Структурен дизайн и приложение на управляеми реактори за интелигентни мрежи

Реакторите са ключови за компенсиране на реактивната мощност в електроенергийните системи, като магнитно управляемите реактори са фокус на изследванията. Интелигентната мрежа, която модернизира традиционната чрез напреднали технологии, повишава безопасността и надеждността, увеличавайки изискванията за управляеми реактори. Следователно, развитието на нов тип реактори е важно. Тази статия, комбинирайки практика, разглежда техния конструктивен дизайн и приложение, за да подстрихва иновациите и да подобри строителството на интелигентни мрежи.

1 Функции и приложимост на управляемите реактори
1.1 Функции

За мрежите, управляемите реактори намаляват загубите, повишават фактора на мощност над 0.9, намаляват колебанията, разширяват демпфиралните граници, повишават капацитета за предаване и подобряват стабилността на напрежението. За потребителите те: ① Стабилизират напрежението, защитават оборудване като трансформатори и продължават срока на полезност. ② Елиминират хармониките, намаляват загубите и подобряват безопасността. ③ Ограничават трептенето на напрежението, подобрявайки качеството на енергията. ④ Намаляват реактивните загуби за потребителите с високи изисквания, намалявайки разходите за електроенергия. ⑤ Позволяват разширение на капацитета с ниски разходи чрез динамична компенсация.

1.2 Приложимост

Управляемите реактори са широко приложени в електроенергийните системи, като в електроенергийни утилити, промишлени утилити, генериране на енергия от възобновяеми източници и други области. С увеличаването на изискванията за енергия и модернизацията на системите за предаване и разпределение, пазарните изисквания за управляеми реактори също растат.

Реакторите се делят на три типа: магнитно управление, переключаеми и с електронно управление. Магнитно управляемите реактори предлагат непрекъснато регулиране, голям капацитет и ниски разходи, но имат бавен отговор, високи загуби от вибрации и хармоники. Переключаемите избягват вибрациите/хармониките, но регулират прекъснато, ограничавайки употребата. Електронно управляемите позволяват непрекъснато регулиране с бърз отговор, но страдат от хармоники и високи разходи. Магнитно управляемите реактори са предпочитани. За да се адаптират към интелигентните мрежи, са необходими материали и конструктивни обновления и нови дизайни.

2 Конструктивен дизайн на управляемите реактори в интелигентните мрежи

Интелигентната мрежа, или Мрежа 2.0, се основава на двупосочни комуникационни мрежи. Използва ново оборудване, технологии и методи, за да подобри безопасността, ефективността, екологичността и икономичността на мрежата, по-добре удовлетворявайки нуждите на потребителите за качество на енергията. Управляемите реактори са ключови за строителството на интелигентните мрежи. По-долу е техният конструктивен дизайн, основан на нанокомпозитни магнитни материали.

2.1 Избор на магнитни материали

Нанокомпозитните магнитни материали се състоят от нанокристални твърди и меки магнитни фази. Их зърна взаимодействат, генерирайки свързан ефект на размяна под тока. Микроскопично, на интерфейсите на фазите, магнитните моменти реориентират полетата по време на взаимодействие, увеличавайки остаточната намагничена. В управляемите реактори: DC, приложено към витниците, създава поле за възбуда, намагничайки материала; AC формира атenuиращо поле, демагнетизирайки го.

Подготвен чрез бързо охлаждане на топло течност, материалът подлагат на температурна обработка, за да се коригира микроструктурата му. Това увеличава зърната и намалява коерцитивната сила, отговаряща на нуждите за регулиране.

2.2 Общ конструктивен дизайн

Структурата на управляемия реактор се състои от въжета, желязна ядро, клампи, работещи витници, контролни витници и нанокомпозитни магнитни материали. Колоната за възбуда, направена от магнитни материали и силициеви стоманени листове, е център. Работещите витници са от двете страни, с най-външните слоеве като главни магнитни контури. Контролната витница обвива магнитните материали.

Принцип: По време на нормална работа на мрежата (без нужда от потискане на хармоники/регулиране на реактивната мощност), реакторът измерва напрежението, тока и реактивната мощност. Тези данни се изпращат към системата за управление за оценка на състоянието на мрежата. За потискане на хармоники или регулиране на реактивната мощност, системата за управление коригира тока в витниците. Магнитните материали променят реактивността чрез намагничаване. Когато параметрите отговарят на проектните спецификации, токът в витниците се коригира отново, за да демагнетизира материали обратно до нулева остаточна намагничена.

Според проектираната схема, игнорирайки изтичането на магнитен поток от страната на первичната и вторичната обмотка, получаваме:

Където: E₁ представлява индуцираната електродвижеща сила на W₁; E₂ представлява индуцираната електродвижеща сила на W₂; E₃ представлява индуцираната електродвижеща сила на W₃. По-нататък, използвайки T-образна схема, за да приравним двупортовата мрежа на управляемия реактор, можем да получим:

Нека I_k = β I_g, и индуктивността на работещия порт е:

Коефициентът за контрол на реактивността е α, и I_k = αI_g. Връзката между реактивността на работещия порт и α е:

Чрез свързване на работещия порт паралелно с електроенергийната мрежа и третиране на U₁ като постоянна, можем да получим следната система от уравнения:

Където: I_g и I_k означават ефективните стойности на токовете на двете порта; U_k представлява ефективната стойност на напрежението на контролната точка. Решаването на системата от уравнения в формула (5) ни позволява да получим операционните показатели на управляемия реактор.

2.3 Дизайн на системата за управление

Системата за управление се състои от главна схема (коригираща остаточната намагничена на магнитните материали) и подсистема за детекция и управление (мониторираща електрическите параметри), работещи заедно, за да постигнат целите на управлението. Когато работата на мрежата изисква корекция на реактивността, главната схема прилага токове, за да намагнетизира/демагнетизира материали, докато подсистемата мониторира товарите, за да поддържа оптимални параметри, осигурявайки стабилността на мрежата. Промените в реактивността произтичат от смяна на магнитното състояние на ядрото. Управляемата ректификация позволява изход на алтернативен ток на милисекунден ниво, отговарящ на бързата конверсия на магнитното състояние. Системата дава команди за реактора, за да потисне хармониките и регулира реактивната мощност, поддържайки стабилността на мрежата.

Процес на работа: 1) Детектиране на състоянието на мрежата, събиране на параметри и оценка на стабилността. 2) Когато се случват колебания на напрежението/хармоники, системата за управление на реактора дава команди. 3) Главната схема извежда регулируема индуктивност; материали намагнетизират, променят остаточната намагничена/магнитното състояние на ядрото и следователно индуктивността на реактора. 4) След корекцията, обратно коригираме индуктивността, за да демагнетизираме материали и да нулираме реактора. Симулации с Matlab потвърдиха точността на системата: 15 А ток за намагнетяване и 220 В напрежение за демагнетизиране със стабилни вълни, отговарящи на изискванията за намагнетяване/демагнетизиране.

3 Експериментален анализ на ефекта от корекцията на реактивността

За да се провери производителността на корекцията на реактивността на реактора, беше построен прототип и придружаваща система за управление според дизайна и симулациите. Експериментите анализираха характеристиките на разпределението на индуктивността и оцениха промените в качеството на енергията в мрежата.

3.1 Стабилност на управляемия реактор

В експеримента, данни бяха събрани, за да се начертаят кривата на волт-амперната характеристика и операционната крива на тока на управляемия реактор. Резултатите показват, че: ① Като напрежението нараства, токът на работещата обмотка също нараства, и двете показват линейна връзка, което указва, че при различни напрежения за намагнетяване, стойността на индуктивността остава в относително постоянен диапазон. ② Когато напрежението за намагнетяване е 0–35 В, индуктивността намалява от 0.74 H до 0.61 H, и изходът на индуктивността е стабилен, отговарящ на изискванията за плавна корекция. Промяната на индуктивността с напрежението за намагнетяване е показана в таблица 2.

В това изследване, промяната в стойността на индуктивността на управляемия реактор се постига чрез намагнетяване и демагнетизиране на магнитни материали, което на свой ред зависи от чередиращия се ток и постоянното напрежение, подадено в контролната обмотка. Тази операция ще доведе и до разтърсения в работещата обмотка. Следователно, е необходимо да се анализира допълнително неговият работен преходен процес. За тази цел, беше използван многодоменен осцилоскоп, за да се съберат вълновите форми на тока на магнитните материали по време на намагнетяване и демагнетизиране. Резултатите показват, че реакторът реагира бързо, и вълновата форма на тока е в стабилен състояние след завършване на намагнетяването.

3.2 Измерени резултати на стойността на индуктивността

По време на действителната работа на управляемия реактор, стойностите на индуктивността, получени чрез прилагане на различни напрежения за намагнетяване, са показани в таблица 3. Анализът показва, че: ① Стойността на индуктивността на реактора се променя приблизително линейно с промяната на остаточната намагничена на магнитните материали. Това означава, че дори малка промяна в постоянното напрежение може да регулира ефективно стойността на индуктивността на реактора. ② Чрез прецизно регулиране на магнитното състояние на магнитните материали, управляемият реактор може гъвкаво да променя своята индуктивност, по този начин достигайки ефективна компенсация на реактивната мощност в електроенергийната линия.

3.3 Промени в качеството на енергията в електроенергийната мрежа

В електроенергийната система, бяха записани промените в тока и напрежението на високонапрежената страна на трансформатора преди и след използването на управляемия реактор, и бяха наблюдавани хармоничните характеристики. Резултатите са показани в таблица 4. Анализът показва, че: ① Преди използването на управляемия реактор, промените в тока и напрежението на високонапрежената страна бяха комплексни, и техните вълнови форми нямаха регулярни характеристики; след използването на управляемия реактор, вълновите форми на тока и напрежението на високонапрежената страна бяха подобрени и имаха явни регулярни характеристики. ② След използването на управляемия реактор, съдържанието на хармониките намаля, активната мощност нарасна, и качеството на енергията беше значително подобрено.

4 Заключение

В заключение, реакторите играят ключова роля в електроенергийните системи, стабилизирайки напрежението, потискайки хармониките, демпфираючи колебанията и повишавайки фактора на мощност. Сред съществуващите типове, магнитно управляемите реактори, с непрекъснато регулиране на реактивността, голям капацитет и ниски разходи, са широко използвани в електроенергийните системи. За да се справят с проблеми като бавен отговор и високи загуби от вибрации на магнитно управляемите реактори, това изследване проектира управляем реактор, използвайки нанокомпозитни магнитни материали.

Експериментални заключения: ① Реакторът реагира бързо, със стабилни вълнови форми на тока след намагнетяване. ② Дори малки промени в постоянното напрежение могат ефективно да регулират индуктивността. Чрез прецизно регулиране на магнитното състояние на материали, реакторът гъвкаво променя индуктивността, за да компенсира реактивната мощност в електроенергийната линия. ③ След приложение, вълновите форми на тока и напрежението на високонапрежената страна и качеството на енергията се подобрят значително, подходящо за популяризиране на интелигентните мрежи. В бъдеще, с нови материали, технологии и процеси, управляемите реактори ще бъдат оптимизирани, за да по-добре отговарят на изискванията на интелигентните мрежи и да гарантират стабилна работа на мрежата.