Conception structurelle et application des réacteurs contrôlables pour les réseaux intelligents
Les réacteurs jouent un rôle clé dans la compensation de la puissance réactive dans les systèmes électriques, avec les réacteurs à contrôle magnétique comme point focal de recherche. Un réseau intelligent, qui améliore le réseau traditionnel grâce à des technologies avancées, augmente la sécurité et la fiabilité, augmentant ainsi les exigences pour les réacteurs contrôlables. Par conséquent, le développement de nouveaux types est important. Cet article, en combinant la pratique, explore leur conception structurelle et application pour stimuler l'innovation et améliorer la construction du réseau intelligent.
1 Fonctions et état d'application des réacteurs contrôlables
1.1 Fonctions
Pour les réseaux, les réacteurs contrôlables réduisent les pertes de réseau, élèvent le facteur de puissance au-dessus de 0,9, réduisent les oscillations, élargissent les limites d'amortissement, augmentent la capacité de transmission et améliorent la stabilité de la tension. Pour les utilisateurs, ils : ① Stabilisent la tension, protègent les équipements tels que les transformateurs et prolongent leur durée de vie. ② Éliminent les harmoniques, réduisent les pertes et améliorent la sécurité. ③ Limitent les fluctuations de tension, améliorant la qualité de l'énergie. ④ Réduisent les pertes réactives pour les gros consommateurs, diminuant les coûts d'électricité. ⑤ Permettent une expansion de capacité à faible coût via la compensation dynamique.
1.2 État d'application
Les réacteurs contrôlables sont largement utilisés dans les systèmes électriques, tels que dans les services publics d'électricité, les services publics industriels, la production d'énergie renouvelable et d'autres domaines. Avec l'augmentation de la demande d'électricité et la modernisation des réseaux de transport et de distribution, la demande de marché pour les réacteurs contrôlables est également en hausse.
Les réacteurs se divisent en trois types : à contrôle magnétique, à commutation par jet et à contrôle par interrupteur électronique. Les réacteurs à contrôle magnétique offrent un réglage continu, une grande capacité et un faible coût, mais ont une réponse lente, des vibrations de perte élevées et des harmoniques. Les réacteurs à commutation par jet évitent les vibrations/harmoniques mais ajustent de manière discontinue, limitant leur utilisation. Les types à interrupteur électronique permettent un réglage continu avec une réponse rapide, mais souffrent d'harmoniques et d'un coût élevé. Les réacteurs à contrôle magnétique sont préférés. Pour s'adapter aux réseaux intelligents, des mises à niveau des matériaux/structures et de nouvelles conceptions sont nécessaires.
2 Conception structurelle des réacteurs contrôlables dans les réseaux intelligents
Le réseau intelligent, ou Grid 2.0, repose sur des réseaux de communication bidirectionnels. Il utilise de nouveaux équipements, technologies et méthodes pour améliorer la sécurité, l'efficacité, l'environnementalisme et l'économie du réseau, répondant mieux aux besoins de qualité de l'énergie des utilisateurs. Les réacteurs contrôlables sont essentiels à la construction du réseau intelligent. Ci-dessous est leur conception structurelle basée sur des matériaux magnétiques nanocomposites.
2.1 Sélection des matériaux magnétiques
Les matériaux magnétiques nanocomposites sont composés de phases magnétiques dures et douces nanocristallines. Leurs grains interagissent, générant un effet d'échange couplé sous courant. Microscopiquement, aux interfaces de phase, les moments magnétiques reorientent les champs lors de l'interaction, augmentant la rémanence. Dans les réacteurs contrôlables : le courant continu appliqué aux bobinages crée un champ d'excitation, magnétisant le matériau ; le courant alternatif forme un champ atténuant, démagnétisant le matériau.
Préparé par refroidissement rapide de fusion, le matériau subit un revenu pour ajuster sa microstructure. Cela agrandit les grains et réduit la coercivité, répondant aux besoins d'ajustement.
2.2 Conception structurelle globale
La structure du réacteur contrôlable comprend des barres de liaison, un noyau de fer, des serre-joints, des bobinages de travail, des bobinages de commande et des matériaux magnétiques nanocomposites. La colonne d'excitation, constituée de matériaux magnétiques et de tôles de silicium, est située au centre. Les bobinages de travail la flanquent, avec leurs couches extérieures comme circuits magnétiques principaux. Le bobinage de commande entoure les matériaux magnétiques.
Principe : Lors de l'exploitation normale du réseau (aucune suppression d'harmoniques/régulation réactive n'est nécessaire), le réacteur détecte la tension, le courant et la puissance réactive. Ces données sont envoyées au système de commande pour évaluer l'état du réseau. Pour la suppression d'harmoniques ou la régulation réactive, le système de commande ajuste le courant du bobinage. Les matériaux magnétiques changent la réactance par magnétisation. Une fois que les paramètres répondent aux spécifications de conception, le courant du bobinage est ajusté à nouveau pour démagnétiser les matériaux jusqu'à une rémanence nulle.
Selon le circuit de conception, en ignorant les flux de fuite primaire et secondaire, nous obtenons :
Où : E1 représente la force électromotrice induite de W1; E2 représente la force électromotrice induite de W2; E3 représente la force électromotrice induite de W3. De plus, en utilisant un circuit T pour équivalenter le réseau à deux ports du réacteur contrôlable, nous pouvons obtenir :
Soit Ik = β Ig, et la valeur d'inductance du port de travail est :
Le coefficient de contrôle de réactance est α, et Ik = αIg. La relation entre la réactance du port de travail et α est :
En connectant le port de travail en parallèle avec le réseau électrique et en traitant U1 comme une constante, on peut obtenir le système d'équations suivant :
Où : Ig et Ik désignent les valeurs efficaces des courants aux deux ports; Uk représente la valeur efficace de la tension au port de commande. Résoudre le système d'équations de la formule (5) permet d'obtenir les indicateurs de performance opérationnelle du réacteur contrôlable.
2.3 Conception du système de commande
Le système de commande comprend un circuit principal (ajustant la rémanence du matériau magnétique) et un sous-système de détection-commande (surveillant les paramètres électriques), travaillant ensemble pour atteindre les objectifs de gestion. Lorsque l'exploitation du réseau nécessite un ajustement de la réactance, le circuit principal applique des courants pour magnétiser/démagnétiser les matériaux, tandis que le sous-système surveille les charges pour maintenir les paramètres optimaux, assurant la stabilité du réseau. Les changements de réactance proviennent des changements d'état magnétique du noyau. La redressement contrôlé permet une sortie en courant alternatif au niveau milliseconde, répondant aux besoins de conversion rapide de l'état magnétique. Le système émet des commandes pour que le réacteur supprime les harmoniques et régule la puissance réactive, maintenant la stabilité du réseau.
Processus d'exploitation : 1) Détecter l'état du réseau, collecter les paramètres et évaluer la stabilité. 2) Lorsque des fluctuations de tension ou des harmoniques se produisent, le système de commande du réacteur émet des commandes. 3) Le circuit principal sort une inductance réglable ; les matériaux magnétiques se magnétisent, modifiant la rémanence/l'état du noyau et donc l'inductance du réacteur. 4) Après l'ajustement, réajuster l'inductance à l'inverse pour démagnétiser les matériaux et réinitialiser le réacteur. Des simulations Matlab ont vérifié la précision du système : un courant de magnétisation de 15 A et une tension de démagnétisation de 220 V avec des formes d'onde stables, répondant aux exigences de magnétisation/démagnétisation.
3 Analyse expérimentale de l'effet de l'ajustement de la réactance
Pour vérifier la performance d'ajustement de la réactance du réacteur, un prototype et un système de commande supportant ont été construits selon la conception et les simulations. Les expériences ont analysé les caractéristiques de distribution de l'inductance et évalué les changements de la qualité de l'énergie du réseau.
3.1 Stabilité du réacteur contrôlable
Dans l'expérience, des données ont été recueillies pour tracer la courbe de caractéristique volt-ampère et la courbe de courant de fonctionnement du réacteur contrôlable. Les résultats montrent que : ① À mesure que la valeur de tension augmente, le courant du bobinage de travail augmente, et les deux présentent une relation linéaire, indiquant qu'à différentes tensions de magnétisation, la valeur d'inductance reste dans une plage relativement constante. ② Lorsque la tension de magnétisation est de 0 à 35 V, l'inductance diminue de 0,74 H à 0,61 H, et la sortie d'inductance est stable, répondant à l'exigence d'ajustement en douceur. La variation de l'inductance avec la tension de magnétisation est présentée dans le tableau 2.
Dans cette étude, la variation de la valeur d'inductance du réacteur contrôlable est réalisée par la magnétisation et la démagnétisation des matériaux magnétiques, ce qui dépend du courant alternatif et du courant continu passant dans le bobinage de commande. Cette opération apportera également des perturbations au bobinage de travail. Il est donc nécessaire d'analyser davantage son processus transitoire de fonctionnement. À cet effet, un oscilloscope mixte-domaine a été utilisé pour collecter les formes d'onde de courant des matériaux magnétiques pendant la magnétisation et la démagnétisation. Les résultats montrent que le réacteur répond rapidement, et la forme d'onde de courant est dans un état stable après la fin de la magnétisation.
3.2 Résultats mesurés de la valeur d'inductance
Lors de l'exploitation réelle du réacteur contrôlable, les valeurs d'inductance obtenues en appliquant différentes tensions de magnétisation sont présentées dans le tableau 3. L'analyse révèle que : ① La valeur d'inductance du réacteur varie approximativement de manière linéaire avec la variation de la rémanence du matériau magnétique. Cela signifie qu'une légère modification de la tension continue peut ajuster efficacement la valeur d'inductance du réacteur. ② En régulant précisément l'état magnétique du matériau magnétique, le réacteur contrôlable peut modifier de manière flexible sa valeur d'inductance, permettant ainsi une compensation efficace de la puissance réactive dans la ligne électrique.
3.3 Changements dans la qualité de l'énergie du réseau électrique
Dans le système d'énergie, les variations de courant et de tension côté haute tension du transformateur avant et après l'utilisation du réacteur contrôlable ont été enregistrées, et les caractéristiques harmoniques ont été observées. Les résultats sont présentés dans le tableau 4. L'analyse montre que : ① Avant l'utilisation du réacteur contrôlable, les variations de courant et de tension côté haute tension étaient complexes, et leurs formes d'onde n'avaient pas de caractéristiques régulières ; après l'utilisation du réacteur contrôlable, les formes d'onde de courant et de tension côté haute tension ont été améliorées et présentaient des caractéristiques régulières. ② Après l'utilisation du réacteur contrôlable, le contenu harmonique a diminué, la puissance active a augmenté, et la qualité de l'énergie a été considérablement améliorée.
4 Conclusion
En conclusion, les réacteurs jouent un rôle crucial dans les systèmes électriques, stabilisant la tension, supprimant les harmoniques, amortissant les oscillations et augmentant le facteur de puissance. Parmi les types existants, les réacteurs à contrôle magnétique, avec un ajustement continu de la réactance, une grande capacité et un faible coût, sont largement utilisés dans les systèmes électriques. Pour résoudre les problèmes de réponse lente et de vibrations de perte élevée des réacteurs à contrôle magnétique, cette étude conçoit un réacteur contrôlable utilisant des matériaux magnétiques nanocomposites.
Conclusions expérimentales : ① Le réacteur répond rapidement, avec des formes d'onde de courant stables après la magnétisation. ② Même de petits changements de tension continue peuvent ajuster efficacement l'inductance. En régulant précisément l'état magnétique des matériaux, le réacteur change de manière flexible l'inductance pour compenser la puissance réactive dans les lignes électriques. ③ Après son application, les formes d'onde de courant et de tension côté haute tension et la qualité de l'énergie s'améliorent considérablement, conviennent à la promotion des réseaux intelligents. À l'avenir, avec de nouveaux matériaux, technologies et procédés, les réacteurs contrôlables seront optimisés pour mieux répondre aux besoins des réseaux intelligents et assurer une exploitation stable du réseau.
