Konstrukční návrh a aplikace řiditelných reaktorů pro inteligentní sítě

Reaktory jsou klíčové pro kompenzaci reaktivního výkonu v elektrických systémech, s magneticky řízenými reaktory jako hlavním předmětem výzkumu. Chytrá síť, která modernizuje tradiční síť prostřednictvím pokročilých technologií, zvyšuje bezpečnost a spolehlivost, což zvyšuje nároky na řiditelné reaktory. Proto je důležité vyvíjet nové typy. Tento článek, kombinující praxi, zkoumá jejich konstrukční návrh a aplikace k podpoře inovací a zlepšení stavby chytré sítě.

1 Funkce a současný stav použití řiditelných reaktorů
1.1 Funkce

Pro sítě snižují řiditelné reaktory síťové ztráty, zvyšují faktor moci nad 0,9, redukují oscilace, rozšiřují mezidampingu, zvyšují přenosovou kapacitu a zlepšují stabilitu napětí. Pro uživatele: ① Stabilizují napětí, chrání zařízení jako transformátory a prodlužují životnost. ② Eliminují harmonické složky, snižují ztráty a zlepšují bezpečnost. ③ Omezují blikání napětí, což zlepšuje kvalitu energie. ④ Sníží reaktivní ztráty pro uživatele s vysokým zatížením, čímž snižují náklady na elektřinu. ⑤ Umožňují levnou rozšíření kapacity prostřednictvím dynamické kompenzace.

1.2 Současný stav použití

Řiditelné reaktory jsou široce používány v elektrických systémech, jako jsou energetické distribuce, průmyslové distribuce, nové zdroje energie a další oblasti. S rostoucím poptávkou po energii a modernizací přenosových a distribučních sítí roste také tržní poptávka po řiditelných reaktorech.

Reaktory se dělí do tří typů: magneticky řízené, přepínací a elektronicky řízené. Magneticky řízené reaktory nabízejí spojitou úpravu, velkou kapacitu a nízké náklady, ale mají pomalou odezvu, vysoké vibrační ztráty a harmonické složky. Přepínací reaktory eliminují vibrační ztráty a harmonické složky, ale umožňují pouze diskrétní úpravy, což omezuje jejich použití. Elektronicky řízené reaktory umožňují spojitou úpravu s rychlou odezvou, ale trpí harmonickými složkami a vysokými náklady. Magneticky řízené reaktory jsou preferované. Pro použití v chytrých sítích je potřeba materiálních a konstrukčních upgradů a nových návrhů.

2 Konstrukční návrh řiditelných reaktorů v chytrých sítích

Chytrá síť, nebo Grid 2.0, využívá dvousměrné komunikační sítě. Používá nové zařízení, technologie a metody k zvýšení bezpečnosti, efektivity, environmentální přátelství a ekonomiky sítě, lépe splňující potřeby uživatelů v oblasti kvality energie. Řiditelné reaktory jsou klíčové pro stavbu chytrých sítí. Níže je jejich konstrukční návrh založený na nanokompozitních magnetických materiálech.

2.1 Výběr magnetických materiálů

Nanokompozitní magnetické materiály se skládají z nanokrystalických tvrdých a měkkých magnetických fází. Jejich zrnka interagují, generují spojený výměnný efekt pod proudem. Mikroskopicky, na fázových rozhraních, se magnetické momenty při interakci přesouvají, zvyšují reziduum. V řiditelných reaktorech: střídavý proud vytváří oslabující pole, demagnetizuje materiál.

Připravené metodou rychlého chlazení z roztaveného stavu, materiál podstupuje tepelnou úpravu pro úpravu mikrostruktury. To zvětšuje zrna a snižuje koercitivitu, splňuje potřeby úpravy.

2.2 Celkový konstrukční návrh

Struktura řiditelného reaktoru zahrnuje tyče, železný jádro, kleště, pracovní cívky, řídicí cívky a nanokompozitní magnetické materiály. Ex citační sloup, složený z magnetických materiálů a siliciového plechu, se nachází uprostřed. Pracovní cívky ho obklopují, s jejich vnějšími vrstvami jako hlavními magnetickými okruhy. Řídicí cívka obklopuje magnetické materiály.

Princip: Během normálního provozu sítě (bez potřeby potlačení harmonických složek nebo reaktivní regulace), reaktor detekuje napětí, proud a reaktivní výkon. Tyto data jdou do řídicího systému pro hodnocení stavu sítě. Pro potlačení harmonických složek nebo reaktivní regulaci řídicí systém upraví proud cívky. Magnetické materiály změní reaktanci pomocí magnetizace. Jakmile parametry splní návrh, proud cívky se opět upraví, aby demagnetizoval materiál zpět na nulové reziduum.

Podle návrhového obvodu, ignorujeme unikající flux primární a sekundární strany, dostaneme:

Kde: E₁ reprezentuje indukovanou elektromotorickou sílu W₁; E₂ reprezentuje indukovanou elektromotorickou sílu W₂; E₃ reprezentuje indukovanou elektromotorickou sílu W₃. Dále, použitím T - typu obvodu lze ekvivalovat dvouportový obvod řiditelného reaktoru, a získat:

Nechť I_k = β I_g, a indukční hodnota pracovního portu je:

Koeficient řízení reaktance je α, a I_k = αI_g. Vztah mezi reaktancí pracovního portu a α je:

Spojením pracovního portu paralelně s elektrickou sítí a považováním U₁ jako konstanty, lze získat následující soustavu rovnic:

Kde: I_g a I_k označují efektivní hodnoty proudů na obou porte; U_k reprezentuje efektivní hodnotu napětí na řídicím portu. Řešení soustavy rovnic ve vzorci (5) nám umožní získat operační výkonnostní ukazatele řiditelného reaktoru.

2.3 Návrh řídicího systému

Řídicí systém se skládá z hlavního obvodu (úprava rezidua magnetického materiálu) a detekčního-řídicího subsystému (monitorování elektrických parametrů), které společně dosahují cílů správy. Když provoz sítě vyžaduje úpravu reaktance, hlavní obvod aplikuje proudy k magnetizaci/demagnetizaci materiálů, zatímco subsystém monitoruje zatížení, aby udržel parametry optimální, zajišťuje stabilitu sítě. Změny reaktance vycházejí ze změn magnetického stavu jádra. Řiditelná rectifikace umožňuje milisekundový výstup střídavého proudu, splňuje potřeby rychlé konverze magnetického stavu. Systém vydává příkazy pro reaktor, aby potlačil harmonické složky a reguloval reaktivní výkon, udržuje stabilitu sítě.

Operační postup: 1) Detekovat stav sítě, shromažďovat parametry a posoudit stabilitu. 2) Když dojde ke kolísání napětí/harmonickým složkám, řídicí systém reaktoru vydává příkazy. 3) Hlavní obvod vydává nastavitelnou indukci; materiály se magnetizují, mění reziduum/stav jádra a tedy indukci reaktoru. 4) Po úpravě se opačně upraví indukce, aby se demagnetizovaly materiály a resetoval reaktor. Simulace v Matlabu ověřily přesnost systému: 15 A magnetizačního proudu a 220 V demagnetizačního napětí s stabilními vlnovými formami, splňující požadavky na magnetizaci a demagnetizaci.

3 Experimentální analýza účinku úpravy reaktance

Pro ověření výkonu reaktoru v úpravě reaktance byl postaven prototyp a podpůrný řídicí systém podle návrhu a simulací. Experimenty analyzovaly charakteristiky rozdělení indukce a hodnotily změny kvality energie v síti.

3.1 Stabilita řiditelného reaktoru

V experimentu byly shromážděny data pro sestrojení charakteristické křivky voltamper a křivky pracovního proudu řiditelného reaktoru. Výsledky ukazují, že: ① S rostoucí hodnotou napětí stoupá proud pracovní cívky, a oba ukazují lineární vztah, což naznačuje, že pod různými magnetizačními napětím hodnota indukce zůstává v relativně konstantním rozsahu. ② Když je magnetizační napětí 0–35 V, indukce klesá z 0,74 H na 0,61 H, a výstup indukce je stabilní, splňuje požadavek na hladkou úpravu. Změna indukce s magnetizačním napětím je uvedena v tabulce 2.

V tomto studii se změna hodnoty indukce řiditelného reaktoru dosahuje prostřednictvím magnetizace a demagnetizace magnetických materiálů, což zase závisí na střídavém a stejnosměrném proudu vedenu do řídicí cívky. Tato operace přinese i rušení pracovní cívky. Je tedy nutné dále analyzovat jeho pracovní přechodový proces. Pro tento účel byl použit smíšený doménový osciloskop pro sběr vlnových forem proudu magnetických materiálů během magnetizace a demagnetizace. Výsledky ukazují, že reaktor reaguje rychle, a vlnová forma proudu je v stabilním stavu po dokončení magnetizace.

3.2 Měřené výsledky hodnoty indukce

Během skutečného provozu řiditelného reaktoru, hodnoty indukce získané použitím různých magnetizačních napětí jsou uvedeny v tabulce 3. Analýza odhalila, že: ① Hodnota indukce reaktoru se mění přibližně lineárně s variací rezidua magnetického materiálu. To znamená, že i malá změna stejnosměrného napětí může efektivně upravit hodnotu indukce reaktoru. ② Přesnou regulací magnetického stavu magnetického materiálu lze řiditelný reaktor flexibilně měnit svou hodnotu indukce, což umožňuje efektivní kompenzaci reaktivního výkonu v elektrické síti.

3.3 Změny kvality energie v elektrické síti

V elektrickém systému byly zaznamenány změny proudu a napětí na vysoké straně transformátoru před a po použití řiditelného reaktoru, a byly pozorovány harmonické charakteristiky. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Analýza ukazuje, že: ① Před použitím řiditelného reaktoru byly změny proudu a napětí na vysoké straně komplexní, a jejich vlnové formy neměly pravidelné rysy; po použití řiditelného reaktoru byly vlnové formy proudu a napětí na vysoké straně zlepšeny a měly zřetelné pravidelné rysy. ② Po použití řiditelného reaktoru se snížilo obsah harmonických složek, zvýšil se aktivní výkon, a kvalita energie byla výrazně zlepšena.

4 Závěr

Závěrem, reaktory hrají klíčovou roli v elektrických systémech, stabilizují napětí, potlačují harmonické složky, tlumí oscilace a zvyšují faktor moci. Mezi existující typy patří magneticky řízené reaktory, s kontinuální úpravou reaktance, velkou kapacitou a nízkými náklady, které jsou široce používány v elektrických systémech. Pro řešení problémů jako pomalá odezva a vysoké vibrační ztráty magneticky řízených reaktorů toto studium navrhuje řiditelný reaktor s využitím nanokompozitních magnetických materiálů.

Experimentální závěry: ① Reaktor rychle reaguje, s stabilními vlnovými formami proudu po magnetizaci. ② I malé změny stejnosměrného napětí mohou efektivně upravit indukci. Přesnou regulací magnetického stavu materiálů lze reaktor flexibilně měnit indukci, aby kompenzoval reaktivní výkon v elektrické síti. ③ Po aplikaci se vlnové formy proudu a napětí na vysoké straně a kvalita energie výrazně zlepšily, což je vhodné pro propagaci chytrých sítí. V budoucnu, s novými materiály, technologiemi a procesy, budou řiditelné reaktory optimalizovány, aby lépe splňovaly potřeby chytrých sítí a zajišťovaly stabilní provoz sítě.