Deseño Estructual e Aplicación de Reactores Controlables para Redes Intelixentes
Os reactores son clave para a compensación de potencia reactiva nos sistemas eléctricos, co foco na investigación dos reactores controlados magneticamente. Unha rede inteligente, que actualiza a tradicional mediante tecnoloxía avanzada, aumenta a seguridade e fiabilidade, elevando as demandas por reactores controlables. Polo tanto, o desenvolvemento de novos tipos é importante. Este artigo, combinando a práctica, explora o seu deseño estrutural e aplicación para impulsar a innovación e mellorar a construción da rede inteligente.
1 Funcións e estado de aplicación dos reactores controlables
1.1 Funcións
Para as redes, os reactores controlables reducen as perdas da rede, elevan o factor de potencia por encima de 0,9, reducen as oscilacións, expanden os límites de amortiguación, aumentan a capacidade de transmisión e melloran a estabilidade de tensión. Para os usuarios, eles: ① Estabilizan a tensión, protexen equipos como transformadores e alargan a vida útil. ② Eliminan harmónicos, reducen as perdas e melloran a seguridade. ③ Reducen o parpadeo de tensión, mellorando a calidade do suministro eléctrico. ④ Reducen as perdas reactivas para usuarios de alta demanda, reducindo os custos de electricidade. ⑤ Permiten a expansión da capacidade a baixo custo mediante a compensación dinámica.
1.2 Estado de aplicación
Os reactores controlables están ampliamente aplicados en sistemas eléctricos, como en utilidades eléctricas, utilidades industriais, xeración de enerxía renovable e outros campos. Con o aumento da demanda de enerxía e a actualización das redes de transmisión e distribución, a demanda de mercado para reactores controlables tamén está en aumento.
Os reactores divídense en tres tipos: control magnético, conmutación de interruptores e control electrónico de interruptores. Os reactores de control magnético ofrecen axuste continuo, gran capacidade e baixo custo, pero teñen resposta lenta, vibración de perdas alta e harmónicos. Os de conmutación de interruptores evitan a vibración/harmónicos, pero axustan de forma discontínua, limitando o uso. Os de control electrónico de interruptores permiten axuste continuo con rápida resposta, pero sofrén harmónicos e alto custo. Os reactores de control magnético son preferidos. Para adaptarse ás redes inteligentes, son necesarias melloras materiais/estruturais e novos deseños.
2 Deseño estrutural dos reactores controlables nas redes inteligentes
A rede inteligente, ou Grid 2.0, basease en redes de comunicación bidireccional. Utiliza novo equipamento, tecnoloxía e métodos para aumentar a seguridade, eficiencia, respeto ao medio ambiente e economía da rede, satisfacendo mellor as necesidades de calidade do suministro eléctrico dos usuarios. Os reactores controlables son clave para a construción da rede inteligente. A continuación, presentase o seu deseño estrutural baseado en materiais magnéticos nanocompósitos.
2.1 Selección de materiais magnéticos
Os materiais magnéticos nanocompósitos consisten en fases duras e blandas magnéticas nanocristalinas. As súas partículas interaccionan, xerando un efecto de intercambio acoplado baixo corrente. Microscopicamente, nas interfaces de fase, os momentos magnéticos reorientan os campos durante a interacción, aumentando a remanencia. Nos reactores controlables: a corrente continua aplicada aos devandos crea un campo de excitación, magnetizando o material; a corrente alternativa forma un campo de atenuación, desmagnetizándoo.
Preparado mediante fundición rápida e templo, o material sofre un recocido para axustar a súa microestrutura. Isto engrandece os gránulos e reduce a coercitividade, satisfacendo as necesidades de axuste.
2.2 Deseño estrutural xeral
A estrutura do reactor controlable comprende barras de ligazón, un núcleo de ferro, abrazadeiras, devandos de traballo, devandos de control e materiais magnéticos nanocompósitos. A columna de excitación, feita de materiais magnéticos e laminas de silicio, está no centro. Os devandos de traballo flanquean a columna, coas súas capas máis externas como circuitos magnéticos principais. O devando de control envolve os materiais magnéticos.
Principio: Durante a operación normal da rede (sen necesidade de supresión de harmónicos/regulación reactiva), o reactor detecta a tensión, corrente e potencia reactiva. Estes datos van ao sistema de control para avaliar o estado da rede. Para supresión de harmónicos ou regulación reactiva, o sistema de control axusta a corrente do devando. Os materiais magnéticos cambian a reactivancia mediante magnetización. Unha vez que os parámetros cumpren as especificacións de deseño, a corrente do devando volve a axustarse para desmagnetizar os materiais de volta a unha remanencia cero.
Segundo o circuito de deseño, ignorando as fluxuras de fuga primaria e secundaria, obtemos:
Onde: E1 representa a forza electromotriz inducida de W1; E2 representa a forza electromotriz inducida de W2; E3 representa a forza electromotriz inducida de W3. Ademais, usando un circuito T para equiparar a rede de dous portos do reactor controlable, podemos obter:
Sexa Ik = β Ig, e o valor de inductancia do porto de traballo é:
O coeficiente de control de reactivancia é α, e Ik = αIg. A relación entre a reactivancia do porto de traballo e α é:
Conectando o porto de traballo en paralelo coa rede eléctrica e tratando U1 como constante, pódese obter o seguinte sistema de ecuacións:
Onde: Ig e Ik denotan os valores efectivos das correntes nos dous portos; Uk representa o valor efectivo da tensión no porto de control. Resolvendo o sistema de ecuacións na Fórmula (5) permite obter os indicadores de rendemento operativo do reactor controlable.
2.3 Deseño do sistema de control
O sistema de control compónse dun circuito principal (axustando a remanencia do material magnético) e un sub-sistema de detección-control (monitorizando parámetros eléctricos), traballando xuntos para lograr os obxectivos de xestión. Cando a operación da rede require o axuste da reactivancia, o circuito principal aplica correntes para magnetizar/desmagnetizar os materiais, mentres que o sub-sistema monitoriza as cargas para manter os parámetros óptimos, asegurando a estabilidade da rede. As cambios de reactivancia derivan de cambios no estado magnético do núcleo. A rectificación controlable permite unha saída de corrente alternativa a nivel de millonésimas, satisfacendo as necesidades de conversión rápida do estado magnético. O sistema emite comandos para que o reactor suprima harmónicos e regule a potencia reactiva, mantendo a estabilidade da rede.
Proceso de operación: 1) Detectar o estado da rede, recoller parámetros e avaliar a estabilidade. 2) Cando ocorran fluctuacións de tensión/harmónicos, o sistema de control do reactor emite comandos. 3) O circuito principal produce inductancia axustable; os materiais magnetízanse, alterando a remanencia/estado do núcleo e, polo tanto, a inductancia do reactor. 4) Posteriormente, a inductancia volve a axustarse para desmagnetizar os materiais e restablecer o reactor. As simulacións de Matlab verificaron a precisión do sistema: 15 A de corrente de magnetización e 220 V de tensión de desmagnetización con formas de onda estables, satisfacendo os requisitos de magnetización/desmagnetización.
3 Análise experimental do efecto de axuste da reactivancia
Para verificar o rendemento de axuste de reactivancia do reactor, construíuse un prototipo e un sistema de control de soporte segundo o deseño e as simulacións. Os experimentos analizáron as características de distribución de inductancia e avaliáron as cambios na calidade da enerxía da rede.
3.1 Estabilidade do reactor controlable
No experimento, recolléronse datos para trazar a curva característica volt-ampere e a curva de corrente de funcionamento do reactor controlable. Os resultados mostran que: ① A medida que o valor de tensión aumenta, a corrente do devando de traballo aumenta, e ambos mostran unha relación linear, indicando que, baixo diferentes voltaxes de magnetización, o valor de inductancia permanece dentro dun rango relativamente constante. ② Cando o voltaxe de magnetización está entre 0-35 V, a inductancia diminúe de 0,74 H a 0,61 H, e a saída de inductancia é estable, satisfacendo o requisito de axuste suave. A variación da inductancia co voltaxe de magnetización amóstrase na Táboa 2.
Neste estudio, a variación do valor de inductancia do reactor controlable lograse a través da magnetización e desmagnetización dos materiais magnéticos, que, a súa vez, depende da corrente alternativa e directa pasada ao devando de control. Esta operación tamén trará perturbacións ao devando de traballo. Polo tanto, é necesario analizar adicionalmente o seu proceso transitorio de funcionamento. Para iso, utilizouse un osciloscopio de dominios mixtos para recoller as formas de onda de corrente dos materiais magnéticos durante a magnetización e desmagnetización. Os resultados mostran que o reactor responde rapidamente, e a forma de onda de corrente está en estado estable tras completarse a magnetización.
3.2 Resultados medidos do valor de inductancia
Durante a operación real do reactor controlable, os valores de inductancia obtidos mediante a aplicación de diferentes voltaxes de magnetización amóstranse na Táboa 3. A análise revela que: ① O valor de inductancia do reactor varía aproximadamente de forma linear coa variación da remanencia do material magnético. Isto significa que mesmo un pequeno cambio no voltaxe DC pode axustar eficazmente o valor de inductancia do reactor. ② Mediante a regulación precisa do estado magnético do material magnético, o reactor controlable pode cambiar flexiblemente o seu valor de inductancia, logrando así unha compensación efectiva da potencia reactiva na liña de enerxía.
3.3 Cambios na calidade da enerxía da rede eléctrica
No sistema eléctrico, rexistrouseen as variacións de corrente e tensión no lado de alta tensión do transformador antes e despois de usar o reactor controlable, e observáronse as características harmónicas. Os resultados amóstranse na Táboa 4. A análise mostra que: ① Antes de usar o reactor controlable, as variacións de corrente e tensión no lado de alta tensión eran complexas, e as súas formas de onda non tiñan características regulares; despois de usar o reactor controlable, as formas de onda de corrente e tensión no lado de alta tensión melloraron e tiveron características regulares evidentes. ② Despois de usar o reactor controlable, o contido harmónico diminuíu, a potencia activa aumentou, e a calidade da enerxía mellorou significativamente.
4 Conclusión
En conclusión, os reactores xogan un papel crucial nos sistemas eléctricos, estabilizando a tensión, suprimindo harmónicos, amortiguando oscilacións e aumentando o factor de potencia. Entre os tipos existentes, os reactores controlados magneticamente, con axuste continuo de reactivancia, gran capacidade e baixo custo, están ampliamente utilizados en sistemas eléctricos. Para abordar problemas como a resposta lenta e a alta vibración de perdas dos reactores controlados magneticamente, este estudio diseña un reactor controlable utilizando materiais magnéticos nanocompósitos.
Conclusións experimentais: ① O reactor responde rapidamente, con formas de onda de corrente estables tras a magnetización. ② Mesmo pequenos cambios no voltaxe DC poden axustar eficazmente a inductancia. Mediante a regulación precisa do estado magnético dos materiais, o reactor cambia flexiblemente a inductancia para compensar a potencia reactiva na liña de enerxía. ③ Despois da aplicación, as formas de onda de corrente e tensión no lado de alta tensión e a calidade da enerxía melloran significativamente, adecuándose á promoción da rede inteligente. No futuro, con novos materiais, tecnoloxías e procesos, os reactores controlables serán optimizados para mellor atender as necesidades da rede inteligente e garantir a estabilidade da operación da rede.
