עיצוב מבני ויישום של ריאקטורים בקרות עבור רשתות חכמות
ריאקטורים הם מפתח לפיצוי כוח ריאקטיבי במערכות חשמל, עם ריאקטורים בשליטה מגנטית כמוקד מחקר. הרשת החכמה, המעדכנת את הרשת המסורתית באמצעות טכנולוגיה מתקדמת, מגבירה את הבטיחות והאמינות ומעלה דרישות לריאקטורים בשליטה. לכן, פיתוח סוגים חדשים הוא חשוב. מאמר זה, שמשלב תרגול, חוקר את התכנון האבנאי שלהם ושימושם כדי לקדם חדשנות ולהגביר את בניית הרשת החכמה.
1 פונקציות והצבת שימוש של ריאקטורים בשליטה
1.1 פונקציות
עבור רשתות, ריאקטורים בשליטה מפחיתים אובדן רשת, מגבירים את גורם הכוח מעל 0.9, מפחיתים תנודות, מרחיבים גבולות דמפינג, מגבירים את יכולת ההעברה ומגבירים יציבות מתח. עבור משתמשים, הם: ① מגבירים יציבות מתח, מגינים על ציוד כמו טרנספורמרים ומאריכים את תקופת השירות. ② מנקים הרמוניות, מפחיתים אובדן ומגבירים בטיחות. ③ מצמצמים זיהום מתח, מגבירים איכות חשמל. ④ מפחיתים אובדן ריאקטיבי למשתמשים בעלי דרישות גבוהות, מפחיתים עלויות חשמל. ⑤ מאפשרים הרחבת קיבולת במחיר נמוך באמצעות פיצוי דינמי.
1.2 מצב שימוש
ריאקטורים בשליטה נמצאים בשימוש נרחב במערכות חשמל, כגון בחברות חשמל, בתעשייה, בייצור אנרגיה ממקורות חידושים ועוד. עם עליית דרישת החשמל והשדרוג של רשתות ההעברה וההפצה, גם הדרישה לשוק לריאקטורים בשליטה עולה.
ריאקטורים מתחלקים לשלושה סוגים: בשליטה מגנטית, בשליטה בהטלת מתגים ובשליטה באמצעות מתגים אלקטרוניים. ריאקטורים בשליטה מגנטית מציעים התאמה רציפה, קיבולת גדולה ומחיר נמוך אך יש להם תגובה איטית, אובדן ורטיזציה גבוה והרמוניות. ריאקטורים בהטלת מתגים נמנעים מוורטיזציה/הרמוניות אך להתאמה לא רציפה, מה שמגביל את השימוש בהם. סוגי מתגים אלקטרוניים מאפשרים התאמה רציפה עם תגובה מהירה אך סובלים מהרמוניות ומחיר גבוה. ריאקטורים בשליטה מגנטית מועדף עליהם. כדי להתאים לרשתות חכמות, נדרשים שיפורים בחומרים ומבנה ועיצובים חדשים.
2 תכנון מבני של ריאקטורים בשליטה ברשתות חכמות
הרשת החכמה, או רשת 2.0, מבוססת על רשתות תקשורת דו-כיווניות. היא משתמשת באבזרים חדשים, טכנולוגיות וطرق כדי להגביר את הבטיחות, היעילות, ידידות הסביבה והכלכלה של הרשת, ולספק טוב יותר את הצרכים באיכות החשמל של המשתמשים. ריאקטורים בשליטה הם מפתח לבניית רשת חכמה. להלן תכנון מבני שלהם בהתבסס על חומרים מגנטיים ננומימיקים.
2.1 בחירת חומרים מגנטיים
חומרים מגנטיים ננומימיקים מורכבים מפאזה קשה ומגנטית רכה בננו-גבישי. גרעיניהם מתפעלים ויוצרים אפקט חילוף משולב תחת זרם. במיקרוסקופ, בפאות הפאזה, מומנטים מגנטיים מכוונים מחדש השדות במהלך האינטראקציה, מגבירים את השאריות. בריאקטורים בשליטה: זרם ישר הנישא על הקטרים יוצר שדה מגרש, מגנטיז את החומר; זרם חילופין יוצר שדה מפחית, מדמגנטיז אותו.
החומר מוכן באמצעות קירור מהיר של מזיגה, עובר תהליך קילוף כדי להתאים את המיקרו-מבנה שלו. זה מגדיל את הגבישים ומפחית את הקוארציביות, כדי לעמוד בדרישות התאמה.
2.2 תכנון מבני כללי
המבנה של הריאקטור בשליטה כולל מסמרים, ליבה, מחזיקים, קטרים עבודה, קטרים שליטה וחומרים מגנטיים ננומימיקים. העמוד המגרש, עשוי מחומרים מגנטיים ופלטות סיליקון, נמצא במרכז. קטרים עבודה נמצאים מעליו, שכבות החיצוניות שלהם הן המעגלים המגנטיים העיקריים. קטר שליטה מטפטף סביב החומרים המגנטיים.
עקרון: במהלך פעולת רשת נורמלית (לא נדרש מדבקת הרמוניות/רגולציה ריאקטיבית), הריאקטור מאתר מתח, זרם וכח ריאקטיבי. הנתונים האלה הולכים למערכת השליטה כדי להעריך את מצב הרשת. לצורך מדבקת הרמוניות או רגולציה ריאקטיבית, מערכת השליטה משנה את זרם הקטרים. חומרים מגנטיים משנים ריאקטנס דרך מגנטיזציה. כאשר הפרמטרים עומדים בפרטים התכנוניים, זרם הקטרים מותאם שוב כדי לדמגנטיז את החומרים בחזרה לשאריות אפס.
לפי מעגל התכנון, תוך התעלמות מהלכי השטף של הצד הראשי והצד המשני, מקבלים:
כאשר: E1 מייצג את המתח המושרה של W1; E2 מייצג את המתח המושרה של W2; E3 מייצג את המתח המושרה של W3. נוסף על כך, באמצעות שימוש במעגל T כדי לשוות את הרשת הדו-פורט של הריאקטור בשליטה, ניתן לקבל:
יהיה Ik = β Ig, והערך של האינדוקטיביות של הפורט העבודה הוא:
מקדם שליטה ריאקטנס הוא α, וIk = αIg. הקשר בין הריאקטנס של הפורט העבודה לα הוא:
על ידי חיבור הפורט העבודה במקביל לרשת החשמל וטיפול בU1 כקבוע, ניתן לקבל את מערכת המשוואות הבאה:
כאשר: Ig וIk מייצגים את הערכים האפקטיביים של הזרמים בפורטים; Uk מייצג את הערך האפקטיבי של המתח בפורט השליטה. פתירת מערכת המשוואות בנוסחה (5) מאפשרת לקבל את מדדי ביצועי הפעילות של הריאקטור בשליטה.
2.3 תכנון מערכת השליטה
מערכת השליטה כוללת מעגל ראשי (משנה את השאריות של החומרים המגנטיים) ואת תת-המערכת של גילוי-שליטה (ממשיכה אחרי פרמטרים חשמליים), עובדת יחד כדי להשיג יעדי ניהול. כשהתפעול של הרשת דורש התאמה של ריאקטנס, המעגל הראשי מפעיל זרמים כדי למגנטיז/מדמגנטיז חומרים, בעוד שתת-המערכת ממשיכה אחרי עומסים כדי לשמור על פרמטרים אופטימליים, ומסייעת ליציבות הרשת. שינויים בריאקטנס נובעים משינויים במצב המגנטי של הליבה. מתקנת בשליטה מאפשרת פלט חילופין ברמה של מילישניות, המקיימת את הצרכים של המרה מהירה של מצב מגנטי. המערכת מוציאה פקודות לריאקטור כדי לדכא הרמוניות ולרגול כח ריאקטיבי, ומשמרת את יציבות הרשת.
תהליך פעולה: 1) גילוי מצב הרשת, איסוף פרמטרים והערכת יציבות. 2) כשיש תנודות מתח/הרמוניות, מערכת השליטה של הריאקטור מוציאה פקודות. 3) המעגל הראשי מפיק אינדוקטיביות מתכווננת; החומרים ממגנטיזים, משנים את השאריות/מצב הליבה ולכן את האינדוקטיביות של הריאקטור. 4) לאחר התאמה, התאמה הפוכה של האינדוקטיביות כדי למדמגנטיז את החומרים ולהחזיר את הריאקטור למצבו המקורי. סימולציות ב-Matlab אישרו דיוק של המערכת: 15 אמפר זרם מגנטיזציה ו-220 וולט מתח דמגנטיזציה עם צורות גל יציבות, מקיימות את דרישות המגנטיזציה/מדמגנטיזציה.
3 ניתוח ניסיוני של אפקט התאמה ריאקטנס
כדי לוודא את ביצועי התאמה ריאקטנס של הריאקטור, נבנה פרוטוטיפ ומערכת שליטה תומכת בהתאם לתכנון וסימולציות. ניסויים ניתחו את תכונות הפיזור של האינדוקטיביות והעריכו את השינויים באיכות החשמל של הרשת.
3.1 יציבות של הריאקטור בשליטה
בניסוי, נאספו נתונים כדי לשרטט את עקומת התכונות הוולט-אמפר והעומס של הריאקטור בשליטה. התוצאות מראות כי: ① ככל שהערך של המתח עולה, הזרם של הקטר עבודה עולה, ושניהם מראים קשר ליניארי, מה שמראה כי בהקשר למתחים מגנטיים שונים, ערך האינדוקטיביות נשאר בתחום קבוע באופן יחסי. ② כאשר המתח המגנטי הוא 0-35 וולט, האינדוקטיביות יורדת מ-0.74 H ל-0.61 H, והפלט של האינדוקטיביות הוא יציב, עומד בדרישה להתאמה חלקה. השינוי באינדוקטיביות עם המתח המגנטי מוצג בטבלה 2.
במחקר זה, השינוי בערך האינדוקטיביות של הריאקטור בשליטה מתבצע באמצעות המגנטיזציה והדמגנטיזציה של החומרים המגנטיים, שבדורה תלוי בזרם חילופין וזרם ישר שנכנס לקטר השליטה. פעולה זו תביא גם הפרעות לקטר העבודה. לכן, יש צורך לנתח עוד את תהליך העבודה הזמני שלו. לשם כך, השתמשנו באוסצילוסקופ רב-תחומי כדי לאסוף את צורות הגל של הזרמים של החומרים המגנטיים במהלך המגנטיזציה והדמגנטיזציה. התוצאות מראות כי הריאקטור מגיב במהירות, וצורת הגל של הזרם היא במצב יציב לאחר השלמת המגנטיזציה.
3.2 תוצאות מדידות של ערך האינדוקטיביות
במהלך הפעולה האמיתית של הריאקטור בשליטה, הערכים של האינדוקטיביות שנשיגים על ידי החלפת מתח מגנטי שונים מוצגים בטבלה 3. האנליזה מראה כי: ① ערך האינדוקטיביות של הריאקטור משתנה באופן ליניארי בערך עם השינוי בשאריות החומרים המגנטיים. זה אומר שאפילו שינוי קטן במתח הזרם הישר יכול להתאים בצורה אפקטיבית את ערך האינדוקטיביות של הריאקטור. ② על ידי מתן שליטה מדוייקת מצב החומרים המגנטיים, הריאקטור בשליטה יכול לשנות באופן גמיש את ערך האינדוקטיביות שלו, ובכך להשיג פיצוי יעיל של כוח הריאקטיבי בקו החשמל.
3.3 שינויים באיכות החשמל של הרשת
במערכת החשמל, נרשמו השינויים בזרם ובמתח על הצד הגבוה של הטרנספורמר לפני ואחרי השימוש בריאקטור בשליטה, ונבחנו תכונות ההרמוניות. התוצאות מוצגות בטבלה 4. האנליזה מראה כי: ① לפני שימוש בריאקטור בשליטה, השינויים בזרם ובמתח על הצד הגבוה היו מורכבים, וצורות הגל שלהם לא היו בעלות תכונות סדירות; לאחר השימוש בריאקטור בשליטה, צורות הגל של הזרם והמתח על הצד הגבוה שופרו והיו בעלות תכונות סדירות ברורות. ② לאחר השימוש בריאקטור בשליטה, תוכן ההרמוניות ירד, כוח פעיל עלה, ואיכות החשמל שופרה באופן משמעותי.
4 סיכום
לסיכום, ריאקטורים משחקים תפקיד קריטי במערכות חשמל, מגבירים יציבות מתח, מדכאים הרמוניות, מדמפים תנודות ומגבירים גורם כוח. מבין הסוגים הקיימים, ריאקטורים בשליטה מגנטית, עם התאמה רציפה של ריאקטנס, קיבולת גדולה ומחיר נמוך, נמצאים בשימוש נרחב במערכות חשמל. כדי להתמודד עם בעיות כמו תגובה איטית וויברציות אובדן גבוה של ריאקטורים בשליטה מגנטית, המחקר מתכנן ריאקטור בשליטה באמצעות חומרים מגנטיים ננומימיקים.
מסקנות ניסיוניות: ① הריאקטור מגיב במהירות, עם צורות גל יציבות של זרם לאחר המגנטיזציה. ② אפילו שינויים קטנים במתח זרם ישר יכולים להתאים בצורה אפקטיבית את האינדוקטיביות. על ידי מתן שליטה מדוייקת במצב המגנטי של החומרים, הריאקטור משנה באופן גמיש את האינדוקטיביות כדי לפצות על כוח ריאקטיבי בקו החשמל. ③ לאחר השימוש, צורות הגל של הזרם והמתח על הצד הגבוה והאיכות של החשמל משתפרים משמעותית, מתאימים להפצה של רשת חכמה. בעתיד, עם חומרים, טכנולוגיות ותהליכים חדשים, ריאקטורים בשליטה יופטמו כדי לעמוד בדרישות של רשת חכמה ולבטיח תפעול יציב של הרשת.
