Progettazione strutturale e applicazione di reattori controllabili per smart grid
I reattori sono fondamentali per la compensazione del potere reattivo nei sistemi elettrici, con i reattori controllati magneticamente come focus di ricerca. Una smart grid, che aggiorna quella tradizionale attraverso tecnologie avanzate, aumenta la sicurezza e l'affidabilità, elevando le esigenze per reattori controllabili. Pertanto, lo sviluppo di nuovi tipi è importante. Questo articolo, combinando pratica, esplora il loro design strutturale e applicazione per promuovere l'innovazione e migliorare la costruzione della smart grid.
1 Funzioni e stato dell'applicazione dei reattori controllabili
1.1 Funzioni
Per le reti, i reattori controllabili riducono le perdite di rete, elevano il fattore di potenza oltre 0,9, riducono le oscillazioni, espandono i limiti di smorzamento, aumentano la capacità di trasmissione e migliorano la stabilità della tensione. Per gli utenti, essi: ① Stabilizzano la tensione, proteggono dispositivi come trasformatori e prolungano la vita utile. ② Eliminano armoniche, riducono le perdite e migliorano la sicurezza. ③ Riducono il tremolio della tensione, migliorando la qualità dell'energia. ④ Riducono le perdite reattive per utenti ad alta richiesta, abbassando i costi elettrici. ⑤ Consentono l'espansione della capacità a basso costo tramite compensazione dinamica.
1.2 Stato dell'applicazione
I reattori controllabili sono ampiamente applicati nei sistemi elettrici, come in imprese elettriche, utilità industriali, generazione di energia da fonti rinnovabili e altri campi. Con l'aumento della domanda di energia e l'aggiornamento delle reti di trasmissione e distribuzione, la domanda di mercato per i reattori controllabili è in crescita.
I reattori si dividono in tre tipi: controllo magnetico, lancio di interruttori e controllo elettronico degli interruttori. I reattori a controllo magnetico offrono un'adeguamento continuo, grande capacità e basso costo ma hanno una risposta lenta, vibrazioni e perdite elevate, nonché armoniche. Quelli a lancio di interruttori evitano vibrazioni/armoniche ma regolano discontinuamente, limitando l'uso. I tipi a interruttori elettronici consentono un'adeguamento continuo con rapida risposta ma soffrono di armoniche e alto costo. I reattori a controllo magnetico sono preferiti. Per adattarsi alle smart grid, sono necessari aggiornamenti di materiali/strutture e nuovi design.
2 Design strutturale dei reattori controllabili nelle smart grid
La smart grid, o Grid 2.0, si basa su reti di comunicazione bidirezionali. Utilizza nuova attrezzatura, tecnologie e metodi per aumentare la sicurezza, l'efficienza, l'ecologia e l'economia della rete, soddisfacendo meglio le esigenze di qualità dell'energia degli utenti. I reattori controllabili sono fondamentali per la costruzione della smart grid. Di seguito è presentato il loro design strutturale basato su materiali magnetici nanocompositi.
2.1 Selezione dei materiali magnetici
I materiali magnetici nanocompositi sono costituiti da fasi dure e morbide magnetiche nanocristalline. Le loro grana interagiscono, generando un effetto di scambio accoppiato sotto corrente. Microscopicamente, alle interfacce di fase, i momenti magnetici riorientano i campi durante l'interazione, aumentando la rimanenza. Nei reattori controllabili: la CC applicata agli avvolgimenti crea un campo di eccitazione, magnetizzando il materiale; la CA forma un campo attenuante, demagnetizzandolo.
Preparato tramite raffreddamento rapido del fuso, il materiale subisce una tempra per regolare la sua microstruttura. Ciò ingrandisce le grane e riduce la coercitività, soddisfacendo le esigenze di regolazione.
2.2 Design strutturale complessivo
La struttura del reattore controllabile comprende barre di collegamento, nucleo di ferro, morsetti, avvolgimenti di lavoro, avvolgimenti di controllo e materiali magnetici nanocompositi. La colonna di eccitazione, realizzata con materiali magnetici e lamierini di silicio, si trova al centro. Gli avvolgimenti di lavoro la fiancheggiano, con i loro strati esterni come circuiti magnetici principali. L'avvolgimento di controllo avvolge i materiali magnetici.
Principio: Durante l'operazione normale della rete (senza necessità di soppressione di armoniche/regolazione reattiva), il reattore rileva tensione, corrente e potere reattivo. Questi dati vengono inviati al sistema di controllo per valutare lo stato della rete. Per la soppressione di armoniche o la regolazione reattiva, il sistema di controllo regola la corrente degli avvolgimenti. I materiali magnetici cambiano la reattività attraverso la magnetizzazione. Una volta che i parametri soddisfano le specifiche di progettazione, la corrente degli avvolgimenti viene regolata di nuovo per demagnetizzare i materiali tornando a zero rimanenza.
Secondo il circuito di progettazione, ignorando i flussi di dispersione primario e secondario, otteniamo:
Dove: E1 rappresenta la forza elettromotrice indotta di W1; E2 rappresenta la forza elettromotrice indotta di W2; E3 rappresenta la forza elettromotrice indotta di W3. Inoltre, utilizzando un circuito a T per equiparare la rete a due porte del reattore controllabile, possiamo ottenere:
Sia Ik = β Ig, e il valore di induttanza della porta di lavoro è:
Il coefficiente di controllo della reattività è α, e Ik = αIg. La relazione tra la reattività della porta di lavoro e α è:
Collegando la porta di lavoro in parallelo con la rete elettrica e trattando U1 come costante, si ottiene il seguente sistema di equazioni:
Dove: Ig e Ik denotano i valori efficaci delle correnti alle due porte; Uk rappresenta il valore efficace della tensione alla porta di controllo. Risolvendo il sistema di equazioni nella Formula (5) si possono ottenere gli indicatori di prestazione operativa del reattore controllabile.
2.3 Progettazione del sistema di controllo
Il sistema di controllo comprende un circuito principale (che regola la rimanenza del materiale magnetico) e un sottosistema di rilevamento-controllo (che monitora i parametri elettrici), lavorando insieme per raggiungere gli obiettivi di gestione. Quando l'operazione della rete richiede un'adeguamento della reattività, il circuito principale applica correnti per magnetizzare/demagnetizzare i materiali, mentre il sottosistema monitora i carichi per mantenere i parametri ottimali, assicurando la stabilità della rete. I cambiamenti di reattività derivano dai cambiamenti dello stato magnetico del nucleo. La rettificazione controllabile consente un'uscita AC a livello di millisecondi, soddisfacendo le esigenze di conversione rapida dello stato magnetico. Il sistema emette comandi per il reattore per sopprimere le armoniche e regolare il potere reattivo, mantenendo la stabilità della rete.
Processo di funzionamento: 1) Rileva lo stato della rete, raccoglie i parametri e valuta la stabilità. 2) Quando si verificano fluttuazioni di tensione/armoniche, il sistema di controllo del reattore emette comandi. 3) Il circuito principale fornisce un'induttanza regolabile; i materiali si magnetizzano, alterando la rimanenza/lo stato del nucleo e quindi l'induttanza del reattore. 4) Dopo l'adeguamento, si riconfigura l'induttanza per demagnetizzare i materiali e resettare il reattore. Simulazioni Matlab hanno verificato l'accuratezza del sistema: 15 A di corrente di magnetizzazione e 220 V di tensione di demagnetizzazione con forme d'onda stabili, soddisfacendo i requisiti di magnetizzazione/demagnetizzazione.
3 Analisi sperimentale dell'effetto di adeguamento della reattività
Per verificare le prestazioni di adeguamento della reattività del reattore, è stato costruito un prototipo e un sistema di controllo di supporto secondo il design e le simulazioni. Gli esperimenti hanno analizzato le caratteristiche di distribuzione dell'induttanza e valutato i cambiamenti nella qualità dell'energia della rete.
3.1 Stabilità del reattore controllabile
Nell'esperimento, sono stati raccolti dati per tracciare la curva caratteristica volt-ampère e la curva di corrente di funzionamento del reattore controllabile. I risultati mostrano che: ① Man mano che aumenta il valore di tensione, la corrente dell'avvolgimento di lavoro aumenta, e i due mostrano una relazione lineare, indicando che, sotto diverse tensioni di magnetizzazione, il valore di induttanza rimane all'interno di un intervallo relativamente costante. ② Quando la tensione di magnetizzazione è 0-35 V, l'induttanza diminuisce da 0,74 H a 0,61 H, e l'uscita di induttanza è stabile, soddisfacendo il requisito di adeguamento liscio. La variazione dell'induttanza con la tensione di magnetizzazione è mostrata nella Tabella 2.
In questo studio, il cambiamento del valore di induttanza del reattore controllabile è ottenuto attraverso la magnetizzazione e la demagnetizzazione dei materiali magnetici, che a sua volta dipende dalla corrente alternata e continua passata nell'avvolgimento di controllo. Questa operazione porterà anche disturbi all'avvolgimento di lavoro. Pertanto, è necessario analizzare ulteriormente il suo processo transitorio di funzionamento. A tal fine, è stato utilizzato un oscilloscopio a dominio misto per raccogliere le forme d'onda della corrente dei materiali magnetici durante la magnetizzazione e la demagnetizzazione. I risultati mostrano che il reattore risponde rapidamente, e la forma d'onda della corrente è in uno stato stabile dopo il completamento della magnetizzazione.
3.2 Risultati misurati del valore di induttanza
Durante l'effettiva operazione del reattore controllabile, i valori di induttanza ottenuti applicando diverse tensioni di magnetizzazione sono mostrati nella Tabella 3. L'analisi rivela che: ① Il valore di induttanza del reattore varia approssimativamente in modo lineare con la variazione della rimanenza del materiale magnetico. Ciò significa che anche un piccolo cambiamento della tensione continua può regolare efficacemente il valore di induttanza del reattore. ② Regolando con precisione lo stato magnetico del materiale magnetico, il reattore controllabile può flessibilmente cambiare il suo valore di induttanza, conseguentemente ottenendo una compensazione efficace del potere reattivo nella linea elettrica.
3.3 Cambiamenti nella qualità dell'energia della rete elettrica
Nel sistema elettrico, sono stati registrati i cambiamenti di corrente e tensione sul lato ad alta tensione del trasformatore prima e dopo l'uso del reattore controllabile, e sono state osservate le caratteristiche armoniche. I risultati sono mostrati nella Tabella 4. L'analisi mostra che: ① Prima dell'uso del reattore controllabile, i cambiamenti di corrente e tensione sul lato ad alta tensione erano complessi, e le loro forme d'onda non avevano caratteristiche regolari; dopo l'uso del reattore controllabile, le forme d'onda di corrente e tensione sul lato ad alta tensione sono migliorate e hanno caratteristiche regolari evidenti. ② Dopo l'uso del reattore controllabile, il contenuto armonico è diminuito, la potenza attiva è aumentata, e la qualità dell'energia è stata significativamente migliorata.
4 Conclusione
In conclusione, i reattori svolgono un ruolo cruciale nei sistemi elettrici, stabilizzando la tensione, sopprimendo le armoniche, smorzando le oscillazioni e aumentando il fattore di potenza. Tra i tipi esistenti, i reattori controllati magneticamente, con adeguamento continuo della reattività, grande capacità e basso costo, sono ampiamente utilizzati nei sistemi elettrici. Per affrontare problemi come risposta lenta e vibrazioni a perdite elevate dei reattori controllati magneticamente, questo studio progetta un reattore controllabile utilizzando materiali magnetici nanocompositi.
Conclusioni sperimentali: ① Il reattore risponde rapidamente, con forme d'onda di corrente stabili dopo la magnetizzazione. ② Anche piccoli cambiamenti di tensione continua possono regolare efficacemente l'induttanza. Regolando con precisione lo stato magnetico dei materiali, il reattore cambia flessibilmente l'induttanza per compensare il potere reattivo nelle linee elettriche. ③ Dopo l'applicazione, le forme d'onda di corrente e tensione sul lato ad alta tensione e la qualità dell'energia migliorano significativamente, rendendolo adatto per la promozione delle smart grid. In futuro, con nuovi materiali, tecnologie e processi, i reattori controllabili saranno ottimizzati per meglio soddisfare le esigenze delle smart grid e garantire un'operazione stabile della rete.
