Strukturdesign og anvendelse av kontrollerbare reaktorer for smarte nett

Reaktorer er nøkkel for reaktiv effektkompensasjon i kraftsystemer, med magnetisk kontrollerte reaktorer som et forskningsfokus. En smart strømnett, som oppgraderer det tradisjonelle nettet via avansert teknologi, øker sikkerheten og påliteligheten, og øker dermed kravene til kontrollerbare reaktorer. Derfor er utviklingen av nye typer viktig. Denne artikkelen utforsker, i kombinasjon med praksis, deres strukturelle design og anvendelse for å fremme innovasjon og forbedre byggingen av smarte strømnett.

1 Funksjoner og anvendelsesstatus for kontrollerbare reaktorer
1.1 Funksjoner

For nettverk reduserer kontrollerbare reaktorer nettverktap, hever effektfaktoren over 0,9, reduserer svingninger, utvider dempingsgrenser, øker overføringskapasiteten, og forbedrer spenningsstabiliteten. For brukere gjør de: ① Stabiliserer spenningen, beskytter utstyr som transformatorer, og forlenger levetiden. ② Eliminerer harmoniske, reduserer tap, og forbedrer sikkerheten. ③ Begrenser spenningsblink, og forbedrer strømkvaliteten. ④ Reduserer reaktive tap for høyenergi-brukere, og senker strømprisen. ⑤ Tillater kapasitetsutvidelse til lav kostnad ved dynamisk kompensasjon.

1.2 Anvendelsesstatus

Kontrollerbare reaktorer er bredt anvendt i kraftsystemer, som for eksempel i kraftselskaper, industrielle selskaper, ny energi-kraftproduksjon og andre felt. Med økende strømkrev og oppgradering av strømoverføring og -distribusjon, stiger også markedskravet for kontrollerbare reaktorer.

Reaktorer faller innenfor tre typer: magnetisk kontroll, bryterkontroll, og elektronisk bryterkontroll. Magnetisk kontrollerte reaktorer gir kontinuerlig justering, stor kapasitet, og lav kostnad, men har treg respons, høye tapsvibrasjoner, og harmoniske. Bryterkontrollerte unngår vibrasjoner/harmoniske, men justerer diskontinuerlig, noe som begrenser bruken. Elektronisk bryterkontrollerte tillater kontinuerlig justering med rask respons, men lider av harmoniske og høy kostnad. Magnetisk kontrollerte reaktorer foretrekes. For å passe smarte strømnett, kreves material- og strukturelle oppgraderinger samt nye design.

2 Strukturelt design av kontrollerbare reaktorer i smarte strømnett

Det smarte strømnettet, eller Grid 2.0, bygger på toveis kommunikasjonsnettverk. Det bruker nytt utstyr, teknologi, og metoder for å øke nettverkets sikkerhet, effektivitet, miljøvennlighet, og økonomi, og bedre møte brukernes behov for strømkvalitet. Kontrollerbare reaktorer er sentrale for bygging av smarte strømnett. Nedenfor er deres strukturelle design basert på nanokomposittmagnetiske materialer.

2.1 Valg av magnetiske materialer

Nanokomposittmagnetiske materialer består av nanokristalline hard- og softmagnetiske faser. Deres korn interagerer, og genererer en koblet utvekslingsvirking under strøm. Mikroskopisk sett, ved fasegrenser, omdanner magnetiske momenter felt under interaksjon, og øker remanensen. I kontrollerbare reaktorer: DC strøm applisert til vindinger skaper et opplastningsfelt, magnetiserer materialet; AC danner et demagneteringsfelt, demagnetiserer det.

Forberedt ved smeltning og hurtig kjøling, undergår materialet ettertempering for å justere mikrostrukturen. Dette forstører kornene og reduserer koersivitet, og møter justeringsbehov.

2.2 Helhetlig strukturelt design

Strukturen til den kontrollerbare reaktoren består av bindere, en jernkjede, klammer, arbeidsvindinger, kontrollvindinger, og nanokomposittmagnetiske materialer. Opplastningskolonnen, laget av magnetiske materialer og silisijernplate, ligger i midten. Arbeidsvindinger flankerer den, med deres ytre lag som hovedmagnetiske kretser. Kontrollvindingen omgir magnetiske materialer.

Prinsipp: Under normal nettoperasjon (ingen harmonisk undertrykkelse/reactive regulering nødvendig), detekterer reaktoren spenning, strøm, og reaktiv effekt. Disse dataene går til kontrollsystemet for nettstatusvurdering. For harmonisk undertrykkelse eller reaktiv regulering, justerer kontrollsystemet vindingsstrøm. Magnetiske materialer endrer reaktansen via magnetisering. Når parametrene møter designspesifikasjoner, justeres vindingsstrømmen igjen for å demagnetisere materialet tilbake til null remanens.

Ifølge designkretsen, ved å ignorere primær- og sekundærside-lekkefelt, får vi:

Hvor: E₁ representerer den induerte elektromotoriske kraften til W₁; E₂ representerer den induerte elektromotoriske kraften til W₂; E₃ representerer den induerte elektromotoriske kraften til W₃. Videre, ved å bruke en T-type krets for å likestille den toport-nettverket av den kontrollerbare reaktoren, kan vi få:

La I_k = β I_g, og induktanseverdien av arbeidspoten er:

Reaktanskontrollkoeffisienten er α, og I_k = αI_g. Forholdet mellom reaktansen av arbeidspoten og α er:

Ved å koble arbeidspoten parallelt med strømnettet og behandle U₁ som konstant, kan følgende ligningssystem fås:

Hvor: I_g og I_k angir effektverdiene av strømmene i de to portene; U_k representerer effektverdien av spenningen i kontrollporten. Løsningen av ligningssystemet i Formel (5) lar oss finne driftsprestasjonsindikatorene for den kontrollerbare reaktoren.

2.3 Design av kontrollsystem

Kontrollsystemet består av en hovedkrets (justerer magnetisk materiale-remanens) og et deteksjon-kontrollunder-system (overvåker elektriske parametre), som samarbeider for å oppnå ledelsesmål. Når nettoperasjon krever reaktansjustering, appliserer hovedkretsen strøm for å magnetisere/demagnetisere materialer, mens under-systemet overvåker belastninger for å holde parametre optimale, og sikre nettstabilitet. Reaktansendringer kommer fra kjede-magnetiske tilstandsendringer. Kontrollerbar rettificering muliggjør millisekunds-nivå AC-utdata, som møter rask magnetisk tilstands-konvertering. Systemet gir kommandoer for at reaktoren skal undertrykke harmoniske og regulere reaktiv effekt, og vedlikeholde nettstabilitet.

Driftsprosess: 1) Detekter nettstatus, samle parametre, og vurdere stabilitet. 2) Når spenningsfluktuerasjoner/harmoniske forekommer, gir reaktorens kontrollsystem kommandoer. 3) Hovedkretsen gir justerbart induktans; materialer magnetiseres, endrer remanens/kjedetilstand, og dermed reaktorinduktans. 4) Etter justering, reversjuster induktans for å demagnetisere materialer og tilbakestille reaktoren. Matlab-simuleringer bekreftet systemets nøyaktighet: 15 A magnetiseringsstrøm og 220 V demagnetiseringsvolt med stabile bølgeformer, som møter magnetisering/demagnetisering-krav.

3 Eksperimentell analyse av reaktansjusterings-effekt

For å verifisere reaktorens reaktansjusteringsyting, ble en prototyp og et støttekontrollsystem bygget ifølge design og simuleringer. Eksperimenter analyserte induktansfordelingsegenskaper og evaluerte endringer i strømnettets strømkvalitet.

3.1 Stabilitet av den kontrollerbare reaktoren

I eksperimentet ble data innsamlet for å tegne volt-amperes karakteristikk kurve og driftsstrøm kurve for den kontrollerbare reaktoren. Resultatene viser at: ① Som spenningsverdien øker, stiger strømmen i arbeidsvindingen, og de to viser en lineær relasjon, som indikerer at under ulike magnetiseringsvoltage, forbli induktansverdien innenfor en relativt konstant rekkevidde. ② Når magnetiseringsvoltage er 0–35 V, minker induktansen fra 0,74 H til 0,61 H, og induktansutdata er stabil, som oppfyller kravet om jevn justering. Endringen av induktans med magnetiseringsvoltage vises i Tabell 2.

I denne studien blir endringen i induktansverdien av den kontrollerbare reaktoren oppnådd gjennom magnetisering og demagnetisering av magnetiske materialer, som igjen avhenger av alternerende strøm og direkte strøm som sendes inn i kontrollvindingen. Denne operasjonen vil også bringe forstyrrelser til arbeidsvindingen. Derfor er det nødvendig å videre analysere dens arbeidsmessige overgangsprosess. For dette formålet ble en blandet-domene-oscilloskop brukt til å samle strømbølgeformer av magnetiske materialer under magnetisering og demagnetisering. Resultatene viser at reaktoren responderer raskt, og strømbølgeformen er i en stabil tilstand etter at magnetiseringen er fullført.

3.2 Målte resultater av induktansverdi

Under den faktiske drift av den kontrollerbare reaktoren, er induktansverdiene som oppnås ved bruk av ulike magnetiseringsvoltage vist i Tabell 3. Analysen avslører at: ① Induktansverdien til reaktoren endres omtrent linært med variasjonen av remanens av magnetisk materiale. Dette betyr at selv en liten endring i DC voltage kan effektivt justere induktansverdien til reaktoren. ② Ved nøyaktig regulering av magnetisk tilstand av magnetisk materiale, kan den kontrollerbare reaktoren fleksibelt endre sin induktansverdi, og dermed oppnå effektiv kompensasjon av reaktiv effekt i strømlinjen.

3.3 Endringer i strømnetts strømkvalitet

I kraftsystemet ble strøm- og spenningsendringer på høy-spennings siden av transformator før og etter bruk av den kontrollerbare reaktoren registrert, og harmoniske egenskaper observerte. Resultatene vises i Tabell 4. Analysen viser at: ① Før bruk av den kontrollerbare reaktoren, var strøm- og spenningsendringer på høy-spennings siden komplekse, og deres bølgeformer hadde ingen regelmessige trekk; etter bruk av den kontrollerbare reaktoren, ble strøm- og spenningsbølgeformer på høy-spennings siden forbedret og hadde tydelige regelmessige trekk. ② Etter bruk av den kontrollerbare reaktoren, minsket harmoniske innhold, økte aktiv effekt, og strømkvaliteten ble markert forbedret.

4 Konklusjon

Konklusjon, reaktorer spiller en viktig rolle i kraftsystemer, ved å stabilisere spenning, undertrykke harmoniske, dempe svingninger, og øke effektfaktoren. Blant eksisterende typer, er magnetisk kontrollerte reaktorer, med kontinuerlig reaktansjustering, stor kapasitet, og lav kostnad, bredt anvendt i kraftsystemer. For å løse problemer som treg respons og høye tapsvibrasjoner hos magnetisk kontrollerte reaktorer, designer denne studien en kontrollerbar reaktor ved hjelp av nanokomposittmagnetiske materialer.

Eksperimentelle konklusjoner: ① Reaktoren responser raskt, med stabile strømbølgeformer etter magnetisering. ② Selv små endringer i DC voltage kan effektivt justere induktans. Ved nøyaktig regulering av magnetisk tilstand av materialer, kan reaktoren fleksibelt endre induktans for å kompensere reaktiv effekt i strømlinjer. ③ Etter anvendelse, forbedres høy-spennings side strøm/spenningsbølgeformer og strømkvalitet markant, egnet for fremme av smarte strømnett. I fremtiden, med nye materialer, teknologier, og prosesser, vil kontrollerbare reaktorer bli optimalisert for å bedre møte behovene til smarte strømnett og sikre stabil nettoperasjon.