طراحی ساختاری و کاربرد راکتورهای قابل کنترل برای شبکه‌های هوشمند
ریاکتورها در جبران توان راکتیو در سیستم‌های برق نقش کلیدی دارند و ریاکتورهای مغناطیسی کنترل‌پذیر موضوع تحقیق هستند. شبکه هوشمند، با به‌روزرسانی شبکه سنتی از طریق فناوری‌های پیشرفته، ایمنی و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد و نیاز به ریاکتورهای کنترل‌پذیر را بالا می‌برد. بنابراین، توسعه انواع جدید آن مهم است. این مقاله با ترکیب تجربیات عملی، طراحی ساختاری و کاربرد آن‌ها را بررسی می‌کند تا نوآوری را تقویت کرده و ساخت شبکه هوشمند را بهبود بخشد.
1 وظایف و وضعیت کاربرد ریاکتورهای کنترل‌پذیر
1.1 وظایف
برای شبکه‌ها، ریاکتورهای کنترل‌پذیر زیان‌های شبکه را کاهش می‌دهند، عامل توان را بالای 0.9 می‌برند، نوسانات را کاهش می‌دهند، محدوده دامپینگ را افزایش می‌دهند، ظرفیت انتقال را افزایش می‌دهند و ثبات ولتاژ را بهبود می‌بخشند. برای کاربران، آن‌ها: ① ولتاژ را پایدار می‌کنند، تجهیزات مانند ترانسفورماتورها را محافظت می‌کنند و عمر مفید آن‌ها را افزایش می‌دهند. ② هارمونیک‌ها را حذف می‌کنند، زیان‌ها را کاهش می‌دهند و ایمنی را بهبود می‌بخشند. ③ میزان لرزاندن ولتاژ را کاهش می‌دهند و کیفیت برق را افزایش می‌دهند. ④ زیان‌های توان راکتیو را برای کاربران با نیاز بالا کاهش می‌دهند و هزینه‌های برق را کاهش می‌دهند. ⑤ با جبران پویا، امکان گسترش ظرفیت را با هزینه کم فراهم می‌کنند.
1.2 وضعیت کاربرد
ریاکتورهای کنترل‌پذیر به طور گسترده در سیستم‌های برق مانند شرکت‌های برق، صنایع برق، تولید برق انرژی‌های تجدیدپذیر و سایر زمینه‌ها 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، پرتاب کلید و کنترل الکترونیکی-کلید. ریاکتورهای کنترل مغناطیسی تنظیم پیوسته، ظرفیت بزرگ و هزینه کم دارند اما پاسخ آن‌ها کند، از دست‌دادهای ارتعاشی بالا و هارمونیک‌ها دارند. ریاکتورهای پرتاب کلید از ارتعاش/هارمونیک‌ها پرهیز می‌کنند اما تنظیم آن‌ها غیرپیوسته است و استفاده آن‌ها محدود است. ریاکتورهای کنترل الکترونیکی-کلید تنظیم پیوسته با پاسخ سریع دارند اما از هارمونیک‌ها و هزینه بالا رنج می‌برند. ریاکتورهای کنترل مغناطیسی ترجیح داده می‌شوند. برای سازگاری با شبکه‌های هوشمند، به به‌روزرسانی مواد/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 برق کاربران را برآورده کند. ریاکتورهای کنترل‌پذیر نقش کلیدی در ساخت شبکه هوشمند دارند. در ادامه طراحی ساختاری آن‌ها بر اساس مواد مغناطیسی نانومرکب آورده شده است.
2.1 انتخاب مواد مغناطیسی
مواد مغناطیسی نانومرکب شامل فازهای سخت و نرم مغناطیسی کریستالی نانویی هستند. ذرات آن‌ها با هم تعامل دارند و تحت جریان، اثر متقابل مبادله‌ای ایجاد می‌کنند. در مقیاس میکروسکوپی، در محل فازها، گشتاورهای مغناطیسی در زمان تعامل، میدان‌ها را دوباره می‌چینند و باقی‌مانده مغناطیسی را افزایش می‌دهند. در ریاکتورهای کنترل‌پذیر: جریان مستقیم به سیم‌پیچ‌ها میدان تحریک را ایجاد می‌کند و ماده را مغناطیسی می‌کند؛ جریان متناوب میدانی کاهشی ایجاد می‌کند و ماده را دیمغناطیسی می‌کند.
این ماده از طریق خنثی‌سازی سریع ذوب آماده می‌شود و سپس با حرارت دهی میکرواسترکچر آن تنظیم می‌شود. این عمل ذرات را بزرگ می‌کند و کواتیویتی را کاهش می‌دهد و نیازهای تنظیم را برآورده می‌کند.
2.2 طراحی ساختاری کلی
ساختار ریاکتور کنترل‌پذیر شامل میله‌های پیوند، هسته آهنی، ضبط‌کننده‌ها، سیم‌پیچ‌های کاری، سیم‌پیچ‌های کنترل و مواد مغناطیسی نانومرکب است. ستون تحریک که از مواد مغناطیسی و صفحات فولاد سیلیسی ساخته شده است، در مرکز قرار دارد. سیم‌پیچ‌های کاری در دو طرف آن قرار دارند و لایه‌های بیرونی آن‌ها به عنوان مدارهای مغناطیسی اصلی عمل می‌کنند. سیم‌پیچ کنترل حول مواد مغناطیسی پیچیده شده است.
اصل کار: در حالت عادی عملیات 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 ارسال می‌شوند. برای کاهش هارمونیک یا تنظیم توان راکتیو، سیستم کنترل جریان سیم‌پیچ را تنظیم می‌کند. مواد مغناطیسی با مغناطیسی شدن واکنش‌پذیری را تغییر می‌دهند. وقتی پارامترها به مشخصات طراحی رسیدند، جریان سیم‌پیچ دوباره تنظیم می‌شود تا مواد را به صفر باقی‌مانده مغناطیسی برگرداند.
بر اساس مدار طراحی شده، با نادیده گرفتن فلوکس‌های نشت از طرف اول و دوم، داریم:
که: E1 نمایانگر القای الکتروموتوری W1 است؛ E2 نمایانگر القای الکتروموتوری W2 است؛ E3 نمایانگر القای الکتروموتوری W3 است. همچنین، با استفاده از مدار T برای تساوی دوپرت سیستم ریاکتور کنترل‌پذیر، می‌توانیم به دست آوریم:
با فرض Ik = β Ig، مقدار اندازه‌گیری در پورت کاری است:
ضریب کنترل واکنشی α است و Ik = αIg. رابطه بین واکنش پورت کاری و α است:
با اتصال پورت کاری به صورت موازی با شبکه برق و در نظر گرفتن U1 به عنوان مقدار ثابت، می‌توانیم سیستم معادلات زیر را به دست آوریم:
که: Ig و Ik نمایانگر مقادیر مؤثر جریان در دو پورت هستند؛ Uk نمایانگر مقدار مؤثر ولتاژ در پورت کنترل است. حل سیستم معادلات فرمول (5) به ما اجازه می‌دهد تا شاخص‌های عملکرد ریاکتور کنترل‌پذیر را به دست آوریم.
2.3 طراحی سیستم کنترل
سیستم کنترل شامل مدار اصلی (تنظیم باقی‌مانده مغناطیسی مواد) و زیرسیستم تشخیص-کنترل (نظارت بر پارامترهای الکتریکی) است که با هم برای دستیابی به اهداف مدیریتی کار می‌کنند. وقتی عملیات شبکه نیاز به تنظیم واکنش دارد، مدار اصلی جریان‌ها را برای مغناطیسی و دیمغناطیسی مواد اعمال می‌کند، در حالی که زیرسیستم بار را نظارت می‌کند تا پارامترها بهینه باشند و ثبات شبکه را تضمین کند. تغییرات واکنش از تغییرات وضعیت مغناطیسی هسته ناشی می‌شوند. مستقیم‌سازی کنترل‌پذیر امکان خروجی AC در سطح میلی‌ثانیه را فراهم می‌کند که نیاز به تغییر سریع وضعیت مغناطیسی را برآورده می‌کند. سیستم دستورات را برای ریاکتور برای کاهش هارمونیک و تنظیم توان راکتیو صادر می‌کند تا ثبات شبکه حفظ شود.
فرآیند عملیات: 1) تشخیص وضعیت شبکه، جمع‌آوری پارامترها و ارزیابی ثبات. 2) وقتی نوسان‌های ولتاژ/هارمونیک رخ می‌دهد، سیستم کنترل ریاکتور دستورات صادر می‌کند. 3) مدار اصلی اندازه‌گیری قابل تنظیم خروجی می‌دهد؛ مواد مغناطیسی می‌شوند و باقی‌مانده مغناطیسی/وضعیت هسته را تغییر می‌دهند و بدین ترتیب اندازه‌گیری ریاکتور تغییر می‌کند. 4) پس از تنظیم، اندازه‌گیری را برعکس تنظیم می‌کنند تا مواد را دیمغناطیسی کرده و ریاکتور را بازنشانی کنند. شبیه‌سازی‌های Matlab دقت سیستم را تأیید کرد: 15 آمپر جریان مغناطیسی و 220 ولت ولتاژ دیمغناطیسی با شکل‌های موج پایدار، نیازهای مغناطیسی و دیمغناطیسی را برآورده می‌کنند.
3 تحلیل آزمایشی اثر تنظیم واکنش
برای تأیید عملکرد تنظیم واکنش ریاکتور، یک پروتوتیپ و سیستم کنترل متناسب با طراحی و شبیه‌سازی‌ها ساخته شد. آزمایش‌ها ویژگی‌های توزیع اندازه‌گیری را تحلیل کردند و تغییرات کیفیت برق شبکه را ارزیابی کردند.
3.1 ثبات ریاکتور کنترل‌پذیر
در آزمایش، داده‌ها جمع‌آوری شدند تا منحنی مشخصه ولت-آمپر و منحنی جریان عملیاتی ریاکتور کنترل‌پذیر رسم شود. نتایج نشان می‌دهند که: ① با افزایش مقدار ولتاژ، جریان سیم‌پیچ کاری افزایش می‌یابد و دو مورد یک رابطه خطی دارند، که نشان می‌دهد تحت ولتاژ‌های مغناطیسی مختلف، مقدار اندازه‌گیری در محدوده نسبتاً ثابتی قرار دارد. ② وقتی ولتاژ مغناطیسی 0-35 ولت است، اندازه‌گیری از 0.74 هنری به 0.61 هنری کاهش می‌یابد و خروجی اندازه‌گیری پایدار است و نیاز به تنظیم هموار را برآورده می‌کند. تغییر اندازه‌گیری با ولتاژ مغناطیسی در جدول 2 نشان داده شده است.
در این مطالعه، تغییر مقدار اندازه‌گیری ریاکتور کنترل‌پذیر از طریق مغناطیسی و دیمغناطیسی مواد مغناطیسی به دست می‌آید که به نوبه خود به جریان متناوب و مستقیم وارد شده به سیم‌پیچ کنترل بستگی دارد. این عمل همچنین اختلالاتی به سیم‌پیچ کاری می‌آورد. بنابراین، لازم است که فرآیند کاری موقت آن را بیشتر تحلیل کنیم. برای این منظور، اسکوپ مخلوط دامنه برای جمع‌آوری شکل‌های موج جریان مواد مغناطیسی در حین مغناطیسی و دیمغناطیسی استفاده شد. نتایج نشان می‌دهند که ریاکتور به سرعت پاسخ می‌دهد و شکل موج جریان پس از تکمیل مغناطیسی در حالت پایدار است.
3.2 نتایج اندازه‌گیری مقدار اندازه‌گیری
در طی عملیات واقعی ریاکتور کنترل‌پذیر، مقادیر اندازه‌گیری به دست آمده با اعمال ولتاژ‌های مغناطیسی مختلف در جدول 3 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که: ① مقدار اندازه‌گیری ریاکتور به تقریب به صورت خطی با تغییر باقی‌مانده مغناطیسی ماده تغییر می‌کند. این بدان معناست که حتی تغییر کوچکی در ولتاژ مستقیم می‌تواند به طور موثر مقدار اندازه‌گیری ریاکتور را تنظیم کند. ② با تنظیم دقیق وضعیت مغناطیسی ماده، ریاکتور کنترل‌پذیر می‌تواند به طور انعطاف‌پذیر مقدار اندازه‌گیری خود را تغییر دهد و بدین ترتیب جبران توان راکتیو در خط برق را به طور موثر انجام دهد.
3.3 تغییرات کیفیت برق شبکه
در سیستم برق، تغییرات جریان و ولتاژ در سمت فشار بالا ترانسفورماتور قبل و بعد از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر ثبت شد و ویژگی‌های 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 سمت فشار بالا پیچیده بود و شکل‌های موج آن‌ها بدون ویژگی‌های منظم بودند؛ پس از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر، شکل‌های موج جریان و ولتاژ در سمت فشار بالا بهبود یافت و ویژگی‌های منظم آشکار داشت. ② پس از استفاده از ریاکتور کنترل‌پذیر، محتوای هارمونیک کاهش یافت، توان فعال افزایش یافت و کیفیت برق به طور قابل توجه بهبود یافت.
4 نتیجه‌گیری
به طور خلاصه، ریاکتورها نقش کلیدی در سیستم‌های برق دارند، ولتاژ را پایدار می‌کنند، هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهند، نوسانات را میرا می‌کنند و عامل توان را افزایش می‌دهند. در میان انواع موجود، ریاکتورهای مغناطیسی کنترل‌پذیر با تنظیم پیوسته واکنش، ظرفیت بزرگ و هزینه کم، به طور گسترده در سیستم‌های برق استفاده می‌شوند. برای رفع مشکلاتی مانند پاسخ کند و از دست‌دادهای ارتعاشی بالا در ریاکتورهای مغناطیسی کنترل‌پذیر، این مطالعه یک ریاکتور کنترل‌پذیر با استفاده از مواد مغناطیسی نانومرکب طراحی کرده است.
نتایج آزمایشی: ① ریاکتور به سرعت پاسخ می‌دهد و شکل موج جریان پس از مغناطیسی پایدار است. ② حتی تغییرات کوچک ولتاژ مستقیم می‌توانند به طور موثر مقدار اندازه‌گیری را تنظیم کنند. با تنظیم دقیق وضعیت مغناطیسی مواد، ریاکتور می‌تواند به طور انعطاف‌پذیر مقدار اندازه‌گیری خود را تغییر دهد تا توان راکتیو در خط برق را جبران کند. ③ پس از استفاده، شکل‌های موج جریان و ولتاژ در سمت فشار بالا و کیفیت برق به طور قابل توجه بهبود یافته و مناسب برای ترویج شبکه‌های هوشمند است. در آینده، با استفاده از مواد جدید، فناوری‌ها و فرآیندها، ریاکتورهای کنترل‌پذیر بهینه‌سازی خواهند شد تا بهتر نیازهای شبکه‌های هوشمند را برآورده کرده و عملکرد پایدار شبکه را تضمین کنند.
