Konstrukcja i Zastosowanie Sterowalnych Reaktorów dla Inteligentnych Sieci Energetycznych

Reaktory są kluczowe dla kompensacji mocy reaktywnej w systemach energetycznych, z magnetycznie sterowanymi reaktorami jako głównym obszarem badań. Inteligentna sieć, modernizująca tradycyjną sieć dzięki zaawansowanej technologii, zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność, podnosząc wymagania dotyczące sterowalnych reaktorów. Dlatego rozwój nowych typów jest istotny. Niniejszy artykuł, łącząc praktykę, bada ich konstrukcję i zastosowanie, aby wspierać innowacje i wzmocnić budowę inteligentnej sieci.

1 Funkcje i stan zastosowania sterowalnych reaktorów
1.1 Funkcje

Dla sieci, sterowalne reaktory zmniejszają straty sieciowe, podnoszą współczynnik mocy ponad 0,9, redukują drgania, rozszerzają granice tłumienia, zwiększają zdolność transmisyjną i zwiększają stabilność napięcia. Dla użytkowników one: ① Stabilizują napięcie, chronią urządzenia takie jak transformatory i przedłużają ich żywotność. ② Eliminują harmoniczne, zmniejszają straty i zwiększają bezpieczeństwo. ③ Hamują migotanie napięcia, poprawiając jakość energii. ④ Zmniejszają straty reaktywne dla użytkowników o dużym zapotrzebowaniu, obniżając koszty energii. ⑤ Umożliwiają tanie rozszerzenie pojemności dzięki dynamicznej kompensacji.

1.2 Stan zastosowania

Sterowalne reaktory są szeroko stosowane w systemach energetycznych, takich jak elektrownie, przemysłowe instalacje energetyczne, generacja energii odnawialnej i inne dziedziny. Wraz ze wzrostem popytu na energię i modernizacją sieci transmisyjnych i dystrybucyjnych, rynkowy popyt na sterowalne reaktory również rośnie.

Reaktory dzielą się na trzy typy: magnetycznie sterowane, przełączane i elektronicznie sterowane. Magnetycznie sterowane reaktory oferują ciągłą regulację, dużą pojemność i niski koszt, ale mają wolną odpowiedź, wysokie straty wibracyjne i harmoniczne. Przełączane unikają wibracji/harmonicznego, ale regulują nieciągło, ograniczając zastosowanie. Elektronicznie sterowane umożliwiają ciągłą regulację z szybką odpowiedzią, ale cierpią na harmoniczne i wysoki koszt. Preferowane są magnetycznie sterowane reaktory. Aby pasować do inteligentnych sieci, potrzebne są ulepszenia materiałowe i konstrukcyjne oraz nowe projekty.

2 Konstrukcyjne projektowanie sterowalnych reaktorów w inteligentnych sieciach

Inteligentna sieć, czyli Grid 2.0, opiera się na dwustronnych sieciach komunikacyjnych. Wykorzystuje nowe urządzenia, technologie i metody, aby zwiększyć bezpieczeństwo, efektywność, przyjazność dla środowiska i ekonomię sieci, lepiej spełniając potrzeby użytkowników w zakresie jakości energii. Sterowalne reaktory są kluczowe dla budowy inteligentnych sieci. Poniżej znajduje się ich konstrukcyjne projektowanie oparte na nanokompozytowych materiałach magnetycznych.

2.1 Wybór materiałów magnetycznych

Nanokompozytowe materiały magnetyczne składają się z nanokrystalicznych twardych i miękkich faz magnetycznych. Ich ziarna oddziałują, generując sprzężony efekt wymiany pod wpływem prądu. Mikroskopowo, na granicach faz, momenty magnetyczne reorientują pola podczas oddziaływania, zwiększając pozostałość magnetyczną. W sterowalnych reaktorach: prąd stały zastosowany do zwinięć tworzy pole pobudzające, magnesując materiał; prąd zmienny tworzy pole osłabiające, demagnesując go.

Materiał przygotowywany przez szybkie stygnięcie stopu, podlega obróbce termicznej, aby dostosować jego mikrostrukturę. To powiększa ziarna i zmniejsza koercyjność, spełniając potrzeby regulacji.

2.2 Ogólny projekt konstrukcyjny

Konstrukcja sterowalnego reaktora składa się z prętów łączących, rdzenia, klamerek, zwinięć roboczych, zwinięć sterujących i nanokompozytowych materiałów magnetycznych. Kolumna pobudzająca, wykonana z materiałów magnetycznych i arkuszy silikonowej stali, znajduje się w centrum. Zwinięcia robocze otaczają ją, z ich najbardziej zewnętrznymi warstwami jako głównymi obwodami magnetycznymi. Zwinięcie sterujące owija materiał magnetyczny.

Zasada działania: Podczas normalnej pracy sieci (bez potrzeby tłumienia harmonicznych lub regulacji mocy reaktywnej), reaktor wykrywa napięcie, prąd i moc reaktywną. Te dane idą do systemu sterowania do oceny stanu sieci. W celu tłumienia harmonicznych lub regulacji mocy reaktywnej, system sterujący reguluje prąd w zwinięciach. Materiały magnetyczne zmieniają indukcyjność poprzez magnesowanie. Gdy parametry spełniają specyfikację projektową, prąd w zwinięciach jest ponownie regulowany, aby demagnesować materiały do zerowej pozostałości magnetycznej.

Zgodnie z obwodem projektowym, ignorując przecieki magnetyczne strony pierwotnej i wtórnej, otrzymujemy:

Gdzie: E₁ reprezentuje siłę elektromotoryczną indukowaną w W₁; E₂ reprezentuje siłę elektromotoryczną indukowaną w W₂; E₃ reprezentuje siłę elektromotoryczną indukowaną w W₃. Ponadto, używając obwodu T, aby równoważyć dwa-portową sieć sterowanego reaktora, możemy otrzymać:

Niech I_k = β I_g, a wartość indukcyjności portu roboczego wynosi:

Współczynnik sterowania reaktancją to α, a I_k = αI_g. Związek między reaktancją portu roboczego a α to:

Po połączeniu portu roboczego równolegle z siecią energetyczną i traktując U₁ jako stałą, można otrzymać następujący układ równań:

Gdzie: I_g i I_k oznaczają wartości skuteczne prądów w dwóch portach; U_k reprezentuje wartość skuteczną napięcia w porcie sterującym. Rozwiązując układ równań w Formule (5) można uzyskać wskaźniki wydajności operacyjnej sterowanego reaktora.

2.3 Projektowanie systemu sterowania

System sterowania składa się z obwodu głównego (regulujący pozostałość magnetyczną materiałów) i podsystemu detekcyjno-sterującego (monitorującego parametry elektryczne), działającego razem, aby osiągnąć cele zarządzania. Gdy praca sieci wymaga regulacji reaktancji, obwód główny zastosuje prądy do magnesowania/demagnesowania materiałów, podczas gdy podsystem monitoruje obciążenia, aby utrzymać parametry optymalne, zapewniając stabilność sieci. Zmiany reaktancji wynikają ze zmian stanu magnetycznego rdzenia. Sterowalna rektyfikacja umożliwia wyjście AC na poziomie milisekund, spełniając potrzeby szybkiego konwersji stanu magnetycznego. System wydaje polecenia dla reaktora, aby tłumił harmoniczne i regulował moc reaktywną, utrzymując stabilność sieci.

Proces pracy: 1) Wykrywanie stanu sieci, zbieranie parametrów i ocena stabilności. 2) Gdy wystąpią fluktuacje napięcia/harmoniczne, system sterujący reaktorem wydaje polecenia. 3) Obwód główny generuje regulowalną indukcyjność; materiały magnetyzują się, zmieniając pozostałość magnetyczną/stan rdzenia i tym samym indukcyjność reaktora. 4) Po dostosowaniu, odwracana indukcyjność demagnesuje materiały i resetuje reaktor. Symulacje Matlab potwierdziły dokładność systemu: 15 A prąd magnesyujący i 220 V napięcie demagnesyujące z stabilnymi kształtami fal, spełniając wymagania magnesyowania/demagnesyowania.

3 Eksperymentalna analiza efektu regulacji reaktancji

Aby zweryfikować wydajność regulacji reaktancji reaktora, zbudowano prototyp i wspierający go system sterowania zgodnie z projektami i symulacjami. Eksperymenty analizowały charakterystykę rozkładu indukcyjności i oceniali zmiany jakości energii w sieci.

3.1 Stabilność sterowanego reaktora

W eksperymencie zebrane dane służyły do sporządzenia krzywej charakterystyki volt-amperowej i krzywej prądu roboczego sterowanego reaktora. Wyniki pokazują, że: ① W miarę wzrostu wartości napięcia, prąd zwinięcia roboczego rośnie, a oba te parametry wykazują liniową zależność, co oznacza, że przy różnych napięciach magnesyujących, wartość indukcyjności pozostaje w stosunkowo stałym zakresie. ② Gdy napięcie magnesyujące wynosi 0–35 V, indukcyjność maleje z 0,74 H do 0,61 H, a wyjście indukcyjności jest stabilne, spełniając wymóg płynnej regulacji. Zmiana indukcyjności w zależności od napięcia magnesyującego jest przedstawiona w Tabeli 2.

W niniejszym badaniu zmiana wartości indukcyjności sterowanego reaktora jest osiągana poprzez magnesowanie i demagnesowanie materiałów magnetycznych, które z kolei zależy od prądu zmiennego i stałego wprowadzanego do zwinięcia sterującego. Ta operacja spowoduje także zakłócenia w zwinięciu roboczym. Dlatego niezbędna jest dalsza analiza jego przebiegu chwilowego. W tym celu użyto oscyloskopu wielodomenowego do zebrania kształtów fal prądów w materiałach magnetycznych podczas magnesowania i demagnesowania. Wyniki pokazują, że reaktor odpowiada szybko, a kształt fali prądu jest w stanie stabilnym po zakończeniu magnesowania.

3.2 Pomiarowe wyniki wartości indukcyjności

Podczas rzeczywistej pracy sterowanego reaktora, wartości indukcyjności otrzymane poprzez zastosowanie różnych napięć magnesyujących są przedstawione w Tabeli 3. Analiza pokazuje, że: ① Wartość indukcyjności reaktora zmienia się w przybliżeniu liniowo wraz z zmianą pozostałości magnetycznej materiału. Oznacza to, że nawet niewielka zmiana napięcia stałego może skutecznie dostosować wartość indukcyjności reaktora. ② Poprzez precyzyjne regulowanie stanu magnetycznego materiału, sterowany reaktor może elastycznie zmieniać swoją wartość indukcyjności, co pozwala na skuteczną kompensację mocy reaktywnej w linii energetycznej.

3.3 Zmiany jakości energii w sieci energetycznej

W systemie energetycznym, zarejestrowano zmiany prądu i napięcia na stronie wysokiego napięcia transformatora przed i po zastosowaniu sterowanego reaktora, oraz obserwowano charakterystyki harmoniczne. Wyniki są przedstawione w Tabeli 4. Analiza pokazuje, że: ① Przed zastosowaniem sterowanego reaktora, zmiany prądu i napięcia na stronie wysokiego napięcia były złożone, a ich kształty fal nie miały regularnych cech; po zastosowaniu sterowanego reaktora, kształty fal prądu i napięcia na stronie wysokiego napięcia zostały poprawione i miały wyraźne regularne cechy. ② Po zastosowaniu sterowanego reaktora, zawartość harmonicznych zmniejszyła się, moc czynna zwiększyła, a jakość energii znacząco poprawiła.

4 Wniosek

Podsumowując, reaktory odgrywają kluczową rolę w systemach energetycznych, stabilizując napięcie, tłumiąc harmoniczne, hamując drgania i zwiększając współczynnik mocy. Spośród istniejących typów, magnetycznie sterowane reaktory, oferujące ciągłą regulację reaktancji, dużą pojemność i niski koszt, są szeroko stosowane w systemach energetycznych. Aby rozwiązać problemy takie jak wolna odpowiedź i wysokie straty wibracyjne magnetycznie sterowanych reaktorów, niniejsze badanie zaprojektowało sterowany reaktor wykorzystujący nanokompozytowe materiały magnetyczne.

Wnioski eksperymentalne: ① Reaktor odpowiada szybko, z kształtami fal prądu w stanie stabilnym po magnesowaniu. ② Nawet małe zmiany napięcia stałego mogą skutecznie dostosować indukcyjność. Poprzez precyzyjne regulowanie stanu magnetycznego materiałów, reaktor elastycznie zmienia indukcyjność, aby kompensować moc reaktywną w liniach energetycznych. ③ Po zastosowaniu, kształty fal prądu i napięcia na stronie wysokiego napięcia oraz jakość energii znacząco się poprawiły, co sprawia, że jest on odpowiedni do promocji inteligentnej sieci. W przyszłości, dzięki nowym materiałom, technologiom i procesom, sterowane reaktory zostaną zoptymalizowane, aby lepiej spełniać potrzeby inteligentnej sieci i zapewniać stabilne działanie sieci.