Rakennemuotoisen suunnittelu ja sovellukset hallitussa reaktoreissa älyverkoille
Reaktorit ovat avainasemassa reaktivin tehon kompensaatiossa sähköverkoissa, ja magneettisesti ohjattujen reaktorien tutkimus on tärkeässä roolissa. Älyverkko, joka päivittää perinteistä verkkoa edistyneillä tekniikoilla, parantaa turvallisuutta ja luotettavuutta, mikä nostaa vaatimuksia ohjattaviin reaktoreihin. Siksi uusien tyypin kehittäminen on tärkeää. Tämä artikkeli käsittelee käytännön näkökulmasta niiden rakenneteknisiä suunnittelua ja sovellusta innovaation edistämiseksi ja älyverkon rakentamisen parantamiseksi.
1 Ohjattavien reaktoreiden toimintoja ja sovellustilannetta
1.1 Toiminnot
Sähköverkoille ohjattavat reaktorit vähentävät verkkojen hukkaa, nostavat tehokerrointa yli 0,9, vähentävät heilahteluja, laajentavat tynnyritysrajoja, lisäävät siirtokapasiteettia ja parantavat jännitteen vakautta. Käyttäjille ne: ① Vakaana pitävät jännitettä, suojaavat laitteita kuten muuntijoita ja pidentävät niiden käyttöikää. ② Poistavat harmoniset, vähentävät hukkaa ja parantavat turvallisuutta. ③ Rajoittavat jännitteen vilkkumista, parantaen sähköntuotannon laatua. ④ Vähentävät raskaan kulutuksen käyttäjien reaktivihukkaa, pienentäen sähkömaksuja. ⑤ Mahdollistavat kapasiteetin laajentamisen alhaisella kustannuksella dynaamisen kompensaation avulla.
1.2 Sovellustilanne
Ohjattavat reaktorit ovat laajasti käytössä sähköverkoissa, kuten sähköyhtiöissä, teollisuuden sähköverkoissa, uudessa energiantuotannossa ja muissa aloissa. Sähköntarpeen kasvaessa ja sähkönsiirto- ja jakeloverkkojen päivitysten myötä ohjattavien reaktoreiden markkinakysyntä on myös nousussa.
Reaktorit jaetaan kolmeen tyyppiin: magneettiseen ohjaus, kytkimenheitto- ja sähkökytkintäohjaus. Magneettisesti ohjatuilla reaktoreilla on jatkuva säädösmahdollisuus, suuri kapasiteetti ja alhaiset kustannukset, mutta ne vastaavat hitaasti, aiheuttavat korkeaa hukkaa, vibraatiota ja harmonisia. Kytkimenheitto-tyyppiset välttävät vibraation/harmoniset, mutta ne säätävät epäjatkuvasti, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Sähkökytkintätyyppiset mahdollistavat jatkuvan säädön nopealla vastauksella, mutta ne kärsivät harmonisista ja korkeista kustannuksista. Magneettisesti ohjatuilla reaktoreilla on etulyöntiasema. Älyverkkojen soveltamiseksi materiaaleihin ja rakenteisiin tarvitaan päivityksiä ja uusia suunnitelmia.
2 Ohjattavien reaktoreiden rakennetekninen suunnittelu älyverkoissa
Älyverkko, tai Grid 2.0, perustuu kaksisuuntaisiin viestintäverkkoihin. Se käyttää uusia laitteita, tekniikoita ja menetelmiä parantamaan verkkojen turvallisuutta, tehokkuutta, ympäristöystävällisyyttä ja taloudellisuutta, paremmin vastaamaan käyttäjien sähköntarpeisiin. Ohjattavat reaktorit ovat keskeisiä älyverkon rakentamisessa. Alla on niiden rakennetekninen suunnittelu nanokompositteihin perustuvien magneettisten materiaalien pohjalta.
2.1 Magneettisten materiaalien valinta
Nanokompositmagneettiset materiaalit koostuvat nanokristallisisistä kovista ja pehmeistä magneettifaseista. Niiden kristaalit vuorovaikuttelevat, tuottamalla kytketty vaihtoehtoisen vaikutuksen sähkövirran alla. Mikroskooppisesti fasettien rajapinnilla magneettiset momentit uudelleen suuntaavat kenttiä vuorovaikutuksen aikana, lisäämällä residuaalijännitystä. Ohjattavissa reaktoreissa: Jännite, joka annetaan kierroksille, luo herätyksen, magnetisoimalla materiaalia; vaihtojännite muodostaa heikennyskentän, demagnetisoimalla sitä.
Materiaali valmistetaan sulanteen nopean jäädytysmenetelmällä, ja se lämmittyy jälleen, jotta sen mikrorakenne voidaan säätää. Tämä suurennut kristaalit ja vähentää pakkomomenttia, täyttäen säädön tarpeet.
2.2 Yleinen rakennetekninen suunnittelu
Ohjattavan reaktorin rakenne koostuu kiinnitysnuolet, teräsyle, puristimet, työkierrokset, ohjauskierrokset ja nanokompositmagneettiset materiaalit. Herättävä pilari, joka on tehty magneettisista materiaaleista ja silikonteräsharjoista, sijaitsee keskellä. Työkierrokset sijaitsevat sen vieressä, niiden ulkopuolella olevat kerrokset ovat päämagneettinen piiri. Ohjauskierros kiertää magneettisia materiaaleja.
Periaate: Normaalissa verkkojen toiminnassa (ei tarvetta harmonisten poistamiseen tai reaktivin sääntelyyn) reaktori havaitsee jännitteen, virran ja reaktivin. Nämä tiedot menevät ohjausjärjestelmään verkoston tilan arvioimiseksi. Harmonisten poistamiseksi tai reaktivin sääntelyksi ohjausjärjestelmä säätää kierroksen virran. Magneettiset materiaalit muuttavat induktiansia magneettoinnin kautta. Kun parametrit täyttävät suunnittelun vaatimukset, kierroksen virran säädellään uudelleen demagnetisoimaan materiaalit takaisin nollaresiduaalijännitykseen.
Suunnitelman mukaan, jättäen huomiotta ensimmäisen ja toisen puolen vuotoinduktanssit, saamme:
Jossa: E1 edustaa W1 aiheuttamaa sähkömoottorin sähkövirtaa; E2 edustaa W2 aiheuttamaa sähkömoottorin sähkövirtaa; E3 edustaa W3 aiheuttamaa sähkömoottorin sähkövirtaa. Lisäksi käyttämällä T-muotoista piiriä yhtäpitävänä kahden portin verkostona ohjattavalle reaktorille, voimme saada:
Olkoon Ik = β Ig, ja työportin induktiansiarvo on:
Induktiansien ohjauskertoimen α ja Ik = αIg. Työportin induktiansi ja α välillä on suhde:
Yhdistämällä työportti rinnakkain sähköverkon kanssa ja katsomalla U1 vakiona, saatamme seuraavan yhtälöryhmän:
Jossa: Ig ja Ik merkitsevät kahden portin virran tehokkuusarvoja; Uk merkitsee ohjausportin jännitteen tehokkuusarvoa. Yhtälöryhmän (5) ratkaisemalla voimme saada ohjattavan reaktorin toiminnalliset mittarit.
2.3 Ohjausjärjestelmän suunnittelu
Ohjausjärjestelmä koostuu pääpiiristä (magneettisen materiaalin residuaalijännityksen säätö) ja havainto-ohjaus-alajärjestelmästä (sähköisten parametrien valvonta), jotka toimivat yhdessä saavuttaakseen hallintatavoitteet. Kun verkkojen toiminta vaatii induktiansien säätämistä, pääpiiri antaa virtaa magnetisoimaan/demagnetisoimaan materiaaleja, kun taas alajärjestelmä valvoo kuormituksia, jotta parametrit pysyvät optimaalisina, varmistamalla verkon vakauden. Induktiansien muutokset johtuvat ytimen magneettisen tilan muutoksista. Ohjattu suodatus mahdollistaa millisekuntitasoiset vaihtovirta-ulostulot, täyttäen nopean magneettisen tilamuutoksen tarpeet. Järjestelmä antaa käskyn reaktorille, jotta se voi supistaa harmonioita ja säännellä reaktiviteettia, ylläpitäen verkon vakautta.
Toimintaprosessi: 1) Havaitaan verkon tila, kerätään parametreja ja arvioidaan vakautta. 2) Kun jännitteen fluktuatiot/harmoniset tapahtuvat, reaktorin ohjausjärjestelmä antaa käskyn. 3) Pääpiiri tuottaa säätökykyisen induktiansin; materiaalit magnetisoituvat, muuttaen residuaalijännitystä/ytimellä tilaa ja siten reaktorin induktiansia. 4) Säätelyn jälkeen käänteis-säädellään induktiansia, demagnetisoimalla materiaaleja ja palauttaen reaktorin alkutilaan. Matlab-simulaatiot vahvistivat järjestelmän tarkkuuden: 15 A magnetisoivalla virralla ja 220 V demagnetisoivalla jännitteellä vakaiden aaltojen muodostuessa, täyttäen magnetisoimisen/demagnetisoimisen vaatimukset.
3 Reaktanssin säätövaikutuksen kokeellinen analyysi
Varmistaaksemme reaktorin reaktanssin säätökyvyn, rakennettiin prototyyppi ja tukeva ohjausjärjestelmä suunnitelman ja simulaatioiden mukaan. Kokeet analysoivat induktiansien jakautumismallia ja arvioivat sähköverkon tehonlaadun muutoksia.
3.1 Ohjattavan reaktorin vakaus
Kokeessa kerättiin dataa reaktorin jännite-virta-piirin ja toiminnan virtapiirin piirtämiseksi. Tulokset osoittavat, että: ① Kun jännitteen arvo kasvaa, työkierroksen virta nousee, ja nämä näyttävät lineaarista suhdetta, mikä tarkoittaa, että eri magnetisoivilla jännitteillä induktiansiarvo pysyy suhteellisen vakaina. ② Kun magnetisoiva jännite on 0–35 V, induktiansi laskee 0,74 H:sta 0,61 H:iin, ja induktiansi tuotanto on vakaa, täyttäen sileän säädön vaatimukset. Induktiansin muutos magnetisoivalla jännitteellä on esitetty taulukossa 2.
Tässä tutkimuksessa ohjattavan reaktorin induktiansiarvon muutos saavutetaan magneettisten materiaalien magnetisoimisen ja demagnetisoimisen kautta, joka puolestaan riippuu vaihto- ja jännitteestä, joka annetaan ohjauskierrokselle. Tämä operaatio tuo myös häiriöitä työkierrokseen. Siksi on tarpeen analysoida sen työväliaikaista prosessia. Tähän tarkoitukseen käytettiin monialuetta osiloskoppi keräämään magneettisten materiaalien virtapiirit magnetisoimisen ja demagnetisoimisen aikana. Tulokset osoittavat, että reaktori reagoi nopeasti, ja virtapiiri on vakaa tilassa magnetisoimisen jälkeen.
3.2 Mittaustulokset induktiansiarvosta
Ohjattavan reaktorin todellisessa toiminnassa eri magnetisoivilla jännitteillä saadut induktiansiarvot on esitetty taulukossa 3. Analyysi paljastaa, että: ① Reaktorin induktiansiarvo muuttuu likimain lineaarisesti magneettisen materiaalin residuaalijännityksen muutoksen mukaan. Tämä tarkoittaa, että jopa pieni DC-jännitteen muutos voi tehokkaasti säätää reaktorin induktiansiarvoa. ② Tarkasti säätämällä magneettisen materiaalin tilaa, ohjattava reaktori voi joustavasti muuttaa induktiansiarvoaan, saavuttaen tehokkaan reaktiviteetin kompensaation sähkölinjassa.
3.3 Muutokset sähköverkon tehonlaadussa
Sähköverkossa tallennettiin muuntajan korkeajännitteen puolen virta- ja jännitemuutokset ennen ja jälkeen ohjattavan reaktorin käyttöä, ja havaittiin harmonisten ominaisuuksia. Tulokset on esitetty taulukossa 4. Analyysi osoittaa, että: ① Ennen ohjattavan reaktorin käyttöä, muuntajan korkeajännitteen puolen virta- ja jännitemuutokset olivat monimutkaisia, eivätkä niiden aaltomuodot olleet säännöllisiä; ohjattavan reaktorin käytön jälkeen muuntajan korkeajännitteen puolen virta- ja jännite-aaltomuodot parantuvat ja niissä on ilmeisiä säännöllisiä ominaisuuksia. ② Ohjattavan reaktorin käytön jälkeen harmonisten sisältö vähenee, aktiivinen teho kasvaa, ja tehonlaatu paranee huomattavasti.
4 Johtopäätös
Lopuksi, reaktorit ovat avainasemassa sähköverkoissa, vakaana pitäen jännitettä, poistaen harmoniset, hillitsemällä heilahteluja ja nostamalla tehokerrointa. Olemassa olevista tyypeistä magneettisesti ohjatuilla reaktoreilla, jolla on jatkuva reaktanssin säädösmahdollisuus, suuri kapasiteetti ja alhaiset kustannukset, on laaja sovellusalue sähköverkoissa. Ratkaistaksemme magneettisesti ohjattujen reaktoreiden hitaan vastauksen ja korkean hukkan vibraation ongelmat, tämä tutkimus suunnittelee ohjattavan reaktorin nanokompositmagneettisilla materiaaleilla.
Kokeelliset johtopäätökset: ① Reaktori vastaa nopeasti, ja virtapiiri on vakaa tilassa magnetisoimisen jälkeen. ② Jopa pieni DC-jännitteen muutos voi tehokkaasti säätää induktiansiarvoa. Tarkasti säätämällä magneettisen materiaalin tilaa, reaktori voi joustavasti muuttaa induktiansiarvoaan, kompensoimaan reaktiviteettia sähkölinjassa. ③ Käytön jälkeen muuntajan korkeajännitteen puolen virta- ja jännite-aaltomuodot sekä tehonlaatu paranevat huomattavasti, sopivat älyverkon edistämiseen. Tulevaisuudessa uusilla materiaaleilla, tekniikoilla ja prosesseilla ohjattavia reaktoreita optimoidaan paremmin vastaamaan älyverkon tarpeisiin ja varmistamaan verkon vakaa toiminta.
