Diseño Estructural y Aplicación de Reactores Controlables para Redes Eléctricas Inteligentes
Los reactores son clave para la compensación de potencia reactiva en los sistemas de energía, con los reactores controlados magnéticamente como un foco de investigación. Una red inteligente, que actualiza la tradicional mediante tecnología avanzada, aumenta la seguridad y confiabilidad, elevando las demandas para reactores controlables. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos tipos es importante. Este artículo, combinando la práctica, explora su diseño estructural y aplicación para impulsar la innovación y mejorar la construcción de redes inteligentes.
1 Funciones y estado de aplicación de los reactores controlables
1.1 Funciones
Para las redes, los reactores controlables reducen las pérdidas de la red, elevan el factor de potencia por encima de 0.9, disminuyen las oscilaciones, amplían los límites de amortiguamiento, aumentan la capacidad de transmisión y mejoran la estabilidad del voltaje. Para los usuarios, ellos: ① Estabilizan el voltaje, protegen equipos como transformadores y prolongan la vida útil. ② Eliminan armónicos, reducen pérdidas y mejoran la seguridad. ③ Contienen el parpadeo del voltaje, mejorando la calidad de la energía. ④ Reducen las pérdidas reactivas para usuarios de alta demanda, disminuyendo los costos de electricidad. ⑤ Permiten la expansión de la capacidad a bajo costo mediante la compensación dinámica.
1.2 Estado de aplicación
Los reactores controlables se aplican ampliamente en sistemas de energía, como en utilidades eléctricas, utilidades industriales, generación de energía renovable y otros campos. Con el aumento de la demanda de energía y la actualización de las redes de transmisión y distribución, la demanda del mercado para reactores controlables también está en aumento.
Los reactores se dividen en tres tipos: control magnético, lanzamiento de interruptor y control de interruptor electrónico. Los reactores de control magnético ofrecen ajuste continuo, gran capacidad y bajo costo, pero tienen respuesta lenta, alta vibración de pérdida y armónicos. Los de lanzamiento de interruptor evitan la vibración/armónicos pero ajustan discontinuamente, limitando su uso. Los de tipo interruptor electrónico permiten ajuste continuo con respuesta rápida, pero sufren de armónicos y alto costo. Se prefieren los reactores de control magnético. Para adaptarse a las redes inteligentes, se necesitan actualizaciones de material/estructura y nuevos diseños.
2 Diseño estructural de los reactores controlables en redes inteligentes
La red inteligente, o Grid 2.0, se basa en redes de comunicación bidireccional. Utiliza nuevo equipo, tecnología y métodos para aumentar la seguridad, eficiencia, amigabilidad ambiental y economía de la red, satisfaciendo mejor las necesidades de calidad de energía de los usuarios. Los reactores controlables son clave para la construcción de redes inteligentes. A continuación, se presenta su diseño estructural basado en materiales magnéticos nanocompuestos.
2.1 Selección de materiales magnéticos
Los materiales magnéticos nanocompuestos consisten en fases duras y blandas magnéticas nanocristalinas. Sus granos interactúan, generando un efecto de intercambio acoplado bajo corriente. Microscópicamente, en las interfaces de fase, los momentos magnéticos reorientan los campos durante la interacción, aumentando la remanencia. En los reactores controlables: la corriente continua aplicada a las bobinas crea un campo de excitación, magnetizando el material; la corriente alterna forma un campo atenuante, desmagnetizándolo.
Preparado mediante enfriamiento rápido de fusión, el material se somete a revenido para ajustar su microestructura. Esto agranda los granos y reduce la coercitividad, cumpliendo con las necesidades de ajuste.
2.2 Diseño estructural general
La estructura del reactor controlable comprende varillas de unión, núcleo de hierro, abrazaderas, bobinas de trabajo, bobinas de control y materiales magnéticos nanocompuestos. La columna de excitación, hecha de materiales magnéticos y láminas de acero silicio, se sitúa en el centro. Las bobinas de trabajo la flanquean, con sus capas más externas como circuitos magnéticos principales. La bobina de control envuelve los materiales magnéticos.
Principio: Durante la operación normal de la red (sin necesidad de supresión de armónicos/regulación reactiva), el reactor detecta el voltaje, la corriente y la potencia reactiva. Estos datos van al sistema de control para evaluar el estado de la red. Para la supresión de armónicos o regulación reactiva, el sistema de control ajusta la corriente de la bobina. Los materiales magnéticos cambian la reactancia a través de la magnetización. Una vez que los parámetros cumplen con las especificaciones de diseño, la corriente de la bobina se ajusta nuevamente para desmagnetizar los materiales hasta una remanencia cero.
Según el circuito de diseño, ignorando las fugas de flujo de los lados primario y secundario, obtenemos:
Donde: E1 representa la fuerza electromotriz inducida de W1; E2 representa la fuerza electromotriz inducida de W2; E3 representa la fuerza electromotriz inducida de W3. Además, utilizando un circuito T para equiparar la red de dos puertos del reactor controlable, podemos obtener:
Dejando Ik = β Ig, y el valor de inductancia del puerto de trabajo es:
El coeficiente de control de reactancia es α, y Ik = αIg. La relación entre la reactancia del puerto de trabajo y α es:
Al conectar el puerto de trabajo en paralelo con la red de energía y considerar U1 como constante, se puede obtener el siguiente sistema de ecuaciones:
Donde: Ig y Ik denotan los valores efectivos de las corrientes en los dos puertos; Uk representa el valor efectivo del voltaje en el puerto de control. Resolviendo el sistema de ecuaciones en la Fórmula (5) se pueden obtener los indicadores de rendimiento operativo del reactor controlable.
2.3 Diseño del sistema de control
El sistema de control comprende un circuito principal (ajustando la remanencia del material magnético) y un subsistema de detección-control (monitoreando parámetros eléctricos), trabajando juntos para lograr los objetivos de gestión. Cuando la operación de la red requiere ajuste de reactancia, el circuito principal aplica corrientes para magnetizar/desmagnetizar los materiales, mientras que el subsistema monitorea las cargas para mantener los parámetros óptimos, asegurando la estabilidad de la red. Los cambios de reactancia se derivan de los cambios en el estado magnético del núcleo. La rectificación controlable permite una salida de CA a nivel de milisegundos, cumpliendo con las necesidades de conversión rápida del estado magnético. El sistema emite comandos para que el reactor suprima armónicos y regule la potencia reactiva, manteniendo la estabilidad de la red.
Proceso de operación: 1) Detectar el estado de la red, recopilar parámetros y evaluar la estabilidad. 2) Cuando ocurren fluctuaciones de voltaje/armónicos, el sistema de control del reactor emite comandos. 3) El circuito principal genera inductancia ajustable; los materiales se magnetizan, alterando la remanencia/estado del núcleo y, por lo tanto, la inductancia del reactor. 4) Post-ajuste, se readjusta la inductancia para desmagnetizar los materiales y restablecer el reactor. Las simulaciones de Matlab verificaron la precisión del sistema: 15 A de corriente de magnetización y 220 V de voltaje de desmagnetización con formas de onda estables, cumpliendo con los requisitos de magnetización/desmagnetización.
3 Análisis experimental del efecto de ajuste de reactancia
Para verificar el rendimiento de ajuste de reactancia del reactor, se construyó un prototipo y un sistema de control de soporte según el diseño y las simulaciones. Los experimentos analizaron las características de distribución de inductancia y evaluaron los cambios en la calidad de la energía de la red.
3.1 Estabilidad del reactor controlable
En el experimento, se recopilaron datos para trazar la curva de característica voltamperométrica y la curva de corriente de operación del reactor controlable. Los resultados muestran que: ① A medida que el valor del voltaje aumenta, la corriente de la bobina de trabajo sube, y ambas muestran una relación lineal, indicando que bajo diferentes voltajes de magnetización, el valor de inductancia se mantiene dentro de un rango relativamente constante. ② Cuando el voltaje de magnetización es de 0-35 V, la inductancia disminuye de 0.74 H a 0.61 H, y la salida de inductancia es estable, cumpliendo con el requisito de ajuste suave. El cambio de inductancia con el voltaje de magnetización se muestra en la Tabla 2.
En este estudio, el cambio en el valor de inductancia del reactor controlable se logra a través de la magnetización y desmagnetización de los materiales magnéticos, lo que a su vez depende de la corriente alterna y directa pasada a la bobina de control. Esta operación también traerá perturbaciones a la bobina de trabajo. Por lo tanto, es necesario analizar aún más su proceso transitorio de funcionamiento. Para ello, se utilizó un osciloscopio de dominio mixto para recopilar las formas de onda de corriente de los materiales magnéticos durante la magnetización y desmagnetización. Los resultados muestran que el reactor responde rápidamente, y la forma de onda de corriente está en un estado estable después de completar la magnetización.
3.2 Resultados medidos del valor de inductancia
Durante la operación real del reactor controlable, los valores de inductancia obtenidos al aplicar diferentes voltajes de magnetización se muestran en la Tabla 3. El análisis revela que: ① El valor de inductancia del reactor cambia aproximadamente de manera lineal con la variación de la remanencia del material magnético. Esto significa que incluso un pequeño cambio en el voltaje de corriente continua puede ajustar eficazmente el valor de inductancia del reactor. ② Al regular con precisión el estado magnético del material magnético, el reactor controlable puede cambiar flexiblemente su valor de inductancia, logrando así una compensación efectiva de la potencia reactiva en la línea de alimentación.
3.3 Cambios en la calidad de la energía de la red
En el sistema de energía, se registraron los cambios de corriente y voltaje en el lado de alta tensión del transformador antes y después de usar el reactor controlable, y se observaron las características armónicas. Los resultados se muestran en la Tabla 4. El análisis muestra que: ① Antes de usar el reactor controlable, los cambios de corriente y voltaje en el lado de alta tensión eran complejos, y sus formas de onda no tenían características regulares; después de usar el reactor controlable, las formas de onda de corriente y voltaje en el lado de alta tensión mejoraron y tuvieron características obvias. ② Después de usar el reactor controlable, el contenido armónico disminuyó, la potencia activa aumentó, y la calidad de la energía mejoró significativamente.
4 Conclusión
En conclusión, los reactores juegan un papel crucial en los sistemas de energía, estabilizando el voltaje, suprimiendo armónicos, amortiguando oscilaciones y aumentando el factor de potencia. Entre los tipos existentes, los reactores controlados magnéticamente, con ajuste continuo de reactancia, gran capacidad y bajo costo, se utilizan ampliamente en los sistemas de energía. Para abordar problemas como la respuesta lenta y la alta vibración de pérdida de los reactores controlados magnéticamente, este estudio diseña un reactor controlable utilizando materiales magnéticos nanocompuestos.
Conclusiones experimentales: ① El reactor responde rápidamente, con formas de onda de corriente estables después de la magnetización. ② Incluso pequeños cambios en el voltaje de corriente continua pueden ajustar eficazmente la inductancia. Al regular con precisión el estado magnético de los materiales, el reactor cambia flexiblemente la inductancia para compensar la potencia reactiva en las líneas de alimentación. ③ Después de la aplicación, las formas de onda de corriente/voltaje y la calidad de la energía en el lado de alta tensión mejoran significativamente, siendo adecuadas para la promoción de redes inteligentes. En el futuro, con nuevos materiales, tecnologías y procesos, los reactores controlables se optimizarán para satisfacer mejor las necesidades de las redes inteligentes y garantizar la operación estable de la red.
