الجهد وتقليل التوافقيات وتخفيف الاهتزازات وزيادة عامل الطاقة. من بين الأنواع الموجودة، تعتبر المفاعلات ذات التحكم المغناطيسي، والتي تتميز بضبط الاستدلال المستمر والسعة الكبيرة والتكلفة المنخفضة، مُستخدمة على نطاق واسع في الأنظمة الكهربائية. لمعالجة مشاكل مثل الاستجابة البطيئة والاهتزازات الخاسرة العالية للمفاعلات ذات التحكم المغناطيسي، قامت هذه الدراسة بتصميم مفاعل قابل للتحكم باستخدام مواد مغناطيسية نانوية مركبة.

النتائج التجريبية: ① يستجيب المفاعل بسرعة، مع موجات تيار مستقرة بعد المغنطة. ② حتى تغيرات صغيرة في الجهد المستمر يمكن أن تضبط قيمة الاستدلال بشكل فعال. من خلال تنظيم دقيق للحالة المغناطيسية للمواد، يمكن للمفاعل تغيير قيمة الاستدلال بمرنة لتعويض الطاقة التفاعلية في الخطوط الكهربائية. ③ بعد التطبيق، تتحسن موجات التيار والجهد على الجانب العالي وجودة الطاقة بشكل كبير، مما يجعله مناسبًا للترويج للشبكات الذكية. في المستقبل، مع المواد والتقنيات والعمليات الجديدة، سيتم تحسين المفاعلات القابلة للتحكم لتلبية احتياجات الشبكات الذكية بشكل أفضل ولضمان تشغيل الشبكة بشكل مستقر.