Reka Bentuk Struktur dan Aplikasi Reaktor Kawalan untuk Grid Pintar
Reaktor adalah kunci untuk kompensasi daya reaktif dalam sistem tenaga, dengan reaktor yang dikawal secara magnetik menjadi fokus penyelidikan. Grid pintar, yang mengemas kini grid tradisional melalui teknologi canggih, meningkatkan keselamatan dan kebolehpercayaan, meningkatkan permintaan untuk reaktor yang boleh dikawal. Oleh itu, pembangunan jenis baru sangat penting. Kertas kerja ini, menggabungkan amalan, meneroka reka bentuk struktur dan penggunaannya untuk mendorong inovasi dan meningkatkan pembinaan grid pintar.
1 Fungsi dan Status Penggunaan Reaktor yang Boleh Dikawal
1.1 Fungsi
Untuk grid, reaktor yang boleh dikawal mengurangkan kerugian jaringan, meningkatkan faktor kuasa di atas 0.9, mengurangkan osilasi, memperluas had pemendapan, meningkatkan kapasiti penghantaran, dan meningkatkan kestabilan voltan. Untuk pengguna, mereka: ① Menstabilkan voltan, melindungi peralatan seperti transformator, dan memperpanjang tempoh perkhidmatan. ② Melenyapkan harmonik, mengurangkan kerugian, dan meningkatkan keselamatan. ③ Menghalang kedipan voltan, meningkatkan kualiti tenaga. ④ Mengurangkan kerugian reaktif bagi pengguna berkeperluan tinggi, mengurangkan kos elektrik. ⑤ Membolehkan penambahan kapasiti dengan kos rendah melalui pengimbangan dinamik.
1.2 Status Penggunaan
Reaktor yang boleh dikawal digunakan secara meluas dalam sistem tenaga, seperti dalam utiliti tenaga, utiliti industri, penjanaan tenaga berasaskan sumber tenaga baru, dan bidang-bidang lain. Dengan peningkatan permintaan tenaga dan peningkatan grid penghantaran dan agihan, permintaan pasaran untuk reaktor yang boleh dikawal juga semakin meningkat.
Reaktor terbahagi kepada tiga jenis: kawalan magnet, lontar saklar, dan kawalan saklar elektronik. Reaktor kawalan magnet menawarkan penyesuaian berterusan, kapasiti besar, dan kos rendah tetapi memiliki respons lambat, getaran kerugian tinggi, dan harmonik. Jenis lontar saklar mengelakkan getaran/harmonik tetapi menyesuaikan secara tidak berterusan, membatasi penggunaannya. Jenis saklar elektronik membolehkan penyesuaian berterusan dengan respons cepat tetapi mengalami harmonik dan kos tinggi. Reaktor kawalan magnet lebih difavoritkan. Untuk sesuai dengan grid pintar, peningkatan bahan/struktur dan reka bentuk baru diperlukan.
2 Reka Bentuk Struktur Reaktor yang Boleh Dikawal dalam Grid Pintar
Grid pintar, atau Grid 2.0, dibina berdasarkan rangkaian komunikasi dua hala. Ia menggunakan peralatan, teknologi, dan kaedah baru untuk meningkatkan keselamatan, kecekapan, ramah alam, dan ekonomi grid, lebih baik memenuhi keperluan kualiti tenaga pengguna. Reaktor yang boleh dikawal adalah kunci untuk pembinaan grid pintar. Berikut adalah reka bentuk struktur mereka berdasarkan bahan magnet nanokomposit.
2.1 Pemilihan Bahan Magnet
Bahan magnet nanokomposit terdiri daripada fasa magnet keras dan lembut nanokristalin. Butir-butir mereka berinteraksi, menghasilkan kesan pertukaran terkupl di bawah arus. Secara mikroskopik, pada antara muka fasa, momen magnet mengubah medan semasa interaksi, meningkatkan remanence. Dalam reaktor yang boleh dikawal: DC yang diterapkan pada pembungkus menciptakan medan eksitasi, memagnetkan bahan; AC membentuk medan yang meredam, demagnetisasinya.
Disediakan melalui pendinginan cepat cairan, bahan tersebut menjalani tempering untuk menyesuaikan struktur mikro. Ini membesarkan butiran dan mengurangkan koersiviti, memenuhi keperluan penyesuaian.
2.2 Reka Bentuk Struktur Keseluruhan
Struktur reaktor yang boleh dikawal terdiri daripada rod penghubung, inti besi, gergaji, pembungkus kerja, pembungkus kawalan, dan bahan magnet nanokomposit. Tiang eksitasi, dibuat daripada bahan magnet dan lembaran silikon, berada di pusat. Pembungkus kerja mengelilinginya, dengan lapisan paling luar sebagai litar magnet utama. Pembungkus kawalan membungkus bahan magnet.
Prinsip: Semasa operasi grid normal (tidak memerlukan penekanan harmonik/pengaturan reaktif), reaktor mendeteksi voltan, arus, dan daya reaktif. Data ini pergi ke sistem kawalan untuk menilai status grid. Untuk penekanan harmonik atau pengaturan reaktif, sistem kawalan menyesuaikan arus pembungkus. Bahan magnet mengubah reaktansi melalui magnetisasi. Setelah parameter memenuhi spesifikasi reka bentuk, arus pembungkus disesuaikan lagi untuk demagnetisasi bahan kembali ke remanence sifar.
Berdasarkan litar reka bentuk, mengabaikan fluks bocor sisi primer dan sekunder, kita dapat:
Di mana: E1 mewakili daya gerak elektromagnetik yang diinduksi oleh W1; E2 mewakili daya gerak elektromagnetik yang diinduksi oleh W2; E3 mewakili daya gerak elektromagnetik yang diinduksi oleh W3. Selanjutnya, dengan menggunakan litar T- untuk menyamakan litar dua port reaktor yang boleh dikawal, kita dapat mendapatkan:
Biarkan Ik = β Ig, dan nilai induktansi pelabuhan kerja adalah:
Koefisien kawalan reaktansi adalah α, dan Ik = αIg. Hubungan antara reaktansi pelabuhan kerja dan α adalah:
Dengan menyambung pelabuhan kerja selari dengan grid tenaga dan menganggap U1 sebagai konstan, sistem persamaan berikut dapat diperoleh:
Di mana: Ig dan Ik menunjukkan nilai efektif arus pada dua pelabuhan; Uk mewakili nilai efektif voltan pada pelabuhan kawalan. Menyelesaikan sistem persamaan dalam Formula (5) membolehkan kita mendapatkan indeks prestasi operasi reaktor yang boleh dikawal.
2.3 Reka Bentuk Sistem Kawalan
Sistem kawalan terdiri daripada litar utama (menyesuaikan remanence bahan magnet) dan sub-sistem deteksi-kawalan (memantau parameter elektrik), bekerja bersama untuk mencapai matlamat pengurusan. Apabila operasi grid memerlukan penyesuaian reaktansi, litar utama menerapkan arus untuk memagnetkan/demagnetisasi bahan, manakala sub-sistem memantau beban untuk mengekalkan parameter optimum, memastikan kestabilan grid. Perubahan reaktansi berasal dari perubahan keadaan magnet inti. Rektifikasi yang boleh dikawal membolehkan output AC pada tahap milisecond, memenuhi keperluan pemindahan keadaan magnet yang cepat. Sistem mengeluarkan arahan untuk reaktor untuk menekan harmonik dan mengatur daya reaktif, mengekalkan kestabilan grid.
Proses operasi: 1) Deteksi status grid, mengumpul parameter, dan menilai kestabilan. 2) Apabila fluktuasi voltan/harmonik berlaku, sistem kawalan reaktor mengeluarkan arahan. 3) Litar utama mengeluarkan induktansi yang boleh disesuaikan; bahan magnetis, mengubah remanence/keadaan inti dan dengan demikian induktansi reaktor. 4) Selepas penyesuaian, sesuaikan semula induktansi untuk demagnetisasi bahan dan reset reaktor. Simulasi Matlab mengesahkan ketepatan sistem: 15 A arus magnetisasi dan 220 V voltan demagnetisasi dengan bentuk gelombang stabil, memenuhi keperluan magnetisasi/demagnetisasi.
3 Analisis Eksperimental Efek Penyesuaian Reaktansi
Untuk mengesahkan prestasi penyesuaian reaktansi reaktor, prototaip dan sistem kawalan sokongan dibina mengikut reka bentuk dan simulasi. Eksperimen menganalisis ciri-ciri taburan induktansi dan menilai perubahan kualiti tenaga grid.
3.1 Kestabilan Reaktor yang Boleh Dikawal
Dalam eksperimen, data dikumpulkan untuk memplot lengkung ciri volt-ampere dan lengkung arus operasi reaktor yang boleh dikawal. Hasil menunjukkan bahawa: ① Seiring dengan peningkatan nilai voltan, arus pembungkus kerja meningkat, dan kedua-duanya menunjukkan hubungan linear, menunjukkan bahawa di bawah voltan magnetisasi yang berbeza, nilai induktansi berada dalam julat yang relatif tetap. ② Apabila voltan magnetisasi adalah 0–35 V, induktansi menurun dari 0.74 H hingga 0.61 H, dan keluaran induktansi stabil, memenuhi keperluan penyesuaian yang licin. Perubahan induktansi dengan voltan magnetisasi ditunjukkan dalam Jadual 2.
Dalam kajian ini, perubahan nilai induktansi reaktor yang boleh dikawal dicapai melalui magnetisasi dan demagnetisasi bahan magnet, yang bergantung pada arus bolak-balik dan arus searah yang dilewatkan ke dalam pembungkus kawalan. Operasi ini juga akan membawa gangguan kepada pembungkus kerja. Oleh itu, perlu untuk menganalisis proses transien kerjanya. Untuk tujuan ini, oscilloscope domain campuran digunakan untuk mengumpul bentuk gelombang arus bahan magnet semasa magnetisasi dan demagnetisasi. Hasil menunjukkan bahawa reaktor bertindak balas dengan cepat, dan bentuk gelombang arus berada dalam keadaan stabil selepas magnetisasi selesai.
3.2 Hasil Pengukuran Nilai Induktansi
Semasa operasi sebenar reaktor yang boleh dikawal, nilai induktansi yang diperoleh dengan menerapkan voltan magnetisasi yang berbeza ditunjukkan dalam Jadual 3. Analisis menunjukkan bahawa: ① Nilai induktansi reaktor berubah secara hampir linear dengan variasi remanence bahan magnet. Ini bermaksud bahawa perubahan kecil voltan searah dapat mengubah nilai induktansi reaktor secara efektif. ② Dengan mengatur keadaan magnet bahan magnet dengan tepat, reaktor yang boleh dikawal dapat mengubah nilai induktansinya dengan fleksibel, dengan demikian mencapai kompensasi daya reaktif yang efektif dalam garis tenaga.
3.3 Perubahan Kualiti Tenaga Grid
Dalam sistem tenaga, perubahan arus dan voltan pada sisi tegangan tinggi transformator sebelum dan selepas menggunakan reaktor yang boleh dikawal direkod, dan ciri-ciri harmonik diamati. Hasil ditunjukkan dalam Jadual 4. Analisis menunjukkan bahawa: ① Sebelum menggunakan reaktor yang boleh dikawal, perubahan arus dan voltan pada sisi tegangan tinggi adalah kompleks, dan bentuk gelombang mereka tidak mempunyai ciri-ciri yang beraturan; selepas menggunakan reaktor yang boleh dikawal, bentuk gelombang arus dan voltan pada sisi tegangan tinggi telah dipertingkatkan dan mempunyai ciri-ciri yang jelas. ② Selepas menggunakan reaktor yang boleh dikawal, kandungan harmonik berkurang, daya aktif meningkat, dan kualiti tenaga meningkat secara signifikan.
4 Kesimpulan
Kesimpulannya, reaktor memainkan peranan penting dalam sistem tenaga, menstabilkan voltan, menekan harmonik, meredam osilasi, dan meningkatkan faktor kuasa. Di antara jenis yang wujud, reaktor yang dikawal secara magnetik, dengan penyesuaian reaktansi berterusan, kapasiti besar, dan kos rendah, digunakan secara meluas dalam sistem tenaga. Untuk mengatasi isu-isu seperti respons lambat dan getaran kerugian tinggi pada reaktor yang dikawal secara magnetik, kajian ini merancang reaktor yang boleh dikawal menggunakan bahan magnet nanokomposit.
Kesimpulan eksperimen: ① Reaktor bertindak balas dengan cepat, dengan bentuk gelombang arus yang stabil selepas magnetisasi. ② Walaupun perubahan voltan searah yang kecil dapat mengubah induktansi secara efektif. Dengan mengatur keadaan magnet bahan dengan tepat, reaktor dapat mengubah induktansinya dengan fleksibel untuk mengimbangi daya reaktif dalam garis tenaga. ③ Selepas aplikasi, bentuk gelombang arus/voltan sisi tegangan tinggi dan kualiti tenaga meningkat secara signifikan, sesuai untuk promosi grid pintar. Di masa depan, dengan bahan, teknologi, dan proses baru, reaktor yang boleh dikawal akan dioptimumkan untuk lebih baik memenuhi keperluan grid pintar dan memastikan operasi grid yang stabil.
