Strukturni dizajn i primjena upravljivih reaktora za pametne mreže

Reaktori su ključni za kompenzaciju reaktivne snage u električnim sustavima, s magnetno upravljivim reaktorima kao fokusom istraživanja. Pametna mreža, koja unapređuje tradicionalnu mrežu putem napredne tehnologije, povećava sigurnost i pouzdanost, čime se povećavaju zahtjevi za upravljivim reaktorima. Stoga je razvoj novih tipova važan. Ovaj rad, kombinirajući praksu, istražuje njihov strukturni dizajn i primjenu kako bi podstakao inovacije i poboljšao izgradnju pametnih mreža.

1 Funkcije i stanje primjene upravljivih reaktora
1.1 Funkcije

Za mreže, upravljivi reaktori smanjuju gubitke mreže, podižu faktor snage iznad 0,9, smanjuju oscilacije, proširuju granice prigušenja, povećavaju kapacitet prijenosa i poboljšavaju stabilnost napona. Za korisnike, oni: ① Stabiliziraju napon, štite opremu poput transformatora i produžavaju vijek trajanja. ② Eliminiraju harmonike, smanjuju gubitke i poboljšavaju sigurnost. ③ Smanjuju treperenje napona, poboljšavaju kvalitetu struje. ④ Smanjuju reaktivne gubitke za korisnike s visokim potrebama, smanjujući troškove struje. ⑤ Omogućuju proširenje kapaciteta po niskoj cijeni putem dinamičke kompenzacije.

1.2 Stanje primjene

Upravljivi reaktori su široko primjenjeni u električnim sustavima, poput električnih utility, industrijskih utility, novih izvora energije i drugih područja. S porastom potražnje za strujom i nadogradnjom mreža za prijenos i distribuciju, tržišna potražnja za upravljivim reaktorima također raste.

Reaktori se dijele na tri vrste: magnetno upravljive, prekidničke i elektronički prekidničke. Magnetno upravljivi reaktori nude kontinuiranu prilagodbu, veliku kapacitet i niske troškove, ali imaju sporu reakciju, visoke vibracije i harmonike. Prekidnički reaktori izbjegavaju vibracije i harmonike, ali prilagođavaju se diskontinuirano, ograničujući njihovu upotrebu. Elektronički prekidnički tipovi omogućuju kontinuiranu prilagodbu s brzom reakcijom, ali trpe od harmonika i visokih troškova. Magnetno upravljivi reaktori su preferirani. Da bi se prilagodili pametnim mrežama, potrebne su nadogradnje materijala i struktura te novi dizajni.

2 Strukturni dizajn upravljivih reaktora u pametnim mrežama

Pametna mreža, ili Grid 2.0, temelji se na dvosmjernim komunikacijskim mrežama. Koristi novu opremu, tehnologiju i metode kako bi poboljšala sigurnost, učinkovitost, okolišnu prihvatljivost i ekonomiju mreže, bolje zadovoljavajući potrebe korisnika za kvalitetom struje. Upravljivi reaktori su ključni za izgradnju pametnih mreža. Ispod je njihov strukturni dizajn temeljen na nanokompozitnim magnetskim materijalima.

2.1 Odabir magnetskih materijala

Nanokompozitni magnetski materijali sastoje se od nanokristalnih tvrdih i mekih magnetskih faza. Njihove zrna međusobno interagiraju, generirajući spojeni izmjenični efekt pod strujom. Mikroskopski, na sučeljima faza, magnetski momenti reorientiraju polja tijekom interakcije, povećavajući ostatak magnetizacije. U upravljivim reaktorima: jednosmjerna struja primijenjena na obмотке створију магнетни поље, магнетизирајући материјал; наизменична стрuja формира аттенуационо поље, демагнетизирајући га.

Припремљен путем брзог захлађивања топљене масе, материјал подвргава се темперирању да би се приспособио свој микроструктура. Ово увећава зrna и смањује коерцитивност, задовољавајући потребе за прилагођавањем.

2.2 Opći strukturni dizajn

Struktura upravljivog reaktora sastoji se od veznih štapova, željeznog jezgra, klešta, radnih obмотка, kontrolnih обмотака и нанокомпозитних магнетних материјала. Ексцитациски стуб, направљен од магнетних материјала и силнца, nalazi se u centru. Radne обмотке su na njegovoj strani, s njihovim najvanijim slojem kao glavnim magnetskim krugom. Kontrolna обмотка обвија магнетне материјале.

Princip: Tijekom normalne operacije mreže (bez potrebe za supresijom harmonika/regulacijom reaktivne snage), reaktor detektira napon, struju i reaktivnu snagu. Ovi podaci idu u kontrolni sustav za procjenu statusa mreže. Za supresiju harmonika ili regulaciju reaktivne snage, kontrolni sustav prilagođava struju у обмоткама. Магнетни материјали mijenjaju reaktivnu impedanciju putem магнетизације. Kada parametri zadovoljavaju projektne specifikacije, struja у обмоткама ponovo se prilagođava kako bi demagnetizirala materijale natrag na nultu ostavštinu magnetizacije.

Prema projektiranom krugu, ignorirajući utjecaje fluktuacije na primarnoj i sekundarnoj strani, dobivamo:

Gdje: E₁ predstavlja induciranu elektromotornu snagu W₁; E₂ predstavlja induciranu elektromotornu snagu W₂; E₃ predstavlja induciranu elektromotornu snagu W₃. Nadalje, korištenjem T-kruga za ekvivalenciju dvoportnog mrežnog elementa upravljivog reaktora, možemo dobiti:

Neka je I_k = β I_g, i vrijednost indukcije radnog porta je:

Koeficijent upravljanja reaktivnom impedancijom je α, i I_k = αI_g. Odnos reaktivne impedancije radnog porta i α je:

Spojivši radni port paralelno s električnom mrežom i uzimajući U₁ kao konstantu, može se dobiti sljedeći sustav jednadžbi:

Gdje: I_g i I_k označavaju efektivne vrijednosti struja na dva porta; U_k predstavlja efektivnu vrijednost napona na kontrolnom portu. Rješavanjem sustava jednadžbi u Formuli (5) mogu se dobiti pokazatelji radnog performansa upravljivog reaktora.

2.3 Dizajn kontrolnog sustava

Kontrolni sustav sastoji se od glavnog kruga (prilagođavanje ostatka magnetizacije magnetskih materijala) i podsustava za otkrivanje i kontrolu (nadgledanje električnih parametara), koji zajedno postižu ciljeve upravljanja. Kada operacija mreže zahtijeva prilagodbu reaktivne impedancije, glavni krug primjenjuje struje da magnetizira/demagnetizira materijale, dok podsustav nadgleda opterećenja kako bi održao parametre optimalne, osiguravajući stabilnost mreže. Promjene reaktivne impedancije dolaze od promjena magnetskog stanja jezgra. Upravljiva rektifikacija omogućuje milisekundske AC izlaze, zadovoljavajući potrebe za brzom pretvorom magnetskog stanja. Sustav daje naredbe reaktoru da suprimira harmonike i regulira reaktivnu snagu, održavajući stabilnost mreže.

Proces rada: 1) Otkrijte status mreže, prikupite parametre i procijenite stabilnost. 2) Kada dođe do fluktuacija napona/harmonika, kontrolni sustav reaktora daje naredbe. 3) Glavni krug daje prilagodljivu indukciju; materijali se magnetiziraju, mijenjajući ostatak magnetizacije/stanje jezgra i time indukciju reaktora. 4) Nakon prilagodbe, obrnuta prilagodba indukcije demagnetizira materijale i resetira reaktor. Matlab simulacije su verificirale točnost sustava: 15 A magnetizacijska struja i 220 V demagnetizacijski napon s stabilnim valnim oblicima, zadovoljavajući zahtjeve za magnetizacijom i demagnetizacijom.

3 Eksperimentalna analiza učinka prilagodbe reaktivne impedancije

Da bi se provjerila performansa prilagodbe reaktivne impedancije reaktora, prototip i podržavajući kontrolni sustav su izgrađeni prema projektu i simulacijama. Eksperimenti su analizirali karakteristike raspodjele indukcije i procijenili promjene kvalitete struje u mreži.

3.1 Stabilnost upravljivog reaktora

U eksperimentu, podaci su prikupljeni za crtanje karakteristične krive volt-ampera i radne struje upravljivog reaktora. Rezultati pokazuju da: ① Kako se vrijednost napona povećava, struja u radnim обмоткама raste, i ta dva pokazuju linearnu vezu, što ukazuje da se pod različitim magnetizacijskim naponima, vrijednost indukcije održava unutar relativno konstantnog raspona. ② Kada je magnetizacijski napon 0-35 V, indukcija pada sa 0,74 H na 0,61 H, a izlaz indukcije je stabilan, zadovoljavajući zahtjev za gladkom prilagodbom. Promjena indukcije s magnetizacijskim naponom prikazana je u Tablici 2.

U ovom istraživanju, promjena vrijednosti indukcije upravljivog reaktora postignuta je putem magnetizacije i demagnetizacije magnetskih materijala, što na svojim redoslijedu ovisi o strujama koje se prosipa u kontrolne обмотке. Ova operacija će također donijeti perturbacije u radnim обмоткама. Stoga je potrebno dalje analizirati njegov radni prelazni proces. U tom smislu, korišten je osciloskop za međusobno promatranje strujnih valnih oblika magnetskih materijala tijekom magnetizacije i demagnetizacije. Rezultati pokazuju da reaktor brzo reagira, a strujni valni oblik je u stabilnom stanju nakon završetka magnetizacije.

3.2 Mjerene rezultate vrijednosti indukcije

Tijekom stvarnog rada upravljivog reaktora, vrijednosti indukcije dobivene primjenom različitih magnetizacijskih napona prikazane su u Tablici 3. Analiza pokazuje da: ① Vrijednost indukcije reaktora približno linearne varira s promjenom ostatka magnetskog materijala. To znači da čak i malo promjena DC napona može efektivno prilagoditi vrijednost indukcije reaktora. ② Preciznom regulacijom magnetskog stanja magnetskog materijala, upravljivi reaktor može fleksibilno mijenjati svoju indukciju, time ostvarujući učinkovitu kompenzaciju reaktivne snage u električnoj liniji.

3.3 Promjene kvalitete struje u mreži

U električnom sustavu, bilježene su promjene struje i napona na visokonaponskoj strani transformatora prije i poslije upotrebe upravljivog reaktora, te su promatrane harmonijske karakteristike. Rezultati su prikazani u Tablici 4. Analiza pokazuje da: ① Prije upotrebe upravljivog reaktora, promjene struje i napona na visokonaponskoj strani bile su složene, a njihovi valni oblici nemaju regularne značajke; nakon upotrebe upravljivog reaktora, valni oblici struje i napona na visokonaponskoj strani su poboljšani i imaju očite regularne značajke. ② Nakon upotrebe upravljivog reaktora, smanjio se sadržaj harmonika, povećala se aktivna snaga, a kvaliteta struje je značajno poboljšana.

4 Zaključak

Zaključno, reaktori igraju ključnu ulogu u električnim sustavima, stabilizirajući napon, suprimirajući harmonike, prigušavajući oscilacije i povećavajući faktor snage. Među postojećim vrstama, magnetski upravljivi reaktori, s kontinuiranom prilagodbom reaktivne impedancije, velikom kapacitetom i niskim troškovima, široko su primjenjeni u električnim sustavima. Da bi se riješile probleme poput spore reakcije i visokih gubitaka vibracija magnetskih upravljivih reaktora, ovo istraživanje dizajnira upravljivi reaktor koristeći nanokompozitne magnetske materijale.

Eksperimentalni zaključci: ① Reaktor brzo reagira, s stabilnim strujnim valnim oblicima nakon magnetizacije. ② Čak i male promjene DC napona mogu efektivno prilagoditi indukciju. Preciznom regulacijom magnetskog stanja materijala, reaktor fleksibilno mijenja indukciju kako bi kompenzirao reaktivnu snagu u električnim linijama. ③ Nakon primjene, valni oblici struje i napona na visokonaponskoj strani te kvaliteta struje značajno se poboljšavaju, prikladni za promociju pametnih mreža. U budućnosti, s novim materijalima, tehnologijama i procesima, upravljivi reaktori bit će optimizirani kako bi bolje zadovoljavali potrebe pametnih mreža i osigurali stabilnu operaciju mreže.