スマートグリッド用制御可能リアクターの構造設計と応用

リアクタは電力システムにおける無効電力補償の鍵となる要素であり、特に磁気制御リアクタが研究の焦点となっています。スマートグリッドは先進技術を用いて従来のものをアップグレードし、安全性と信頼性を向上させ、制御可能なリアクタに対する需要を高めています。そのため、新しいタイプの開発が重要です。本論文では、実践に基づいてその構造設計と応用について探求し、革新を促進し、スマートグリッドの建設を強化します。

1 制御可能なリアクタの機能と応用状況
1.1 機能

電力網に対して、制御可能なリアクタはネットワーク損失を削減し、力率を0.9以上に引き上げ、振動を減少させ、ダンピング限界を拡大し、送電容量を増やし、電圧安定性を高めます。ユーザーに対しては、以下の機能があります：① 電圧を安定させ、変圧器などの機器を保護し、寿命を延ばします。② ハーモニックスを除去し、損失を削減し、安全性を向上させます。③ 電圧のちらつきを抑制し、電力品質を向上させます。④ 大消費電力ユーザーの無効電力損失を低減し、電気料金を大幅に削減します。⑤ 動的補償により低コストで容量を拡張できます。

1.2 応用状況

制御可能なリアクタは、電力事業者、産業用電力、新エネルギー発電など、多くの電力システムで広く使用されています。電力需要の増加と送配電網のアップグレードに伴い、制御可能なリアクタの市場需要も上昇しています。

リアクタは、磁気制御型、スイッチ投入型、電子スイッチ制御型の3種類に分けられます。磁気制御リアクタは連続的な調整、大容量、低コストが特長ですが、反応速度が遅く、損失振動やハーモニックスが問題となります。スイッチ投入型は振動やハーモニックスを避けることができますが、調整は不連続であり、使用範囲が制限されます。電子スイッチ型は連続的な調整と高速な反応が可能ですが、ハーモニックスと高コストが課題です。磁気制御リアクタが好まれています。スマートグリッドに適応するためには、材料や構造の改良と新しい設計が必要です。

2 スマートグリッドにおける制御可能なリアクタの構造設計

スマートグリッドまたはGrid 2.0は、双方向通信ネットワークを基盤としています。新たな設備、技術、手法を用いて、電力網の安全性、効率性、環境性能、経済性を向上させ、ユーザーの電力品質ニーズをよりよく満たします。制御可能なリアクタはスマートグリッドの建設において重要な役割を果たします。以下はナノ複合磁性材料に基づいたその構造設計です。

2.1 磁性材料の選定

ナノ複合磁性材料は、ナノ結晶の硬質および軟質磁性相から成ります。これらの粒が相互作用し、電流下で結合交換効果を生成します。微視的には、位相界面での磁化モーメントが相互作用中にフィールドを再配置し、残留磁束密度を増加させます。制御可能なリアクタでは、巻線に直流を適用して励磁フィールドを作り出し、材料を磁化します。交流は減衰フィールドを作り出し、それを非磁化します。

溶融急速冷却法で製造され、焼鈍処理によって微細構造を調整します。これにより粒径が大きくなり、コアシビリティが減少し、調整の必要性に応じて満たされます。

2.2 全体的な構造設計

制御可能なリアクタの構造は、タイロッド、鉄心、クリンプ、作動巻線、制御巻線、ナノ複合磁性材料で構成されています。中心にある励磁柱は磁性材料とシリコン鋼板で作られています。その両側に作動巻線があり、最外層が主磁気回路を形成します。制御巻線は磁性材料を巻き付けます。

原理: 通常の電力網運転中（高調波抑制や無効電力調整が必要ない場合）、リアクタは電圧、電流、無効電力を検出します。これらのデータは制御システムに送られ、電力網の状態評価を行います。高調波抑制や無効電力調整が必要な場合は、制御システムが巻線電流を調整します。磁性材料は磁化を通じてリアクタンスを変更します。パラメータが設計仕様を満たすと、巻線電流を再度調整して材料をゼロ残留磁束密度に戻します。

設計回路によれば、一次側および二次側のリークフラックスを無視すると、以下の式が得られます：

ここで：E₁ はW₁の誘導起電力を表します；E₂はW₂の誘導起電力を表します；E₃はW₃の誘導起電力を表します。さらに、T型回路を使用して制御可能なリアクタの2ポートネットワークを等価化することで、以下の式が得られます：

I_k = β I_gとすると、作動ポートのインダクタンス値は以下の通りです：

リアクタンス制御係数はαであり、I_k = αI_gです。作動ポートのリアクタンスとαの関係は以下の通りです：

作動ポートを電力網と並列に接続し、U₁を一定として以下の連立方程式を得ることができます：

ここで：I_gおよびI_kは2つのポートの電流の有効値を示します；U_kは制御ポートの電圧の有効値を示します。式(5)の連立方程式を解くことで、制御可能なリアクタの動作性能指標を得ることができます。

2.3 制御システム設計

制御システムは、磁性材料の残留磁束密度を調整する主回路と、電気パラメータを監視する検出・制御サブシステムで構成されており、これらが協調して管理目標を達成します。電力網の運転中にリアクタンスの調整が必要な場合、主回路は電流を供給して材料を磁化または非磁化します。一方、サブシステムは負荷を監視してパラメータを最適に保ち、電力網の安定性を確保します。リアクタンスの変化はコアの磁気状態の変化によるものです。制御可能な整流によりミリ秒レベルの交流出力が可能となり、迅速な磁気状態の変換の要件を満たします。システムはリアクタに指令を発し、高調波を抑制し、無効電力を調整して電力網の安定性を維持します。

動作プロセス：1) 電力網の状態を検出し、パラメータを集めて安定性を評価します。2) 電圧の変動や高調波が発生した場合、リアクタの制御システムが指令を発します。3) 主回路が出力する可変インダクタンスにより、材料が磁化され、残留磁束密度やコアの状態が変わり、リアクタのインダクタンスが変化します。4) 調整後、逆調整を行い材料を非磁化してリアクタをリセットします。Matlabによるシミュレーションでシステムの正確性が確認されました：磁化電流15A、非磁化電圧220Vで波形が安定しており、磁化および非磁化の要件を満たしています。

3 リアクタンス調整効果の実験分析

リアクタのリアクタンス調整性能を検証するために、設計およびシミュレーションに基づいて試作品と対応する制御システムを構築しました。実験ではインダクタンス分布特性を解析し、電力網の電力品質の変化を評価しました。

3.1 制御可能なリアクタの安定性

実験では、制御可能なリアクタのボルトアンペア特性曲線と動作電流曲線を描くためにデータを集めました。結果は以下の通りです：① 電圧値が増加すると、作動巻線の電流も上昇し、両者は線形関係を示します。これは異なる磁化電圧下でもインダクタンス値が比較的一定の範囲内に保たれることを示しています。② 磁化電圧が0〜35Vの場合、インダクタンスは0.74Hから0.61Hまで減少し、インダクタンス出力は安定しており、滑らかな調整の要求を満たしています。磁化電圧に対するインダクタンスの変化は表2に示されています。

本研究では、制御可能なリアクタのインダクタンス値の変化は磁性材料の磁化と非磁化によって達成され、これは制御巻線に通される交流と直流に依存します。この操作はまた作動巻線にも干渉をもたらします。そのため、その作動過渡過程をさらに分析する必要があります。この目的のために、混合ドメインオシロスコープを使用して、磁化および非磁化中の磁性材料の電流波形を収集しました。結果はリアクタが素早く反応し、磁化完了後に電流波形が安定していることを示しています。

3.2 インダクタンス値の測定結果

制御可能なリアクタの実際の動作中に適用された異なる磁化電圧に対するインダクタンス値は表3に示されています。分析結果は以下の通りです：① リアクタのインダクタンス値は磁性材料の残留磁束密度の変化にほぼ線形に変化します。これは直流電圧のわずかな変化でもリアクタのインダクタンス値を効果的に調整できるということを意味します。② 磁性材料の磁気状態を精密に制御することにより、制御可能なリアクタはインダクタンス値を柔軟に変更し、電力線の無効電力の効果的な補償を達成することができます。

3.3 電力網の電力品質の変化

電力システムにおいて、制御可能なリアクタを使用前後の変圧器の高電圧側の電流および電圧の変化を記録し、高調波特性を観察しました。結果は表4に示されています。分析結果は以下の通りです：① 制御可能なリアクタを使用する前は、高電圧側の電流および電圧の変化は複雑で、波形には規則性がありませんでした。制御可能なリアクタを使用した後は、高電圧側の電流および電圧波形が改善され、明確な規則性を持つようになりました。② 制御可能なリアクタを使用した後は、高調波含有量が減少し、有効電力が増加し、電力品質が大幅に向上しました。

4 結論

結論として、リアクタは電力システムにおいて重要な役割を果たし、電圧を安定させ、高調波を抑制し、振動をダンピングし、力率を向上させます。既存のタイプの中でも、連続的なリアクタンス調整、大容量、低コストの磁気制御リアクタが広く使用されています。磁気制御リアクタの反応速度が遅く、損失振動が高いという問題に対処するため、本研究ではナノ複合磁性材料を使用した制御可能なリアクタを設計しました。

実験の結論：① リアクタは素早く反応し、磁化後には電流波形が安定しています。② 直流電圧のわずかな変化でもインダクタンスを効果的に調整できます。材料の磁気状態を精密に制御することで、リアクタはインダクタンスを柔軟に変更し、電力線の無効電力を補償します。③ 使用後、高電圧側の電流および電圧波形と電力品質が大幅に改善され、スマートグリッドの推進に適しています。今後、新たな材料、技術、プロセスにより、制御可能なリアクタはさらに最適化され、スマートグリッドの要件をより良く満たし、電力網の安定稼働を確保します。