Projeto Estrutural e Aplicação de Reatores Controláveis para Redes Inteligentes

Os reatores são fundamentais para a compensação de potência reativa nos sistemas de energia, com os reatores controlados magneticamente sendo o foco da pesquisa. Uma rede inteligente, que atualiza a tradicional por meio de tecnologia avançada, aumenta a segurança e confiabilidade, elevando as demandas por reatores controláveis. Portanto, o desenvolvimento de novos tipos é importante. Este artigo, combinando a prática, explora seu design estrutural e aplicação para impulsionar inovação e melhorar a construção de redes inteligentes.

1 Funções e Situação de Aplicação dos Reatores Controláveis
1.1 Funções

Para as redes, os reatores controláveis reduzem perdas na rede, elevam o fator de potência acima de 0,9, diminuem oscilações, expandem limites de amortecimento, aumentam a capacidade de transmissão e melhoram a estabilidade de tensão. Para os usuários, eles: ① Estabilizam a tensão, protegem equipamentos como transformadores e prolongam a vida útil. ② Eliminam harmônicas, reduzem perdas e melhoram a segurança. ③ Reduzem o tremelique de tensão, melhorando a qualidade da energia. ④ Diminuem as perdas reativas para usuários de alta demanda, reduzindo custos de eletricidade. ⑤ Permitem a expansão de capacidade a baixo custo por meio de compensação dinâmica.

1.2 Situação de Aplicação

Reatores controláveis são amplamente aplicados em sistemas de energia, como em utilidades elétricas, utilidades industriais, geração de energia renovável e outros campos. Com o aumento da demanda por energia e a atualização das redes de transmissão e distribuição, a demanda de mercado por reatores controláveis também está em crescimento.

Os reatores se dividem em três tipos: controle magnético, lançamento de chave e controle por chaves eletrônicas. Os reatores de controle magnético oferecem ajuste contínuo, grande capacidade e baixo custo, mas têm resposta lenta, vibração de perda alta e harmônicas. Os de lançamento de chave evitam vibração/harmônicas, mas ajustam de forma descontínua, limitando o uso. Os de chaves eletrônicas permitem ajuste contínuo com rápida resposta, mas sofrem de harmônicas e alto custo. Os reatores de controle magnético são preferidos. Para se adequar às redes inteligentes, são necessárias atualizações de material/estrutura e novos designs.

2 Design Estrutural de Reatores Controláveis em Redes Inteligentes

A rede inteligente, ou Grid 2.0, baseia-se em redes de comunicação bidirecionais. Utiliza novo equipamento, tecnologia e métodos para aumentar a segurança, eficiência, amigabilidade ambiental e economia da rede, atendendo melhor às necessidades de qualidade de energia dos usuários. Os reatores controláveis são essenciais para a construção de redes inteligentes. Abaixo está seu design estrutural baseado em materiais magnéticos nanocompósitos.

2.1 Seleção de Materiais Magnéticos

Materiais magnéticos nanocompósitos consistem em fases duras e macias magnéticas nanocristalinas. Suas partículas interagem, gerando um efeito de troca acoplado sob corrente. Microscopicamente, nas interfaces de fase, momentos magnéticos reorientam campos durante a interação, aumentando a remanência. Nos reatores controláveis: a corrente contínua aplicada aos enrolamentos cria um campo de excitação, magnetizando o material; a corrente alternada forma um campo atenuante, desmagnetizando-o.

Preparado por resfriamento rápido de fusão, o material passa por revenimento para ajustar sua microestrutura. Isso aumenta os grãos e reduz a coercividade, atendendo às necessidades de ajuste.

2.2 Design Estrutural Geral

A estrutura do reator controlável compreende barras de ligação, núcleo de ferro, grampos, enrolamentos de trabalho, enrolamentos de controle e materiais magnéticos nanocompósitos. A coluna de excitação, feita de materiais magnéticos e chapas de silício, está no centro. Enrolamentos de trabalho flanqueiam-na, com suas camadas mais externas como circuitos magnéticos principais. O enrolamento de controle envolve os materiais magnéticos.

Princípio: Durante a operação normal da rede (sem supressão de harmônicas/regulação reativa necessária), o reator detecta tensão, corrente e potência reativa. Esses dados vão para o sistema de controle para avaliação do estado da rede. Para supressão de harmônicas ou regulação reativa, o sistema de controle ajusta a corrente do enrolamento. Materiais magnéticos alteram a reatância por magnetização. Uma vez que os parâmetros atendam às especificações de design, a corrente do enrolamento é ajustada novamente para desmagnetizar os materiais de volta a zero remanência.

De acordo com o circuito de design, ignorando fluxos de fuga primário e secundário, obtemos:

Onde: E₁ representa a força eletromotriz induzida de W₁; E₂ representa a força eletromotriz induzida de W₂; E₃ representa a força eletromotriz induzida de W₃. Além disso, usando um circuito T para equilibrar a rede de dois portos do reator controlável, podemos obter:

Seja I_k = β I_g, e o valor de indutância da porta de trabalho é:

O coeficiente de controle de reatância é α, e I_k = αI_g. A relação entre a reatância da porta de trabalho e α é:

Ao conectar a porta de trabalho em paralelo com a rede elétrica e tratar U₁ como constante, o seguinte sistema de equações pode ser obtido:

Onde: I_g e I_k denotam os valores efetivos das correntes nas duas portas; U_k representa o valor efetivo da tensão na porta de controle. Resolvendo o sistema de equações na Fórmula (5) permite obter os indicadores de desempenho operacional do reator controlável.

2.3 Design do Sistema de Controle

O sistema de controle compreende um circuito principal (ajustando a remanência do material magnético) e um subsistema de detecção-controle (monitorando parâmetros elétricos), trabalhando juntos para alcançar metas de gerenciamento. Quando a operação da rede requer ajuste de reatância, o circuito principal aplica correntes para magnetizar/desmagnetizar materiais, enquanto o subsistema monitora cargas para manter parâmetros ótimos, garantindo a estabilidade da rede. As mudanças de reatância resultam de mudanças no estado magnético do núcleo. A retificação controlável permite saída de CA em milissegundos, atendendo às necessidades de conversão rápida do estado magnético. O sistema emite comandos para o reator suprimir harmônicas e regular a potência reativa, mantendo a estabilidade da rede.

Processo de operação: 1) Detectar o estado da rede, coletar parâmetros e avaliar a estabilidade. 2) Quando ocorrem flutuações de tensão/harmônicas, o sistema de controle do reator emite comandos. 3) O circuito principal fornece indutância ajustável; os materiais magnetizam, alterando a remanência/estado do núcleo e, assim, a indutância do reator. 4) Após o ajuste, a indutância é readjustada para desmagnetizar os materiais e redefinir o reator. Simulações no Matlab verificaram a precisão do sistema: 15 A de corrente de magnetização e 220 V de tensão de desmagnetização com formas de onda estáveis, atendendo aos requisitos de magnetização/desmagnetização.

3 Análise Experimental do Efeito de Ajuste de Reatância

Para verificar o desempenho de ajuste de reatância do reator, foi construído um protótipo e um sistema de controle de suporte conforme o design e simulações. Experimentos analisaram as características de distribuição de indutância e avaliaram as mudanças na qualidade de energia da rede.

3.1 Estabilidade do Reator Controlável

No experimento, foram coletados dados para traçar a curva característica de voltagem-corrente e a curva de corrente de operação do reator controlável. Os resultados mostram que: ① À medida que o valor de tensão aumenta, a corrente do enrolamento de trabalho aumenta, e os dois mostram uma relação linear, indicando que, sob diferentes tensões de magnetização, o valor de indutância permanece em um intervalo relativamente constante. ② Quando a tensão de magnetização é de 0-35 V, a indutância diminui de 0,74 H para 0,61 H, e a saída de indutância é estável, atendendo ao requisito de ajuste suave. A mudança de indutância com a tensão de magnetização é mostrada na Tabela 2.

Neste estudo, a mudança no valor de indutância do reator controlável é alcançada através da magnetização e desmagnetização de materiais magnéticos, o que, por sua vez, depende da corrente alternada e contínua passada no enrolamento de controle. Esta operação também trará perturbações no enrolamento de trabalho. Portanto, é necessário analisar ainda mais seu processo transitório de trabalho. Para isso, foi usado um osciloscópio de domínio misto para coletar as formas de onda de corrente dos materiais magnéticos durante a magnetização e desmagnetização. Os resultados mostram que o reator responde rapidamente, e a forma de onda de corrente está em um estado estável após a conclusão da magnetização.

3.2 Resultados Medidos do Valor de Indutância

Durante a operação real do reator controlável, os valores de indutância obtidos pela aplicação de diferentes tensões de magnetização são mostrados na Tabela 3. A análise revela que: ① O valor de indutância do reator muda aproximadamente de forma linear com a variação da remanência do material magnético. Isso significa que mesmo uma pequena mudança na tensão DC pode ajustar efetivamente o valor de indutância do reator. ② Ao regular com precisão o estado magnético do material magnético, o reator controlável pode flexivelmente mudar seu valor de indutância, alcançando assim uma compensação efetiva da potência reativa na linha de energia.

3.3 Mudanças na Qualidade de Energia da Rede Elétrica

No sistema de energia, foram registradas as mudanças de corrente e tensão no lado de alta tensão do transformador antes e depois do uso do reator controlável, e foram observadas as características harmônicas. Os resultados são mostrados na Tabela 4. A análise mostra que: ① Antes do uso do reator controlável, as mudanças de corrente e tensão no lado de alta tensão eram complexas, e suas formas de onda não tinham características regulares; após o uso do reator controlável, as formas de onda de corrente e tensão no lado de alta tensão foram melhoradas e apresentaram características regulares. ② Após o uso do reator controlável, o conteúdo harmônico diminuiu, a potência ativa aumentou, e a qualidade de energia foi significativamente melhorada.

4 Conclusão

Em conclusão, os reatores desempenham um papel crucial nos sistemas de energia, estabilizando a tensão, suprimindo harmônicas, amortecendo oscilações e aumentando o fator de potência. Entre os tipos existentes, os reatores controlados magneticamente, com ajuste contínuo de reatância, grande capacidade e baixo custo, são amplamente utilizados nos sistemas de energia. Para abordar questões como resposta lenta e alta vibração de perda de reatores controlados magneticamente, este estudo projeta um reator controlável usando materiais magnéticos nanocompósitos.

Conclusões experimentais: ① O reator responde rapidamente, com formas de onda de corrente estáveis após a magnetização. ② Mesmo pequenas mudanças na tensão DC podem ajustar efetivamente a indutância. Ao regular com precisão o estado magnético dos materiais, o reator muda flexivelmente a indutância para compensar a potência reativa nas linhas de energia. ③ Após a aplicação, as formas de onda de corrente e tensão no lado de alta tensão e a qualidade de energia melhoram significativamente, sendo adequadas para a promoção de redes inteligentes. No futuro, com novos materiais, tecnologias e processos, os reatores controláveis serão otimizados para melhor atender às necessidades de redes inteligentes e garantir a operação estável da rede.