Strukturális tervezés és alkalmazás irányítható reaktorok esetén intelligens hálózatokban
A reaktorok kulcsfontosságú szerepet játszanak a hatásos teljesítménykompenzációban az energia rendszerekben, különös tekintettel a mágnesesen irányított reaktorokra. A smart grid, amely fejlett technológiák segítségével modernizálja a hagyományos hálózatot, növeli a biztonságot és megbízhatóságot, emellett magasabb igényeket tett a vezérlésre képes reaktorok felé. Így az új típusú reaktorok fejlesztése nagyon fontos. Ez a tanulmány gyakorlati tapasztalatok alapján vizsgálja őket strukturális tervezés és alkalmazás szempontjából, hogy elősegítse az innovációt és javítsa a smart grid építését.
1 Vezérlésre képes reaktorok funkciói és alkalmazási állapota
1.1 Funkciók
Az energia hálózatok számára a vezérlésre képes reaktorok csökkentik a hálózati veszteségeket, növelik a teljesítménytényezőt 0,9 felett, csökkentik a rezgéseket, bővítik a lecsengési határértékeket, növelik a továbbítási kapacitást, és javítják a feszültségstabilitást. A felhasználók számára: ① Stabilizálják a feszültséget, védik a transzformátorok és hasonló berendezések, hosszabbítva a használati élettartamukat. ② Eltavasztják a harmonikus jeleket, csökkentik a veszteségeket, és javítják a biztonságot. ③ Csökkentik a feszültség pillanatnyi változásait, javítva az energia minőségét. ④ Csökkentik a reaktív veszteségeket a nagy energiaszükségletű felhasználóknál, csökkentve az áramköteleket. ⑤ Olcsóbb dinamikus kompenzációval lehetővé teszik a kapacitás kiterjesztését.
1.2 Alkalmazási állapot
A vezérlésre képes reaktorok széles körben használatosak az energia rendszerekben, például az energiaüzemekben, ipari üzemekben, új energia termelési területeken stb. Az energiaigény növekedésével és a hálózat továbbítási és elosztási infrastruktúrájának frissítésével a vezérlésre képes reaktorok piaci igénye is növekszik.
A reaktorok három típusba sorolhatók: mágneses irányítású, kapcsoló-dobozos, és elektronikus kapcsoló-irányítású. A mágneses irányítású reaktorok folyamatos beállítást, nagy kapacitást és alacsony költséget kínálnak, de lassú reakciójuk, nagy veszteségek, rezgések és harmonikus jelek jellemzik őket. A kapcsoló-dobozos reaktorok elkerülik a rezgések és harmonikus jelek problémáját, de folyamatos beállítást nem engedélyeznek, korlátozva a használatukat. Az elektronikus kapcsoló-irányítású típusok folyamatos beállítást és gyors reakciót tesznek lehetővé, de harmonikus jeleket és magas költségeket jelentenek. A mágneses irányítású reaktorokkal kezelhetők. A smart grid-hez való alkalmazáshoz anyag- és szerkezeti fejlesztések, valamint új tervezések szükségesek.
2 Vezérlésre képes reaktorok szerkezeti tervezése a smart grid-ben
A smart grid, vagy Grid 2.0, kétirányú kommunikációs hálózatokon alapszik. Új berendezések, technológiák és módszerek segítségével növeli a hálózat biztonságát, hatékonyságát, környezettudatosabbá és gazdaságosabbá teszi, jobban megfelelve a felhasználók energia minőségi igényeinek. A vezérlésre képes reaktorok kulcsfontosságúak a smart grid építésében. Az alábbiakban a nanokompozit mágneses anyagok alapján történő szerkezeti tervezésük látható.
2.1 Mágneses anyagok kiválasztása
A nanokompozit mágneses anyagok nanokristályos kemény és puha mágneses fázisokból állnak. A részecskék interakciója áram hatására egy csatolt csernédli hatást generál. Mikroszkopikusan, a fázis interfészeken, a mágneses momentumszakaszok újraszerveződnek a mezőkben, növelve a maradék magnetizációt. A vezérlésre képes reaktorokban: DC áramot adunk a teherhurokba, létrehozva egy excitációs mezőt, ami magnetizálja az anyagot; AC áram formál egy gyenge mezőt, ami demagnetizálja azt.
A gyors hűtési öntési módszerrel előkészített anyagot temperálják, hogy finomítják a mikrostruktúrát. Ez növeli a kristályok méretét és csökkenti a coercitivitást, megfelelő beállításokat biztosítva.
2.2 Általános szerkezeti tervezés
A vezérlésre képes reaktor szerkezete tartalmaz rögzítő rúdakat, vaskern, serleg, munkahurokot, vezérlőhurokot és nanokompozit mágneses anyagokat. Az excitációs oszlop, amely mágneses anyagokból és silíciumvaslapokból áll, középen helyezkedik el. A munkahurok körülveszi, a legkülső rétegei a fő mágneses körök. A vezérlőhurok a mágneses anyagok körül van.
Elv: Normál hálózati működés esetén (nincs harmonikus jelek letakarítása vagy reaktív teljesítmény szabályozása szükséges), a reaktor detektálja a feszültséget, áramot és reaktív teljesítményt. Ezek az adatok a vezérlő rendszerhez kerülnek a hálózat állapotának kiértékelésére. Harmonikus jelek letakarításához vagy reaktív teljesítmény szabályozásához a vezérlő rendszer beállítja a hurok áramát. A mágneses anyagok módosítják a reaktanciát a magnetizációval. Amikor a paraméterek megfelelnek a tervezési specifikációknak, a hurok áramát újra beállítják, hogy a anyagokat visszaállítsák nullára a maradék magnetizációjukat.
A tervezési áramkör szerint, figyelmen kívül hagyva a primáris és sekunderis oldali sivár áramokat, a következőt kapjuk:
Ahol: E1 a W1 indukált elektromos erő; E2 a W2 indukált elektromos erő; E3 a W3 indukált elektromos erő. Továbbá, a T-típusú áramkör segítségével ekvivalens kétportú hálózattá alakítva a vezérlésre képes reaktort, a következőt kapjuk:
Legyen Ik = β Ig, és a munkaporthoz tartozó induktancia értéke:
A reaktanciaviszony α, és Ik = αIg. A munkaporthoz tartozó reaktancia és α közötti kapcsolat:
A munkaport párhuzamosan kapcsolva a hálózathoz, U1-et konstansnak tekintve, a következő egyenletrendszert kapjuk:
Ahol: Ig és Ik a két porton érvényes áramok hatásos értékei; Uk a vezérlő porton érvényes feszültség. A (5) formulában található egyenletrendszer megoldásával meghatározhatók a vezérlésre képes reaktor működési mutatói.
2.3 Vezérlő rendszer tervezése
A vezérlő rendszer egy fő áramkört (mágneses anyagok maradék magnetizációjának beállítása) és egy detektáló-vezérlő alrendszert (elektromos paraméterek figyelése) tartalmaz, amelyek együttesen a kezelési célokat valósítják meg. Ha a hálózat működése reaktancia-beállítást igényel, a fő áramkör áramot ad a mágneses anyagok magnetizálásához/demagnetizálásához, míg az alrendszer a terheléseket figyeli, hogy a paraméterek optimális maradjanak, biztosítva a hálózat stabilitását. A reaktancia változásai a mágneses anyagok állapotának változásából erednek. A vezérlésre képes rectifikáció millisekundum-szintű AC kimenetet tesz lehetővé, gyorsan módosítva a mágneses állapotot. A rendszer parancsokat ad a reaktornak a harmonikus jelek letakarításához és a reaktív teljesítmény szabályozásához, fenntartva a hálózat stabilitását.
Működési folyamat: 1) Detektálja a hálózat állapotát, gyűjti a paramétereket, és kiértékeli a stabilitást. 2) Feszültség-fluktuációk vagy harmonikus jelek esetén a reaktor vezérlő rendszere parancsokat ad. 3) A fő áramkör beállítja a módosítható induktanciát; a mágneses anyagok magnetizálódnak, módosítva a maradék magnetizációt és a kernen belüli állapotot, így a reaktor induktanciáját. 4) A beállítás után fordított irányú beállítás történik, hogy demagnetizálja a anyagokat, és visszaállítsa a reaktort. A Matlab szimulációk megerősítették a rendszer pontosságát: 15 A magnetizáló áram és 220 V demagnetizáló feszültség stabil hullámformákkal, megfelelően a magnetizálás és demagnetizálás igényeihez.
3 Reaktancia-beállítás hatásának kísérleti elemzése
A reaktor reaktancia-beállítási teljesítményének ellenőrzéséhez prototípust és támogató vezérlő rendszert készítettek a tervezés és szimulációk alapján. A kísérletek elemztek az induktancia eloszlási jellemzőit, és kiértékelték a hálózat energia minőségének változását.
3.1 A vezérlésre képes reaktor stabilitása
A kísérletben adatokat gyűjtöttek, hogy ábrázolják a vezérlésre képes reaktor volt-ampere jellemző görbéjét és működési áramgörbéjét. Az eredmények szerint: ① Ahogy a feszültség értéke növekszik, a munkahurok áramának értéke is növekszik, és a kettő lineáris kapcsolatban áll, ami azt jelenti, hogy különböző magnetizáló feszültségek mellett az induktancia értéke relatíve állandó tartományban marad. ② 0-35 V-as magnetizáló feszültség esetén az induktancia 0,74 H-ról 0,61 H-ra csökken, és az induktancia kimenete stabil, kielégítve a sima beállítás követelményét. Az induktancia változása a magnetizáló feszültséggel a 2. táblázatban látható.
Ebben a tanulmányban a vezérlésre képes reaktor induktancia értékének változása a mágneses anyagok magnetizálása és demagnetizálása révén valósul meg, ami a vezérlőhurokba áramló váltakozó és egyirányú áramtól függ. Ez a művelet zavarhatja a munkahurokot. Ezért szükséges további elemzést végezni annak működési átmeneti folyamatának. Ezen célra egy vegyes tartományos oscilloszkópot használtak, hogy gyűjtsék a mágneses anyagok áramhullám-formáját a magnetizálás és demagnetizálás közben. Az eredmények szerint a reaktor gyorsan reagál, és a magnetizálás befejezése után az áramhullám-stabil állapotban van.
3.2 Induktancia értékek mérései
A vezérlésre képes reaktor valós működése során a különböző magnetizáló feszültségekkel elért induktancia értékek a 3. táblázatban láthatók. Az elemzés szerint: ① A reaktor induktancia értéke közel lineárisan változik a mágneses anyagok maradék magnetizációjának változásaival. Ez azt jelenti, hogy még a DC feszültség apró változása is hatékonyan beállíthatja a reaktor induktancia értékét. ② A mágneses anyagok állapotának pontos beállításával a vezérlésre képes reaktor rugalmasan változtathatja induktancia értékét, így hatékonyan kompenzálva a hálózati vonal reaktív teljesítményét.
3.3 Az energia hálózat energia minőségének változásai
Az energia rendszerben feljegyezték a transzformátor magasfeszültségi oldalán a vezérlésre képes reaktor használata előtt és után bekövetkezett áram és feszültség változásokat, és megfigyelték a harmonikus jellemzőket. Az eredmények a 4. táblázatban láthatók. Az elemzés szerint: ① A vezérlésre képes reaktor használata előtt a transzformátor magasfeszültségi oldalán a feszültség- és áramváltozások összetettek voltak, és a hullámformáik nem rendelkeztek rendszeres jellemzőkkel; a vezérlésre képes reaktor használata után a transzformátor magasfeszültségi oldalán a feszültség- és áramhullám-formák javultak, és rendszeres jellemzőkkel rendelkeztek. ② A vezérlésre képes reaktor használata után a harmonikus tartalom csökkent, a hasznos teljesítmény növekedett, és a minőség jelentősen javult.
4 Következtetés
Összefoglalva, a reaktorok kulcsfontosságú szerepet játszanak az energia rendszerekben, stabilizálva a feszültséget, letakarítva a harmonikus jeleket, dämpelve a rezgéseket, és növelve a teljesítménytényezőt. A jelenlegi típusok közül a mágneses irányítású reaktorok, amelyek folyamatos reaktancia-beállítást, nagy kapacitást és alacsony költséget kínálnak, széles körben használatosak az energia rendszerekben. A mágneses irányítású reaktorok lassú reakcióidejének és nagy veszteségek, rezgések és harmonikus jelek problémáinak orvoslására ebben a tanulmányban nanokompozit mágneses anyagokkal terveztek egy vezérlésre képes reaktort.
Kísérleti következtetések: ① A reaktor gyorsan reagál, és a magnetizálás után stabil az áramhullám. ② Még a DC feszültség apró változásai is hatékonyan beállíthatják az induktanciát. A mágneses anyagok állapotának pontos beállításával a reaktor rugalmasan változtathatja az induktanciát, így kompenzálva a hálózati vonal reaktív teljesítményét. ③ A használat után a transzformátor magasfeszültségi oldalán a feszültség- és áramhullám-formák, valamint a minőség jelentősen javult, alkalmas a smart grid előmozdítására. A jövőben új anyagok, technológiák és folyamatok segítségével a vezérlésre képes reaktorok optimalizálva lesznek, hogy jobban megfeleljenek a smart grid igényeinek, és garantálják a hálózat stabil működését.
