Disseny Estructural i Aplicació de Reactors Controlables per a Xarxes Elèctriques Intel·ligents
Els reactors són clau per a la compensació de la potència reactiva en els sistemes elèctrics, amb els reactors controlats magnèticament com a focus de recerca. Una xarxa intel·ligent, que actualitza la tradicional mitjançant tecnologia avançada, augmenta la seguretat i la fiabilitat, incrementant les exigències per als reactors controlables. Així, desenvolupar nous tipus d'aquests és important. Aquest article, combinant la pràctica, explora el seu disseny estructural i aplicació per impulsar l'innovació i millorar la construcció de xarxes intel·ligents.
1 Funcions i estat d'aplicació dels reactors controlables
1.1 Funcions
Per a les xarxes, els reactors controlables reduïxen les pèrdues de la xarxa, eleva el factor de potència per sobre de 0,9, redueixen les oscil·lacions, amplien els límits d'amortigament, augmenten la capacitat de transmissió i milloren la estabilitat de tensió. Per als usuaris, fan: ① Estabilitzar la tensió, protegir equips com transformadors i allargar la vida útil. ② Eliminar harmòniques, reduir pèrdues i millorar la seguretat. ③ Aturar els tremolors de tensió, millorant la qualitat de l'energia. ④ Reduir les pèrdues reactiva per als usuaris de gran demanda, reduint els costos d'electricitat. ⑤ Permitir l'ampliació de la capacitat a baix cost mitjançant la compensació dinàmica.
1.2 Estat d'aplicació
Els reactors controlables s'apliquen ampliament en els sistemes elèctrics, com ara en utilitats elèctriques, utilitats industrials, generació d'energia renovable i altres camps. Amb l'augment de la demanda d'energia i l'actualització de les xarxes de transmissió i distribució, la demanda de mercat per als reactors controlables també està creixent.
Els reactors es divideixen en tres tipus: control magnètic, llançament de commutadors i control electrònic de commutadors. Els reactors de control magnètic ofereixen ajust continu, gran capacitat i baix cost, però tenen una resposta lenta, vibracions de pèrdues altes i harmòniques. Els de llançament de commutadors eviten les vibracions/harmòniques, però ajusten discontinuament, limitant-ne l'ús. Els de control electrònic permeten un ajust continu amb una resposta ràpida, però patixen harmòniques i un cost elevat. Es prefereixen els reactors de control magnètic. Per adaptar-se a les xarxes intel·ligents, són necessaris millores en materials/estructura i nous dissenys.
2 Disseny estructural dels reactors controlables en xarxes intel·ligents
La xarxa intel·ligent, o Grid 2.0, es basa en xarxes de comunicació bidireccional. Utilitza nou equipament, tecnologia i mètodes per augmentar la seguretat, eficiència, respecte ambiental i economia de la xarxa, satisfent millor les necessitats de qualitat de l'energia dels usuaris. Els reactors controlables són clau en la construcció de xarxes intel·ligents. A continuació, es presenta el seu disseny estructural basat en materials magnètics nanocomposites.
2.1 Selecció de materials magnètics
Els materials magnètics nanocomposites consisteixen en fases duras i suaus magnètiques nanocristallines. Les seves graus interaccionen, generant un efecte d'intercanvi acoblant sota corrent. Microscopicament, a les interfícies de fase, els moments magnètics reorienten els camps durant la interacció, augmentant la remanència. En els reactors controlables: la CC aplicada a les bobines crea un camp d'excitació, magnetitzant el material; la CA forma un camp atenuant, demagnetitzant-lo.
Preparat mitjançant la fusió i la quenching ràpida, el material passa per un reveniment per ajustar la seva microestructura. Això agrandit les graus i redueix la coercivitat, complint les necessitats d'ajust.
2.2 Disseny estructural general
L'estructura del reactor controlable inclou barreres, un nucli de ferro, grampes, bobines de treball, bobines de control i materials magnètics nanocomposites. La columna d'excitació, feta de materials magnètics i fulls de silici, es troba al centre. Les bobines de treball flanquegen aquesta, amb les seves capes externes com circuits magnètics principals. La bobina de control envolta els materials magnètics.
Principi: Durant l'operació normal de la xarxa (sense supressió d'harmòniques/regulació reactiva), el reactor detecta la tensió, la corrent i la potència reactiva. Aquests dades van al sistema de control per avaluar l'estat de la xarxa. Per a la supressió d'harmòniques o la regulació reactiva, el sistema de control ajusta la corrent de la bobina. Els materials magnètics canvien la reactància mitjançant la magnetització. Un cop els paràmetres compleixin les especificacions de disseny, la corrent de la bobina s'ajusta de nou per demagnetitzar els materials tornant-los a zero remanència.
Segons el circuit de disseny, ignorant les fluxes de fuga primària i secundària, obtenim:
On: E1 representa la força electromotriu induïda de W1; E2 representa la força electromotriu induïda de W2; E3 representa la força electromotriu induïda de W3. Més endavant, utilitzant un circuit T per equilibrar la xarxa de dos ports del reactor controlable, podem obtenir:
Sigui Ik = β Ig, i el valor d'inductància del port de treball és:
El coeficient de control de reactància és α, i Ik = αIg. La relació entre la reactància del port de treball i α és:
Connectant el port de treball en paral·lel amb la xarxa elèctrica i tractant U1 com a constant, es pot obtenir el següent sistema d'equacions:
On: Ig i Ik denoten els valors efectius de les corrents als dos ports; Uk representa el valor efectiu de la tensió al port de control. Resoldre el sistema d'equacions a la Fórmula (5) permet obtenir els indicadors de rendiment operatiu del reactor controlable.
2.3 Disseny del sistema de control
El sistema de control consta d'un circuit principal (ajustant la remanència del material magnètic) i un subsistema de detecció-control (monitoritzant els paràmetres elèctrics), treballant junts per aconseguir objectius de gestió. Quan l'operació de la xarxa requereix l'ajust de la reactància, el circuit principal aplica corrents per magnetitzar/demagnetitzar els materials, mentre que el subsistema monitoritza les càrregues per mantenir els paràmetres òptims, assegurant la estabilitat de la xarxa. Els canvis de reactància provenen de les desplaçaments d'estat magnètic del nucli. La rectificació controlable permet una sortida de CA a nivell de mil·lisegons, complint les necessitats de conversió ràpida d'estat magnètic. El sistema emet ordres per al reactor per suprimir harmòniques i regular la potència reactiva, mantenint la estabilitat de la xarxa.
Procés d'operació: 1) Detectar l'estat de la xarxa, recollir paràmetres i avaluar la estabilitat. 2) Quan ocorren fluctuacions de tensió/harmòniques, el sistema de control del reactor emet ordres. 3) El circuit principal produeix inductància ajustable; els materials s'magnetitzen, alterant la remanència/estat del nucli i, per tant, la inductància del reactor. 4) Després de l'ajust, s'inverteix l'inductància per demagnetitzar els materials i reiniciar el reactor. Les simulacions de Matlab han verificat la precisió del sistema: 15 A de corrent de magnetització i 220 V de tensió de demagnetització amb formes d'ona estables, complint els requisits de magnetització/demagnetització.
3 Anàlisi experimental de l'efecte d'ajust de la reactància
Per verificar el rendiment d'ajust de la reactància del reactor, es va construir un prototip i un sistema de control d'assistència segons el disseny i les simulacions. Les experiments analitzaren les característiques de distribució de la inductància i avaluaren els canvis en la qualitat de l'energia de la xarxa.
3.1 Estabilitat del reactor controlable
En l'experiment, es van recollir dades per traçar la corba de característica volt-ampere i la corba de corrent de funcionament del reactor controlable. Els resultats mostren que: ① Com el valor de tensió augmenta, la corrent de la bobina de treball s'eleva, i ambdós mostren una relació lineal, indicant que sota diferents tensions de magnetització, el valor de la inductància queda dins d'un rang relativament constant. ② Quan la tensió de magnetització és de 0–35 V, la inductància disminueix de 0,74 H a 0,61 H, i la sortida de la inductància és estable, complint el requisit d'ajust suau. El canvi de la inductància amb la tensió de magnetització es mostra a la Taula 2.
En aquest estudi, el canvi en el valor de la inductància del reactor controlable s'aconsegueix mitjançant la magnetització i demagnetització dels materials magnètics, que a la vegada depèn de la corrent alternada i directa passada a la bobina de control. Aquesta operació també portarà pertorbacions a la bobina de treball. Per tant, és necessari analitzar més amunt el seu procés transitori de treball. Amb aquest objectiu, s'utilitzà un oscil·loscopi de domini mixt per recollir les formes d'ona de la corrent dels materials magnètics durant la magnetització i la demagnetització. Els resultats mostren que el reactor respon ràpidament, i la forma d'ona de la corrent es troba en un estat estable després de completar la magnetització.
3.2 Resultats mesurats del valor de la inductància
Durant l'operació real del reactor controlable, els valors de la inductància obtinguts aplicant diferents tensions de magnetització es mostren a la Taula 3. L'anàlisi revela que: ① El valor de la inductància del reactor canvia aproximadament de manera lineal amb la variació de la remanència del material magnètic. Això significa que fins i tot un canvi lleuger en la tensió de CC pot ajustar eficientment el valor de la inductància del reactor. ② Regulant de manera precisa l'estat magnètic del material magnètic, el reactor controlable pot canviar flexiblement el seu valor de inductància, així assolint una compensació eficaç de la potència reactiva a la línia elèctrica.
3.3 Canvis en la qualitat de l'energia de la xarxa elèctrica
En el sistema elèctric, es van registrar els canvis de corrent i tensió al costat de alta tensió del transformador abans i després d'utilitzar el reactor controlable, i es van observar les característiques harmòniques. Els resultats es mostren a la Taula 4. L'anàlisi mostra que: ① Abans d'utilitzar el reactor controlable, els canvis de corrent i tensió al costat de alta tensió eren complexos, i les seves formes d'ona no tenien caràcters regulars; després d'utilitzar el reactor controlable, les formes d'ona de corrent i tensió al costat de alta tensió van millorar i van tenir caràcters regulars evidents. ② Després d'utilitzar el reactor controlable, el contingut harmònics va disminuir, la potència activa va augmentar, i la qualitat de l'energia va millorar significativament.
4 Conclusió
En conclusió, els reactors juguen un paper crucial en els sistemes elèctrics, estabilitzant la tensió, suprimint harmòniques, amortigant oscil·lacions i augmentant el factor de potència. D'entre els tipus existents, els reactors controlats magnèticament, amb ajust continu de reactància, gran capacitat i baix cost, s'apliquen ampliament en els sistemes elèctrics. Per abordar problemes com la resposta lenta i les vibracions de pèrdues altes dels reactors controlats magnèticament, aquest estudi dissenya un reactor controlable utilitzant materials magnètics nanocomposites.
Conclusions experimentals: ① El reactor respon ràpidament, amb formes d'ona de corrent estables després de la magnetització. ② Fins i tot petits canvis en la tensió de CC poden ajustar eficientment la inductància. Regulant de manera precisa l'estat magnètic dels materials, el reactor canvia flexiblement la inductància per compensar la potència reactiva a les línies elèctriques. ③ Després de l'aplicació, les formes d'ona de corrent i tensió al costat de alta tensió i la qualitat de l'energia milloren significativament, adequat per a la promoció de xarxes intel·ligents. En el futur, amb nous materials, tecnologies i processos, els reactors controlables seran optimitzats per millor complir les necessitats de les xarxes intel·ligents i assegurar l'operació estable de la xarxa.
