Disenyo ng Estruktura at Paggamit ng Naka-control na Reactors para sa Smart Grids

Ang mga reactor ay mahalaga para sa kompensasyon ng reactive power sa mga sistema ng kuryente, na ang magnetically controlled reactors ang naging sentro ng pag-aaral. Ang smart grid, na nag-uupgrade ng tradisyonal na grid sa pamamagitan ng advanced na teknolohiya, ay nagpapataas ng seguridad at reliabilidad, na nagdudulot ng mas mataas na pangangailangan para sa controllable reactors. Kaya, ang pagbuo ng bagong uri ng mga ito ay mahalaga. Ang papel na ito, kasama ang praktikal na aplikasyon, ay sumusuri sa kanilang disenyo ng istraktura at aplikasyon upang mapabuti ang inobasyon at pagtatayo ng smart grid.

1 Mga Tungkulin at Kasalukuyang Paggamit ng Controllable Reactors
1.1 Mga Tungkulin

Para sa mga grid, ang controllable reactors ay nakakabawas ng network losses, nagpapataas ng power factor sa higit sa 0.9, binabawasan ang mga oscillations, pinapalaganap ang damping limits, nagpapataas ng transmission capacity, at nagpapataas ng voltage stability. Para sa mga user, sila: ① Nagpapanatili ng matatag na voltage, nagpoprotekta ng mga equipment tulad ng transformers, at nagpapahaba ng serbisyo. ② Nagwawala ng harmonics, nagbabawas ng losses, at nagpapataas ng seguridad. ③ Nagsisilbing kontrol sa voltage flicker, na nagpapabuti ng kalidad ng kuryente. ④ Nagbabawas ng reactive losses para sa mga malaking user, na nagpapababa ng cost ng kuryente. ⑤ Nagbibigay ng kapasidad na paglalaki sa mababang cost sa pamamagitan ng dynamic compensation.

1.2 Kasalukuyang Paggamit

Ang controllable reactors ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng kuryente, tulad ng sa mga power utilities, industrial utilities, new energy power generation at iba pang larangan. Habang tumataas ang pangangailangan sa kuryente at nag-uupgrade ang mga grid ng transmission at distribution, ang demand para sa controllable reactors ay patuloy na tumataas.

Ang mga reactor ay may tatlong uri: magnetic control, switch-throwing, at electronic-switch control. Ang magnetic control reactors ay nagbibigay ng continuous adjustment, malaking kapasidad, at mababang cost pero may mabagal na response, mataas na loss vibration, at harmonics. Ang switch-throwing reactors ay nag-iwas ng vibration/harmonics ngunit hindi continuous ang adjustment, limitado ang paggamit. Ang electronic-switch types ay nagbibigay ng continuous adjustment na may mabilis na response ngunit may harmonics at mataas na cost. Ang magnetic control reactors ang mas pinipili. Upang tugunan ang smart grids, kailangan ng mga upgrade sa materyales at istraktura at bagong disenyo.

2 Disenyo ng Istraktura ng Controllable Reactors sa Smart Grids

Ang smart grid, o Grid 2.0, ay itinayo sa dalawang direksyon na communication networks. Ito ay gumagamit ng bagong equipment, teknolohiya, at pamamaraan upang mapataas ang seguridad, epektibidad, environmental-friendliness, at ekonomiya ng grid, na mas maayos na natutugunan ang pangangailangan ng mga user sa kalidad ng kuryente. Ang controllable reactors ay mahalaga sa pagtatayo ng smart grid. Sa ibaba ay ang kanilang disenyo ng istraktura batay sa nanocomposite magnetic materials.

2.1 Pagpili ng Magnetic Materials

Ang nanocomposite magnetic materials ay binubuo ng nanocrystalline hard at soft magnetic phases. Ang kanilang mga grains ay nag-uugnayan, nagbibigay ng coupled exchange effect sa ilalim ng current. Sa mikroskopiko, sa interface ng phase, ang magnetic moments ay bumabago ang fields sa panahon ng interaction, nagpapataas ng remanence. Sa controllable reactors: ang DC na ipinapatok sa windings ay lumilikha ng excitation field, na magnetize ang materyal; ang AC ay lumilikha ng attenuating field, na demagnetize ito.

Inihanda sa pamamagitan ng melt rapid quenching, ang materyal ay dadaanan ng tempering upang i-adjust ang microstructure nito. Ito ay nagpapalaki ng grains at nagbabawas ng coercivity, tugon sa mga pangangailangan ng adjustment.

2.2 Kabuuang Disenyo ng Istraktura

Ang istraktura ng controllable reactor ay binubuo ng tie rods, iron core, clamps, working windings, control windings, at nanocomposite magnetic materials. Ang excitation column, gawa ng magnetic materials at silicon steel sheets, ay nakaupo sa sentro. Ang working windings ay nasa gilid nito, ang kanilang pinakababang layers bilang pangunahing magnetic circuits. Ang control winding ay nakabalot sa magnetic materials.

Prinsipyong: Sa normal na operasyon ng grid (walang harmonic suppression/reactive regulation na kailangan), ang reactor ay nagdedetect ng voltage, current, at reactive power. Ang mga data na ito ay pumapasok sa control system para sa pag-evaluate ng estado ng grid. Para sa harmonic suppression o reactive regulation, ang control system ay nag-aadjust ng winding current. Ang magnetic materials ay nagbabago ng reactance sa pamamagitan ng magnetization. Kapag ang mga parameter ay sumasang-ayon sa design specs, ang winding current ay muli na nai-adjust upang demagnetize ang materials back to zero remanence.

Batay sa disenyo ng circuit, ignorante sa primary- at secondary-side leakage fluxes, kami ay nakakakuha:

Kung saan: E₁ representa ang induced electromotive force ng W₁; E₂ representa ang induced electromotive force ng W₂; E₃ representa ang induced electromotive force ng W₃. Mas lalo pa, sa pamamagitan ng paggamit ng T-type circuit upang pantayin ang two-port network ng controllable reactor, kami ay makakakuha:

Hayaang I_k = β I_g, at ang inductance value ng working port ay:

Ang reactance control coefficient ay α, at I_k = αI_g. Ang relasyon sa pagitan ng reactance ng working port at α ay:

Sa pamamagitan ng pagkonekta ng working port sa parallel ng power grid at pagtreat ng U₁ bilang constant, ang sumusunod na sistema ng equations ay makukuha:

Kung saan: I_g at I_k represent ang effective values ng currents sa dalawang ports; U_k representa ang effective value ng voltage sa control port. Ang pag-solve ng sistema ng equations sa Formula (5) ay nagbibigay ng operating performance indicators ng controllable reactor.

2.3 Disenyo ng Control System

Ang control system ay binubuo ng main circuit (na nag-aadjust ng magnetic material remanence) at detection-control subsystem (na nag-monitor ng electrical parameters), na nagtutulungan upang makamit ang mga layunin ng management. Kapag ang operasyon ng grid ay nangangailangan ng adjust ng reactance, ang main circuit ay nagpapatok ng currents upang magnetize/demagnetize ang materials, habang ang subsystem ay nagmomoitor ng loads upang panatilihin ang optimal na parameters, na nagpapataas ng estabilidad ng grid. Ang mga pagbabago sa reactance ay nagmumula sa pagbabago ng magnetic state ng core. Ang controllable rectification ay nagbibigay ng millisecond-level AC output, na sumasagot sa mabilis na conversion ng magnetic state. Ang sistema ay nagbibigay ng mga command para sa reactor upang suppresin ang harmonics at regulate ang reactive power, na nagpapanatili ng estabilidad ng grid.

Operasyon process: 1) Idetect ang estado ng grid, ikolekta ang mga parameter, at i-assess ang estabilidad. 2) Kapag ang voltage fluctuations/harmonics ay nangyari, ang control system ng reactor ay nagbibigay ng mga command. 3) Ang main circuit ay nag-output ng adjustable inductance; ang materials ay magnetize, nagbabago ng remanence/core state at kaya ang inductance ng reactor. 4) Pagkatapos ng adjustment, reverse-adjust ang inductance upang demagnetize ang materials at reset ang reactor. Ang Matlab simulations ay napatunayan ang accuracy ng sistema: 15 A magnetizing current at 220 V demagnetizing voltage na may stable waveforms, sumasang-ayon sa mga requirement ng magnetization/demagnetization.

3 Experimental Analysis ng Effect ng Reactance Adjustment

Upang ipapatotoo ang performance ng reactor sa pag-adjust ng reactance, isang prototype at suportadong control system ay itinayo ayon sa disenyo at simulations. Ang mga eksperimento ay analisa ang mga katangian ng inductance distribution at pagsusuri ng mga pagbabago sa kalidad ng kuryente ng grid.

3.1 Estabilidad ng Controllable Reactor

Sa eksperimento, ang data ay kinolekta upang lumikha ng volt-ampere characteristic curve at operating current curve ng controllable reactor. Ang resulta ay nagpapakita na: ① Habang tumaas ang halaga ng voltage, tumaas din ang current ng working winding, at ang dalawa ay may linear relationship, na nagpapahiwatig na sa iba't ibang magnetizing voltages, ang inductance value ay nasa relatibong constant range. ② Kapag ang magnetizing voltage ay 0–35 V, ang inductance ay bumaba mula 0.74 H hanggang 0.61 H, at ang inductance output ay stable, sumasang-ayon sa requirement para sa smooth adjustment. Ang pagbabago ng inductance sa magnetizing voltage ay ipinapakita sa Table 2.

Sa pag-aaral na ito, ang pagbabago sa inductance value ng controllable reactor ay natatamo sa pamamagitan ng magnetization at demagnetization ng magnetic materials, na sa kanyang bahagi ay depende sa alternating current at direct current na ipinapatok sa control winding. Ang operasyong ito ay magdadala rin ng mga disturbance sa working winding. Kaya, kinakailangan ang mas malalim na pagsusuri ng kanyang working transient process. Upang tugunan ito, ginamit ang mixed-domain oscilloscope upang ikolekta ang mga current waveforms ng magnetic materials sa panahon ng magnetization at demagnetization. Ang resulta ay nagpapakita na ang reactor ay mabilis na sumasagot, at ang current waveform ay nasa stable state pagkatapos ng pagtapos ng magnetization.

3.2 Measured Results ng Inductance Value

Sa aktwal na operasyon ng controllable reactor, ang inductance values na nakuha sa pamamagitan ng pag-apply ng iba't ibang magnetizing voltages ay ipinapakita sa Table 3. Ang analisis ay nagpapakita na: ① Ang inductance value ng reactor ay nagbabago nang humigit-kumulang linear sa pagbabago ng remanence ng magnetic material. Ito ay nangangahulugan na kahit isang maliit na pagbabago sa DC voltage ay maaaring mabisa na mag-adjust ng inductance value ng reactor. ② Sa pamamagitan ng precise na regulasyon ng magnetic state ng magnetic material, ang controllable reactor ay maaaring mapaligid ang kanyang inductance value, na nagreresulta sa epektibong kompensasyon ng reactive power sa power line.

3.3 Pagbabago sa Kalidad ng Kuryente ng Power Grid

Sa power system, ang pagbabago ng current at voltage sa high-voltage side ng transformer bago at pagkatapos gamitin ang controllable reactor ay na-record, at pinag-aralan ang mga harmonic characteristics. Ang resulta ay ipinapakita sa Table 4. Ang analisis ay nagpapakita na: ① Bago gamitin ang controllable reactor, ang pagbabago ng current at voltage sa high-voltage side ay komplikado, at ang kanilang waveforms ay walang regular na features; pagkatapos gamitin ang controllable reactor, ang current at voltage waveforms sa high-voltage side ay nabago at may obvious na regular na features. ② Pagkatapos gamitin ang controllable reactor, ang harmonic content ay bumaba, ang active power ay tumaas, at ang kalidad ng kuryente ay malaking nabago.

4 Conclusion

Sa huli, ang mga reactor ay naglalaro ng mahalagang papel sa mga sistema ng kuryente, na nagpapanatili ng voltage, nag-suppress ng harmonics, nag-damping ng oscillations, at nagpapataas ng power factor. Sa mga umiiral na uri, ang magnetically controlled reactors, na may continuous reactance adjustment, malaking kapasidad, at mababang cost, ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng kuryente. Upang tugunan ang mga isyu tulad ng mabagal na response at mataas na loss vibration ng magnetically controlled reactors, ang pag-aaral na ito ay nagdisenyo ng controllable reactor gamit ang nanocomposite magnetic materials.

Experimental conclusions: ① Ang reactor ay mabilis na sumasagot, na may stable na current waveforms pagkatapos ng magnetization. ② Kahit maliit na pagbabago sa DC voltage ay maaaring mabisa na mag-adjust ng inductance. Sa pamamagitan ng precise na regulasyon ng magnetic state ng materials, ang reactor ay maaaring mapaligid ang kanyang inductance upang kompensasyon ang reactive power sa power lines. ③ Pagkatapos ng application, ang high-voltage side current/voltage waveforms at kalidad ng kuryente ay malaking nabago, na angkop para sa promosyon ng smart grid. Sa hinaharap, sa pamamagitan ng bagong materyales, teknolohiya, at proseso, ang controllable reactors ay maaaring mapahusay upang mas mabuti na tugunan ang mga pangangailangan ng smart grid at tiyakin ang matatag na operasyon ng grid.