طراحی ساختاری و کاربرد راکتورهای قابل کنترل برای شبکه های هوشمند

ریاکتورها در جبران توان راکتیو در سیستم‌های برق نقش کلیدی دارند و مطالعات روی ریاکتورهای کنترل شده مغناطیسی در حال پیشرفت است. شبکه هوشمند، با به‌روزرسانی شبکه سنتی از طریق فناوری‌های پیشرفته، ایمنی و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد و نیاز به ریاکتورهای کنترل‌پذیر را افزایش می‌دهد. بنابراین، توسعه انواع جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. این مقاله با توجه به تجربیات عملی، طراحی ساختاری و کاربرد آن‌ها را بررسی می‌کند تا نوآوری و ساخت شبکه هوشمند را افزایش دهد.

1 عملکردها و وضعیت کاربرد ریاکتورهای کنترل‌پذیر
1.1 عملکردها

برای شبکه‌ها، ریاکتورهای کنترل‌پذیر ضرر شبکه را کاهش می‌دهند، عامل توان را بالای 0.9 می‌رسانند، نوسانات را کاهش می‌دهند، محدوده دمپینگ را افزایش می‌دهند، ظرفیت انتقال را افزایش می‌دهند و پایداری ولتاژ را افزایش می‌دهند. برای کاربران، آن‌ها: ① ولتاژ را پایدار می‌کنند، تجهیزات مانند ترانسفورماتورها را محافظت می‌کنند و عمر مفید را افزایش می‌دهند. ② هارمونیک‌ها را حذف می‌کنند، ضرر را کاهش می‌دهند و ایمنی را افزایش می‌دهند. ③ نوسان ولتاژ را کاهش می‌دهند و کیفیت توان را افزایش می‌دهند. ④ برای کاربران با تقاضای بالا، ضرر راکتیو را کاهش می‌دهند و هزینه برق را کاهش می‌دهند. ⑤ با جبران پویا، امکان گسترش ظرفیت با هزینه کم را فراهم می‌کنند.

1.2 وضعیت کاربرد

ریاکتورهای کنترل‌پذیر به طور گسترده در سیستم‌های برق مانند شرکت‌های برق، صنایع، تولید برق انرژی‌های تجدیدپذیر و زمینه‌های دیگر استفاده می‌شوند. با افزایش تقاضای برق و به‌روزرسانی شبکه‌های انتقال و توزیع برق، تقاضای بازار برای ریاکتورهای کنترل‌پذیر نیز در حال افزایش است.

ریاکتورها به سه نوع تقسیم می‌شوند: کنترل مغناطیسی، کنترل با تغییر سوئیچ و کنترل با سوئیچ الکترونیکی. ریاکتورهای کنترل مغناطیسی تنظیم پیوسته، ظرفیت بزرگ و هزینه کم دارند اما پاسخ دهی آن‌ها کند، ضرر ارتعاشی و هارمونیک بالاست. ریاکتورهای کنترل با تغییر سوئیچ از ارتعاش/هارمونیک خلاص می‌شوند اما تنظیم غیرپیوسته دارند که محدودیت استفاده را ایجاد می‌کند. ریاکتورهای کنترل با سوئیچ الکترونیکی تنظیم پیوسته با پاسخ سریع دارند اما هارمونیک و هزینه بالا دارند. ریاکتورهای کنترل مغناطیسی ترجیح داده می‌شوند. برای سازگاری با شبکه‌های هوشمند، به به‌روزرسانی مواد و ساختار و طراحی‌های جدید نیاز است.

2 طراحی ساختاری ریاکتورهای کنترل‌پذیر در شبکه‌های هوشمند

شبکه هوشمند یا شبکه 2.0 بر پایه شبکه‌های ارتباطی دوطرفه ساخته شده است. از تجهیزات، فناوری‌ها و روش‌های جدید استفاده می‌کند تا ایمنی، کارایی، محیط‌زیست‌دوستانه و اقتصادی شبکه را افزایش دهد و بهتر نیازهای کیفیت توان کاربران را برآورده کند. ریاکتورهای کنترل‌پذیر در ساخت شبکه هوشمند نقش کلیدی دارند. در ادامه طراحی ساختاری آن‌ها بر اساس مواد مغناطیسی نانوکامپوزیتی آمده است.

2.1 انتخاب مواد مغناطیسی

مواد مغناطیسی نانوکامپوزیتی شامل فازهای سخت و نرم مغناطیسی بلوری نانومتری هستند. ذرات آن‌ها با هم تعامل می‌کنند و تحت جریان، اثر متقابل مبادله‌ای ایجاد می‌کنند. در مقیاس میکروسکوپی، در مرزهای فاز، لحظه‌های مغناطیسی میدان‌ها را در طی تعامل مجدد توجیه می‌کنند و باقی‌مانده مغناطیسی را افزایش می‌دهند. در ریاکتورهای کنترل‌پذیر: جریان مستقیم به پیچش‌ها اعمال می‌شود و میدان تحریکی ایجاد می‌کند که ماده را مغناطیسی می‌کند؛ جریان متناوب میدان کاهشی ایجاد می‌کند و ماده را دیمغناطیسی می‌کند.

این ماده با استفاده از روش سردسازی سریع ذوب شده و سپس با حرارت‌دهی میکروstrukturni آن را تنظیم می‌کنند. این عملیات ذرات را بزرگتر می‌کند و کوهرسیویته را کاهش می‌دهد تا نیازهای تنظیم را برآورده کند.

2.2 طراحی ساختاری کلی

ساختار ریاکتور کنترل‌پذیر شامل میله‌های پیوند، هسته آهنی، کلمپ‌ها، پیچش‌های کاری، پیچش‌های کنترل و مواد مغناطیسی نانوکامپوزیتی است. ستون تحریک که از مواد مغناطیسی و ورق‌های آهن‌سیلیسیون ساخته شده است در مرکز قرار دارد. پیچش‌های کاری در دو طرف آن قرار دارند و لایه‌های بیرونی آن‌ها به عنوان مدارهای مغناطیسی اصلی عمل می‌کنند. پیچش کنترل حول مواد مغناطیسی پیچیده شده است.

اصول: در حالت عملیاتی عادی شبکه (بدون نیاز به کاهش هارمونیک یا تنظیم توان راکتیو)، ریاکتور ولتاژ، جریان و توان راکتیو را تشخیص می‌دهد. این داده‌ها به سیستم کنترل برای ارزیابی وضعیت شبکه منتقل می‌شوند. برای کاهش هارمونیک یا تنظیم توان راکتیو، سیستم کنترل جریان پیچش را تنظیم می‌کند. مواد مغناطیسی با مغناطیسی شدن راکتانس را تغییر می‌دهند. هنگامی که پارامترها به مشخصات طراحی رسیدند، جریان پیچش مجدداً تنظیم می‌شود تا مواد را به باقی‌مانده مغناطیسی صفر برساند.

با توجه به مدار طراحی شده و عدم در نظر گرفتن فلوکس‌های نشتی از طرف اول و دوم، داریم:

که: E₁ نمایانگر القای الکتروموتوی W₁ است؛ E₂ نمایانگر القای الکتروموتوی W₂ است؛ E₃ نمایانگر القای الکتروموتوی W₃ است. با استفاده از مدار T-نوع برای تساوی دو شبکه دو-پورتی ریاکتور کنترل‌پذیر، می‌توانیم به دست آوریم:

فرض کنید I_k = β I_g، و مقدار اندرفت پورت کاری است:

ضریب کنترل راکتانس α است، و I_k = αI_g. رابطه بین راکتانس پورت کاری و α است:

با اتصال پورت کاری به صورت موازی با شبکه برق و در نظر گرفتن U₁ به عنوان ثابت، مجموعه معادلات زیر بدست می‌آید:

که: I_g و I_k نمایانگر مقادیر مؤثر جریان در دو پورت هستند؛ U_k نمایانگر مقدار مؤثر ولتاژ در پورت کنترل است. حل مجموعه معادلات در فرمول (5) به ما اجازه می‌دهد تا شاخص‌های عملکرد ریاکتور کنترل‌پذیر را بدست آوریم.

2.3 طراحی سیستم کنترل

سیستم کنترل شامل مدار اصلی (تنظیم باقی‌مانده مغناطیسی مواد) و زیرسیستم کشف-کنترل (نظارت بر پارامترهای الکتریکی) است که با هم برای دستیابی به اهداف مدیریتی کار می‌کنند. هنگامی که عملیات شبکه نیاز به تنظیم راکتانس دارد، مدار اصلی جریان‌ها را اعمال می‌کند تا مواد را مغناطیسی یا دیمغناطیسی کند، در حالی که زیرسیستم بار را نظارت می‌کند تا پارامترها بهینه بمانند و پایداری شبکه را تضمین کند. تغییرات راکتانس از تغییرات وضعیت مغناطیسی هسته ناشی می‌شود. مستقیم‌سازی کنترل‌پذیر باعث می‌شود خروجی AC در سطح میلی‌ثانیه باشد که نیاز به تبدیل سریع وضعیت مغناطیسی را برآورده می‌کند. سیستم دستورات برای ریاکتور برای کاهش هارمونیک و تنظیم توان راکتیو صادر می‌کند تا پایداری شبکه حفظ شود.

فرآیند عملیات: 1) تشخیص وضعیت شبکه، جمع‌آوری پارامترها و ارزیابی پایداری. 2) هنگامی که نوسانات ولتاژ یا هارمونیک‌ها رخ می‌دهند، سیستم کنترل ریاکتور دستورات صادر می‌کند. 3) مدار اصلی اندرفت قابل تنظیم را خروجی می‌دهد؛ مواد مغناطیسی می‌شوند و باقی‌مانده مغناطیسی و وضعیت هسته را تغییر می‌دهند و بنابراین اندرفت ریاکتور را تغییر می‌دهند. 4) پس از تنظیم، اندرفت را به صورت معکوس تنظیم می‌کنند تا مواد را دیمغناطیسی کنند و ریاکتور را بازنشانی کنند. شبیه‌سازی‌های Matlab دقت سیستم را تأیید کرد: جریان مغناطیسی 15 آمپر و ولتاژ دیمغناطیسی 220 ولت با موج‌های پایدار، نیازهای مغناطیسی و دیمغناطیسی را برآورده می‌کنند.

3 تحلیل آزمایشی اثر تنظیم راکتانس

برای تأیید عملکرد تنظیم راکتانس ریاکتور، یک پروتوتیپ و سیستم کنترل متناسب با طراحی و شبیه‌سازی‌ها ساخته شد. آزمایش‌ها ویژگی‌های توزیع اندرفت را تحلیل کردند و تغییرات کیفیت توان شبکه را ارزیابی کردند.

3.1 پایداری ریاکتور کنترل‌پذیر

در آزمایش، داده‌ها جمع‌آوری شدند تا منحنی ویژگی ولتاژ-آمپر و منحنی جریان عملیاتی ریاکتور کنترل‌پذیر رسم شود. نتایج نشان می‌دهند که: ① با افزایش مقدار ولتاژ، جریان پیچش کاری افزایش می‌یابد و دو مورد یک رابطه خطی دارند که نشان می‌دهد در زیر ولتاژ‌های مختلف مغناطیسی، مقدار اندرفت در محدوده نسبتاً ثابتی قرار دارد. ② وقتی ولتاژ مغناطیسی 0-35 ولت است، اندرفت از 0.74 هنری به 0.61 هنری کاهش می‌یابد و خروجی اندرفت پایدار است و نیاز به تنظیم هموار را برآورده می‌کند. تغییر اندرفت با ولتاژ مغناطیسی در جدول 2 نشان داده شده است.

در این مطالعه، تغییر مقدار اندرفت ریاکتور کنترل‌پذیر از طریق مغناطیسی و دیمغناطیسی مواد مغناطیسی انجام می‌شود که به نوبه خود به جریان متناوب و مستقیمی که به پیچش کنترل اعمال می‌شود بستگی دارد. این عملیات همچنین اختلالاتی را به پیچش کاری می‌آورد. بنابراین، لازم است فرآیند کاری موقت آن را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهیم. برای این منظور، اسکوپ مخلوط دامنه‌ای برای جمع‌آوری موج‌های جریان مواد مغناطیسی در حین مغناطیسی و دیمغناطیسی استفاده شد. نتایج نشان می‌دهند که ریاکتور به سرعت پاسخ می‌دهد و موج جریان پس از تکمیل مغناطیسی در حالت پایدار قرار می‌گیرد.

3.2 نتایج اندازه‌گیری مقدار اندرفت

در حین عملیات واقعی ریاکتور کنترل‌پذیر، مقادیر اندرفت حاصل از اعمال ولتاژ‌های مغناطیسی مختلف در جدول 3 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که: ① مقدار اندرفت ریاکتور تقریباً به صورت خطی با تغییر باقی‌مانده مغناطیسی ماده تغییر می‌کند. این بدان معناست که حتی تغییر کوچکی در ولتاژ مستقیم می‌تواند مقدار اندرفت ریاکتور را به طور موثر تنظیم کند. ② با تنظیم دقیق وضعیت مغناطیسی ماده، ریاکتور کنترل‌پذیر می‌تواند انعطاف‌پذیرانه مقدار اندرفت خود را تغییر دهد و بنابراین جبران توان راکتیو در خط برق را به طور موثر انجام دهد.

3.3 تغییرات کیفیت توان شبکه

در سیستم برق، تغییرات جریان و ولتاژ در طرف بالا ترانسفورماتور قبل و بعد از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر ثبت شد و مشخصات هارمونیک مشاهده شد. نتایج در جدول 4 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که: ① قبل از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر، تغییرات جریان و ولتاژ در طرف بالا پیچیده بودند و موج‌های آن‌ها بدون ویژگی‌های منظم بودند؛ پس از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر، موج‌های جریان و ولتاژ در طرف بالا بهبود یافتند و ویژگی‌های منظم واضحی داشتند. ② پس از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر، محتوای هارمونیک کاهش یافت، توان فعال افزایش یافت و کیفیت توان به طور قابل توجهی بهبود یافت.

4 نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، ریاکتورها در سیستم‌های برق نقش مهمی دارند و ولتاژ را پایدار می‌کنند، هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهند، نوسانات را دمپ می‌کنند و عامل توان را افزایش می‌دهند. در میان انواع موجود، ریاکتورهای کنترل شده مغناطیسی با تنظیم پیوسته راکتانس، ظرفیت بزرگ و هزینه کم، به طور گسترده در سیستم‌های برق استفاده می‌شوند. برای حل مشکلاتی مانند پاسخ دهی کند و ارتعاش و هارمونیک بالا در ریاکتورهای کنترل شده مغناطیسی، این مطالعه یک ریاکتور کنترل‌پذیر با استفاده از مواد مغناطیسی نانوکامپوزیتی طراحی می‌کند.

نتایج آزمایشی: ① ریاکتور به سرعت پاسخ می‌دهد و موج جریان پس از مغناطیسی در حالت پایدار قرار می‌گیرد. ② حتی تغییرات کوچک ولتاژ مستقیم می‌تواند مقدار اندرفت را به طور موثر تنظیم کند. با تنظیم دقیق وضعیت مغناطیسی مواد، ریاکتور می‌تواند انعطاف‌پذیرانه مقدار اندرفت خود را تغییر دهد و جبران توان راکتیو در خط برق را به طور موثر انجام دهد. ③ پس از استفاده، موج‌های جریان و ولتاژ در طرف بالا و کیفیت توان به طور قابل توجهی بهبود یافته و مناسب برای ترویج شبکه‌های هوشمند هستند. در آینده، با استفاده از مواد جدید، فناوری‌ها و روش‌های جدید، ریاکتورهای کنترل‌پذیر بهینه‌سازی خواهند شد تا بهتر نیازهای شبکه‌های هوشمند را برآورده کنند و عملکرد پایدار شبکه را تضمین کنند.