Strukturel Design og Anvendelse af Kontrollerbare Reaktorer til Smarte Net
Reaktorer er afgørende for reaktiv effektkompensation i strømsystemer, med magnetisk kontrollerede reaktorer som et forskningsfokus. En smart grid, der opgraderer den traditionelle ved hjælp af avanceret teknologi, øger sikkerhed og pålidelighed, hvilket øger efterspørgslen efter kontrollerbare reaktorer. Derfor er det vigtigt at udvikle nye typer. Denne artikel undersøger, kombineret med praksis, deres strukturelle design og anvendelse for at fremme innovation og forbedre konstruktionen af smart grids.
1 Funktioner og anvendelsesstatus for kontrollerbare reaktorer
1.1 Funktioner
For netværk reducerer kontrollerbare reaktorer nettabeter, hæver kraftfaktoren over 0,9, reducerer svingninger, øger dempning, øger transmissionskapaciteten og forbedrer spændingsstabilitet. For brugere gør de: ① Stabiliserer spænding, beskytter udstyr som transformatorer og forlænger levetiden. ② Eliminerer harmoniske, reducerer tab og forbedrer sikkerheden. ③ Dæmper spændingsflimren, forbedrer strømkvaliteten. ④ Reducerer reaktiv tab for brugere med høj efterspørgsel, nedbringer strømudgifter. ⑤ Tillader kapacitetsudvidelse til lav kostnad via dynamisk kompensation.
1.2 Anvendelsesstatus
Kontrollerbare reaktorer anvendes bredt i strømsystemer, såsom i energiforsyninger, industrielle anlæg, ny energi-generering og andre områder. Med stigende energiefterspørgsel og opgradering af transmissions- og distributionsnettet stiger også efterspørgslen på markedet for kontrollerbare reaktorer.
Reaktorer inddeles i tre typer: magnetisk kontrol, skiftkontrol og elektronisk skiftkontrol. Magnetisk kontrollerede reaktorer tilbyder kontinuerlig justering, stor kapacitet og lav kostnad, men har langsom respons, høje tab, vibration og harmoniske. Skiftkontrollerede undgår vibration/harmoniske, men justerer diskontinuerligt, hvilket begrænser deres anvendelse. Elektronisk skiftkontrollerede tillader kontinuerlig justering med hurtig respons, men lider af harmoniske og høj kostnad. Magnetisk kontrollerede reaktorer foretrækkes. For at passe til smart grids kræves material- og strukturupgrades samt nye designs.
2 Strukturelt design af kontrollerbare reaktorer i smart grids
Den smarte grid, eller Grid 2.0, bygger på tovejs kommunikationsnetværk. Den bruger nyt udstyr, teknologi og metoder for at øge netsikkerhed, effektivitet, miljøvenlighed og økonomi, og bedre møde brugernes behov for strømkvalitet. Kontrollerbare reaktorer er afgørende for konstruktionen af smart grids. Nedenfor er deres strukturelle design baseret på nanokompositmagnetiske materialer.
2.1 Vælgelse af magnetiske materialer
Nanokompositmagnetiske materialer består af nanokristalline hårde og bløde magnetiske faser. Deres korner interagerer, hvilket genererer en koblet udvekslingseffekt under strøm. Mikroskopisk, ved fasegrænser, omlægger magnetiske momenter feltet under interaktion, hvilket øger restmagnetisering. I kontrollerbare reaktorer: DC anvendt på vindinger skaber et exciteringsfelt, der magnetiserer materialet; AC danner et svagende felt, der demagnetiserer det.
Forberedt via smeltning hurtig køling, undergår materialet temperering for at justere dens mikrostruktur. Dette forstørrer korner og reducerer coercitivitet, der møder justeringsbehov.
2.2 Overordnet strukturelt design
Kontrollerbar reaktors struktur består af forbindelsesstænger, en jernkern, klamper, arbejdsvindinger, kontrolvindinger og nanokompositmagnetiske materialer. Exciterkolonnen, lavet af magnetiske materialer og siliciumstålplader, ligger i midten. Arbejdsvindinger flankerer det, med deres yderste lag som hovedmagnetiske kredsløb. Kontrolvindingen omgiver de magnetiske materialer.
Princip: Under normal netdrift (ingen harmonisk undertrykkelse/reaktiv regulering nødvendig), registrerer reaktoren spænding, strøm og reaktiv effekt. Disse data går til kontrolsystemet for netstatus evaluering. For harmonisk undertrykkelse eller reaktiv regulering justerer kontrolsystemet vindingsstrøm. Magnetiske materialer ændrer reactance via magnetisering. Når parametrene opfylder designspecifikationer, justeres vindingsstrømmen igen for at demagnetisere materialet tilbage til nul restmagnetisering.
Ifølge designkredsløbet, ignorér primær- og sekundær-side leckageflux, får vi:
Hvor: E1 repræsenterer den inducerede elektromotoriske kraft af W1; E2 repræsenterer den inducerede elektromotoriske kraft af W2; E3 repræsenterer den inducerede elektromotoriske kraft af W3. Yderligere, ved at bruge et T-type kredsløb til at ligeberette to-portnetværket af den kontrollerbare reaktor, kan vi få:
Lad Ik = β Ig, og induktansværdien af arbejdshavnen er:
Reactance kontrolkoefficienten er α, og Ik = αIg. Forholdet mellem reactance af arbejdshavnen og α er:
Ved at forbinde arbejdshavnen parallel med strømnettet og behandle U1 som en konstant, kan følgende ligningssystem opnås:
Hvor: Ig og Ik betegner de effektive værdier af strømmerne ved de to havne; Uk repræsenterer den effektive værdi af spændingen ved kontrolhavnen. Ved at løse ligningssystemet i Formel (5) kan vi opnå driftsprestationsindikatorerne for den kontrollerbare reaktor.
2.3 Design af kontrolsystem
Kontrolsystemet består af et hovedkredsløb (justerer magnetisk materiale restmagnetisering) og et detections- og kontrolunderkredsløb (overvåger elektriske parametre), der samarbejder for at nå managementmål. Når netdrift kræver reactance-justering, anvender hovedkredsløbet strømme til at magnetisere/demagnetisere materialer, mens subsystemet overvåger belastninger for at holde parametre optimale, der sikrer nettets stabilitet. Reactance ændringer kommer fra kernekoblings magnetiske tilstandsskift. Kontrollerbar rettificering gør millisekunds-niveau AC-output muligt, der opfylder hurtige magnetiske tilstandskonverteringsbehov. Systemet udsteder kommandoer for reaktoren til at undertrykke harmoniske og regulere reaktiv effekt, der opretholder nettets stabilitet.
Driftsproces: 1) Registrer netstatus, indsamle parametre og vurdere stabilitet. 2) Når spændingsfluktuationer/harmoniske opstår, udsteder reaktorens kontrolsystem kommandoer. 3) Hovedkredsløbet udsender justerbart induktans; materialer magnetiseres, ændrer restmagnetisering/kerne tilstand og dermed reaktorens induktans. 4) Efter justering, reverse-justering af induktans for at demagnetisere materialer og nulstille reaktoren. Matlab-simulationer bekræftede systemets præcision: 15 A magnetiseringsstrøm og 220 V demagnetiseringsspænding med stabile bølgeformer, der opfylder magnetiserings/demagnetiseringskrav.
3 Eksperimentel analyse af reactance-justeringseffekt
For at verificere reaktorens reactance-justeringsevne blev en prototype og støttende kontrolsystem bygget ifølge design og simulationer. Eksperimenter analyserede induktansfordelingskarakteristika og evaluerede ændringer i strømnets strømkvalitet.
3.1 Stabilitet af den kontrollerbare reaktor
I eksperimentet blev data indsamlet for at tegne volt-ampere karakteristikkurve og driftsstrømkurve for den kontrollerbare reaktor. Resultaterne viser, at: ① Når spændingsværdien stiger, stiger strømmen i arbejdsvindingen, og de to viser en lineær relation, hvilket indikerer, at under forskellige magnetiserings-spændinger, forbliver induktansværdien inden for en relativt konstant rækkevidde. ② Når magnetiserings-spændingen er 0–35 V, falder induktansen fra 0,74 H til 0,61 H, og induktansoutputtet er stabil, der opfylder kravet om glat justering. Ændringen af induktans med magnetiserings-spændingen vises i tabel 2.
I denne studie opnås ændringen i induktansværdien for den kontrollerbare reaktor gennem magnetisering og demagnetisering af magnetiske materialer, hvilket på sin side afhænger af alternerende strøm og direkte strøm, der passeret ind i kontrolvindingen. Denne operation vil også bringe forstyrrelser til arbejdsvindingen. Derfor er det nødvendigt at analysere dens arbejds-overgangsproces yderligere. Til dette formål blev en mixed-domain oscilloscope brugt til at indsamle strømbølgeformen for magnetiske materialer under magnetisering og demagnetisering. Resultaterne viser, at reaktoren reagerer hurtigt, og strømbølgeformen er i en stabil tilstand efter magnetisering er fuldført.
3.2 Målte resultater for induktansværdi
Under den faktiske drift af den kontrollerbare reaktor er induktansværdierne, der opnås ved at anvende forskellige magnetiserings-spændinger, vist i tabel 3. Analysen afslører, at: ① Induktansværdien for reaktoren ændres tilnærmelsesvis lineært med variationen i restmagnetiseringen af magnetisk materiale. Dette betyder, at endda en lille ændring i DC-spændingen kan effektivt justere induktansværdien for reaktoren. ② Ved præcis at regulere magnetiske tilstanden af magnetisk materiale kan den kontrollerbare reaktor fleksibelt ændre sin induktansværdi, hvilket resulterer i effektiv kompensation af reaktiv effekt i strømledningen.
3.3 Ændringer i strømnets strømkvalitet
I strømsystemet blev ændringer i strøm og spænding på højspændings-siden af transformatoren før og efter brug af den kontrollerbare reaktor registreret, og harmoniske karakteristika blev observeret. Resultaterne vises i tabel 4. Analysen viser, at: ① Før brug af den kontrollerbare reaktor var ændringer i strøm og spænding på højspændings-siden komplekse, og deres bølgeformer havde ingen regelmæssige egenskaber; efter brug af den kontrollerbare reaktor blev strøm- og spændingsbølgeformen på højspændings-siden forbedret og havde tydelige regelmæssige egenskaber. ② Efter brug af den kontrollerbare reaktor sank harmoniske indhold, aktiv effekt steg, og strømkvaliteten forbedrede betydeligt.
4 Konklusion
Konklusion, reaktorer spiller en afgørende rolle i strømsystemer, ved at stabilisere spænding, undertrykke harmoniske, dempe svingninger og øge kraftfaktoren. Blandt de eksisterende typer, magnetisk kontrollerede reaktorer, med kontinuerlig reactance-justering, stor kapacitet og lav kostnad, anvendes bredt i strømsystemer. For at tackle problemer som langsom respons og høje tab-vibrationer hos magnetisk kontrollerede reaktorer, designer denne studie en kontrollerbar reaktor ved hjælp af nanokompositmagnetiske materialer.
Eksperimentelle konklusioner: ① Reaktoren reagerer hurtigt, med stabile strømbølgeformer efter magnetisering. ② Selv små ændringer i DC-spænding kan effektivt justere induktans. Ved præcis at regulere magnetiske tilstanden af materialer, kan reaktoren fleksibelt ændre induktans for at kompensere reaktiv effekt i strømledninger. ③ Efter anvendelse forbedres højspændings-siden strøm/spændingsbølgeformer og strømkvalitet betydeligt, der er velegnet til smart grid-promotion. I fremtiden, med nye materialer, teknologier og processer, vil kontrollerbare reaktorer blive optimeret for at bedre møde smart grid-behov og sikre stabil netdrift.
