스마트 그리드용 제어 가능 리액터의 구조 설계 및 응용

리액터는 전력 시스템에서 반응성 전력 보상에 핵심적인 역할을 하며, 자기 제어 리액터가 연구의 초점입니다. 스마트 그리드는 고급 기술을 통해 전통적인 그리드를 업그레이드하여 안전성과 신뢰성을 향상시키고, 제어 가능한 리액터에 대한 수요를 증가시킵니다. 따라서 새로운 유형의 개발이 중요합니다. 이 논문은 실제 사례와 결합하여 구조 설계와 적용을 탐구하여 혁신을 촉진하고 스마트 그리드 건설을 강화합니다.

1 제어 가능한 리액터의 기능 및 적용 현황
1.1 기능

전력망에서는 제어 가능한 리액터가 네트워크 손실을 줄이고 전력 인자를 0.9 이상으로 높이며 진동을 감소시키고 감쇠 한도를 확장하며 전송 용량을 향상시키고 전압 안정성을 향상시킵니다. 사용자에게는 다음과 같은 이점이 있습니다: ① 변압기와 같은 장비를 보호하고 서비스 수명을 연장합니다. ② 고조파를 제거하고 손실을 줄여 안전성을 향상시킵니다. ③ 전압 변동을 억제하여 전력 품질을 향상시킵니다. ④ 고수요 사용자의 반응성 손실을 줄여 전기 비용을 절감합니다. ⑤ 동적 보상을 통해 저렴한 비용으로 용량 확장을 가능하게 합니다.

1.2 적용 현황

제어 가능한 리액터는 전력 공사, 산업 공사, 신에너지 발전 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 전력 수요 증가와 전력 송배전망의 업그레이드로 인해 제어 가능한 리액터에 대한 시장 수요도 증가하고 있습니다.

리액터는 자기 제어, 스위치 투척, 전자 스위치 제어 세 가지 유형으로 나뉩니다. 자기 제어 리액터는 연속 조정, 대용량, 저비용 등의 장점을 가지지만 응답 시간이 느리고 손실 진동, 고조파 문제가 있습니다. 스위치 투척 리액터는 진동과 고조파를 피하지만 불연속적으로 조정되어 사용이 제한됩니다. 전자 스위치 리액터는 빠른 응답과 연속 조정이 가능하지만 고조파와 고비용 문제가 있습니다. 자기 제어 리액터가 선호되며, 스마트 그리드에 적합하도록 재료와 구조의 업그레이드 및 새로운 설계가 필요합니다.

2 스마트 그리드에서의 제어 가능한 리액터의 구조 설계

스마트 그리드 또는 그리드 2.0은 양방향 통신 네트워크를 기반으로 합니다. 새로운 장비, 기술, 방법을 사용하여 그리드의 안전성, 효율성, 환경 친화성, 경제성을 향상시키고 사용자의 전력 품질 요구사항을 더 잘 충족합니다. 제어 가능한 리액터는 스마트 그리드 건설의 핵심 요소입니다. 아래는 나노 복합 자기 재료를 기반으로 한 구조 설계입니다.

2.1 자기 재료 선택

나노 복합 자기 재료는 나노 결정 하드 및 소프트 자기 상으로 구성됩니다. 그들의 입자는 전류 하에서 결합 교환 효과를 생성합니다. 미세하게 보면, 상 경계에서 자기 모멘트가 상호 작용하면서 자기장 방향을 재정렬하여 잔류 자기를 증가시킵니다. 제어 가능한 리액터에서는 DC를 권선에 적용하여 자극 자기장을 생성하고, AC는 감쇠 자기장을 생성하여 자기를 제거합니다.

용융 급속 냉각을 통해 준비된 재료는 템퍼링을 거쳐 미세 구조를 조정합니다. 이를 통해 입자가 커지고 강제력이 감소하여 조정 요구사항을 충족합니다.

2.2 전체 구조 설계

제어 가능한 리액터의 구조는 연결 막대, 철심, 클램프, 작업 권선, 제어 권선, 나노 복합 자기 재료로 구성됩니다. 자기 재료와 실리콘 강판으로 만들어진 자극 열은 중심에 위치하고, 작업 권선은 그 주변에 배치되어 가장 바깥쪽 레이어가 주 자기 회로를 형성합니다. 제어 권선은 자기 재료를 감싸고 있습니다.

원리: 일반적인 그리드 운영 중(고조파 억제 또는 반응성 조절이 필요 없는 경우), 리액터는 전압, 전류, 반응성 전력을 감지합니다. 이러한 데이터는 그리드 상태 평가를 위한 제어 시스템으로 전송됩니다. 고조파 억제 또는 반응성 조절이 필요한 경우, 제어 시스템은 권선 전류를 조정합니다. 자기 재료는 자기화를 통해 반항을 변경합니다. 파라미터가 설계 사양을 충족하면 다시 권선 전류를 조정하여 재료를 제로 잔류 자기로 되돌립니다.

설계 회로에 따라, 일차 및 이차측 누설 플럭스를 무시하면 다음과 같습니다:

여기서: E₁ 은 W₁의 유도 전동력; E₂은 W₂의 유도 전동력; E₃은 W₃의 유도 전동력을 나타냅니다. 또한 T-형 회로를 사용하여 제어 가능한 리액터의 2단 포트 네트워크를 균등하게 하면 다음과 같이 얻을 수 있습니다:

I_k = β I_g로 놓고, 작업 포트의 인덕턴스 값은 다음과 같습니다:

반항 제어 계수는 α이고, I_k = αI_g입니다. 작업 포트의 반항과 α 사이의 관계는 다음과 같습니다:

작업 포트를 전력망과 병렬로 연결하고 U₁을 상수로 취급하면 다음 연립 방정식을 얻을 수 있습니다:

여기서: I_g와 I_k는 두 포트의 효과적인 전류 값; U_k는 제어 포트의 효과적인 전압 값을 나타냅니다. 공식 (5)의 연립 방정식을 풀면 제어 가능한 리액터의 운용 성능 지표를 얻을 수 있습니다.

2.3 제어 시스템 설계

제어 시스템은 자기 재료의 잔류 자기를 조정하는 주 회로와 전기 매개 변수를 모니터링하는 검출-제어 하위 시스템으로 구성되어 관리 목표를 달성합니다. 그리드 운영 중 반항 조정이 필요한 경우, 주 회로는 자기재료를 자기화하거나 제거하기 위해 전류를 적용하고, 하위 시스템은 부하를 모니터링하여 최적의 매개 변수를 유지하여 그리드의 안정성을 보장합니다. 반항의 변화는 코어의 자기 상태 변화에서 발생합니다. 제어 가능한 정류는 밀리초 단위의 AC 출력을 가능하게 하여 빠른 자기 상태 전환 요구사항을 충족합니다. 시스템은 리액터에게 고조파 억제 및 반응성 조절 명령을 내려 그리드의 안정성을 유지합니다.

운영 과정: 1) 그리드 상태를 감지하고 매개 변수를 수집하여 안정성을 평가합니다. 2) 전압 변동이나 고조파가 발생할 때, 리액터의 제어 시스템은 명령을 발행합니다. 3) 주 회로는 조정 가능한 인덕턴스를 출력하고, 재료는 자기화되어 잔류 자기와 코어 상태를 변경하여 리액터의 인덕턴스를 변경합니다. 4) 조정 후, 인덕턴스를 역으로 조정하여 재료를 제거하고 리액터를 재설정합니다. Matlab 시뮬레이션을 통해 시스템의 정확성이 검증되었습니다: 15 A 자기화 전류와 220 V 제거 전압으로 안정적인 파형을 얻어 자기화 및 제거 요구사항을 충족했습니다.

3 반항 조정 효과의 실험 분석

리액터의 반항 조정 성능을 검증하기 위해 설계와 시뮬레이션에 따라 프로토타입과 지원 제어 시스템을 구축했습니다. 실험은 인덕턴스 분포 특성을 분석하고 전력망 전력 품질 변화를 평가했습니다.

3.1 제어 가능한 리액터의 안정성

실험에서 데이터를 수집하여 제어 가능한 리액터의 볼트-암페어 특성 곡선과 운전 전류 곡선을 작성했습니다. 결과는 다음과 같습니다: ① 전압 값이 증가함에 따라 작업 권선의 전류가 증가하며, 두 값 간에는 선형 관계가 있어 다른 자기화 전압에서도 인덕턴스 값이 상대적으로 일정한 범위를 유지합니다. ② 자기화 전압이 0-35 V일 때, 인덕턴스는 0.74 H에서 0.61 H로 감소하며, 인덕턴스 출력은 안정적이어서 부드러운 조정 요구사항을 충족합니다. 자기화 전압에 따른 인덕턴스 변화는 표 2에 나와 있습니다.

본 연구에서는 제어 가능한 리액터의 인덕턴스 값 변화는 자기 재료의 자기화 및 제거를 통해 이루어지며, 이는 제어 권선에 통과되는 교류 및 직류에 의해 달성됩니다. 이 작업은 작업 권선에도 영향을 미칩니다. 따라서 작업 전이 과정을 더 분석해야 합니다. 이를 위해 혼합 도메인 오실로스코프를 사용하여 자기화 및 제거 중 자기 재료의 전류 파형을 수집했습니다. 결과는 리액터가 빠르게 반응하고 자기화가 완료된 후 전류 파형이 안정적인 상태임을 보여줍니다.

3.2 인덕턴스 값 측정 결과

제어 가능한 리액터의 실제 운전 중에 적용된 다양한 자기화 전압에 따른 인덕턴스 값은 표 3에 나와 있습니다. 분석 결과: ① 리액터의 인덕턴스 값은 자기 재료의 잔류 자기 변화에 따라 거의 선형적으로 변화합니다. 이는 작은 DC 전압 변화라도 리액터의 인덕턴스 값을 효과적으로 조정할 수 있음을 의미합니다. ② 자기 재료의 자기 상태를 정밀하게 조절함으로써 제어 가능한 리액터는 인덕턴스 값을 유연하게 변경하여 전력선의 반응성 전력을 효과적으로 보상할 수 있습니다.

3.3 전력망 전력 품질의 변화

전력 시스템에서 제어 가능한 리액터를 사용하기 전후의 변압기 고압측의 전류 및 전압 변화를 기록하고 고조파 특성을 관찰했습니다. 결과는 표 4에 나와 있습니다. 분석 결과: ① 제어 가능한 리액터를 사용하기 전, 고압측의 전류 및 전압 변화는 복잡하고 규칙적인 특징이 없었습니다. 제어 가능한 리액터를 사용한 후, 고압측의 전류 및 전압 파형이 개선되어 규칙적인 특징이 나타났습니다. ② 제어 가능한 리액터를 사용한 후, 고조파 함량이 감소하고 유효 전력이 증가하여 전력 품질이 크게 향상되었습니다.

4 결론

결론적으로, 리액터는 전력 시스템에서 전압 안정화, 고조파 억제, 진동 감쇠, 전력 인자 향상 등에 중요한 역할을 합니다. 기존 유형 중 자기 제어 리액터는 연속적인 반항 조정, 대용량, 저비용 등의 장점으로 전력 시스템에서 널리 사용되고 있습니다. 자기 제어 리액터의 느린 응답과 높은 손실 진동 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 나노 복합 자기 재료를 사용한 제어 가능한 리액터를 설계했습니다.

실험 결론: ① 리액터는 빠르게 반응하며 자기화 후 전류 파형이 안정적입니다. ② 작은 DC 전압 변화라도 인덕턴스를 효과적으로 조정할 수 있습니다. 자기 재료의 자기 상태를 정밀하게 조절함으로써 리액터는 유연하게 인덕턴스를 변경하여 전력선의 반응성 전력을 보상합니다. ③ 적용 후, 고압측의 전류 및 전압 파형과 전력 품질이 크게 개선되어 스마트 그리드의 보급에 적합합니다. 향후 새로운 재료, 기술, 공정을 통해 제어 가능한 리액터는 스마트 그리드의 요구사항을 더 잘 충족하고 안정적인 그리드 운영을 보장하기 위해 최적화될 것입니다.