Структурное проектирование и применение управляемых реакторов для умных сетей
Реакторы играют ключевую роль в компенсации реактивной мощности в энергетических системах, с магнитно-управляемыми реакторами как основным направлением исследований. Умная сеть, обновляющая традиционную сеть с помощью передовых технологий, повышает безопасность и надежность, увеличивая требования к управляемым реакторам. Таким образом, разработка новых типов реакторов имеет большое значение. В данной статье, объединяя практику, исследуется их структурное проектирование и применение для стимулирования инноваций и улучшения строительства умных сетей.
1 Функции и состояние применения управляемых реакторов
1.1 Функции
Для сетей управляемые реакторы снижают потери в сети, повышают коэффициент мощности выше 0,9, уменьшают колебания, расширяют пределы демпфирования, увеличивают пропускную способность и улучшают устойчивость напряжения. Для пользователей они: ① Стабилизируют напряжение, защищают оборудование, такое как трансформаторы, и продлевают срок службы. ② Устраняют гармоники, снижают потери и повышают безопасность. ③ Ограничивают мерцание напряжения, улучшая качество электроэнергии. ④ Снижают реактивные потери для потребителей с высокими нагрузками, уменьшая затраты на электроэнергию. ⑤ Позволяют расширить мощность с низкими затратами через динамическую компенсацию.
1.2 Состояние применения
Управляемые реакторы широко применяются в энергетических системах, таких как электрические компании, промышленные предприятия, новые источники генерации энергии и другие области. С ростом спроса на электроэнергию и модернизацией сетей передачи и распределения, спрос на управляемые реакторы также увеличивается.
Реакторы подразделяются на три типа: магнитно-управляемые, переключаемые и управляемые электронными ключами. Магнитно-управляемые реакторы обеспечивают непрерывную регулировку, имеют большую мощность и низкую стоимость, но медленный отклик, высокие потери и вибрации, а также гармоники. Переключаемые реакторы избегают вибраций и гармоник, но регулируются дискретно, что ограничивает их использование. Реакторы, управляемые электронными ключами, обеспечивают непрерывную регулировку с быстрым откликом, но страдают от гармоник и высокой стоимости. Магнитно-управляемые реакторы предпочитаются. Для соответствия умным сетям требуются улучшения материалов и конструкций, а также новые дизайны.
2 Структурное проектирование управляемых реакторов в умных сетях
Умная сеть, или Grid 2.0, базируется на двусторонних коммуникационных сетях. Она использует новое оборудование, технологии и методы для повышения безопасности, эффективности, экологичности и экономичности сетей, лучше удовлетворяя потребности пользователей в качестве электроэнергии. Управляемые реакторы являются ключевыми для строительства умных сетей. Ниже представлено их структурное проектирование на основе нанокомпозитных магнитных материалов.
2.1 Выбор магнитных материалов
Нанокомпозитные магнитные материалы состоят из нанокристаллических жестких и мягких магнитных фаз. Их зерна взаимодействуют, создавая связанный обменный эффект при токе. Микроскопически, на границах фаз, магнитные моменты переориентируют поля во время взаимодействия, увеличивая остаточную намагниченность. В управляемых реакторах: постоянный ток, подаваемый на обмотки, создает возбуждающее поле, намагничивая материал; переменный ток формирует ослабляющее поле, демагнитизируя его.
Материал, изготовленный методом быстрого охлаждения расплава, подвергается отпуску для корректировки микроструктуры. Это увеличивает размер зерен и уменьшает коэрцитивную силу, удовлетворяя требованиям регулировки.
2.2 Общее структурное проектирование
Структура управляемого реактора включает шпильки, сердечник, зажимы, рабочие обмотки, управляющие обмотки и нанокомпозитные магнитные материалы. Колонна возбуждения, изготовленная из магнитных материалов и листов электротехнической стали, находится в центре. Рабочие обмотки расположены по бокам, с их внешними слоями как основные магнитные цепи. Управляющая обмотка обвивает магнитные материалы.
Принцип: В нормальном режиме работы сети (без необходимости подавления гармоник или регулировки реактивной мощности) реактор измеряет напряжение, ток и реактивную мощность. Эти данные передаются в систему управления для оценки состояния сети. При необходимости подавления гармоник или регулировки реактивной мощности система управления изменяет ток в обмотках. Магнитные материалы изменяют реактивное сопротивление через намагничивание. Когда параметры соответствуют проектным характеристикам, ток в обмотках снова регулируется, чтобы демагнитизировать материалы до нулевой остаточной намагниченности.
Согласно схеме, игнорируя утечки потока на первичной и вторичной сторонах, мы получаем:
Где: E1 представляет собой индуцированное электродвижущее напряжение W1; E2 представляет собой индуцированное электродвижущее напряжение W2; E3 представляет собой индуцированное электродвижущее напряжение W3. Далее, используя T-образную схему для эквивалентного двухпортового устройства управляемого реактора, можно получить:
Пусть Ik = β Ig, и значение индуктивности рабочего порта составляет:
Коэффициент управления реактивностью равен α, и Ik = αIg. Связь между реактивностью рабочего порта и α следующая:
Подключая рабочий порт параллельно энергосистеме и рассматривая U1 как постоянную, можно получить следующую систему уравнений:
Где: Ig и Ik обозначают действующие значения токов на двух портах; Uk представляет собой действующее значение напряжения на управляющем порту. Решение системы уравнений в формуле (5) позволяет получить показатели эксплуатационных характеристик управляемого реактора.
2.3 Проектирование системы управления
Система управления состоит из главной цепи (регулирование остаточной намагниченности магнитного материала) и подсистемы контроля и управления (мониторинг электрических параметров), работающих вместе для достижения целей управления. Когда требуется регулировка реактивности, главная цепь подает токи для намагничивания/демагнитизации материалов, а подсистема контролирует нагрузки, чтобы поддерживать оптимальные параметры, обеспечивая стабильность сети. Изменения реактивности происходят за счет изменения магнитного состояния сердечника. Управляемое выпрямление позволяет достичь миллисекундного уровня выхода переменного тока, удовлетворяющего потребностям быстрого изменения магнитного состояния. Система выдает команды для реактора, чтобы подавлять гармоники и регулировать реактивную мощность, поддерживая стабильность сети.
Процесс работы: 1) Обнаружение состояния сети, сбор параметров и оценка стабильности. 2) При возникновении колебаний напряжения или гармоник, система управления реактором выдает команды. 3) Главная цепь выдает регулируемую индуктивность; материалы намагничиваются, изменяя остаточную намагниченность и состояние сердечника, а значит, и индуктивность реактора. 4) После регулировки, обратная регулировка индуктивности для демагнитизации материалов и сброса реактора. Симуляции в Matlab подтвердили точность системы: 15 А ток намагничивания и 220 В напряжение демагнитизации с устойчивыми формами сигналов, удовлетворяющими требованиям намагничивания и демагнитизации.
3 Экспериментальный анализ эффекта регулировки реактивности
Для проверки производительности регулировки реактивности реактора был построен прототип и поддерживающая система управления согласно проекту и симуляциям. Эксперименты анализировали характеристики распределения индуктивности и оценивали изменения качества электроэнергии в сети.
3.1 Стабильность управляемого реактора
В ходе эксперимента были собраны данные для построения вольт-амперной характеристики и кривой рабочего тока управляемого реактора. Результаты показывают, что: ① По мере увеличения значения напряжения, ток рабочей обмотки возрастает, и между ними существует линейная зависимость, что указывает на то, что при различных напряжениях намагничивания, значение индуктивности остается в относительно постоянном диапазоне. ② При напряжении намагничивания 0–35 В, индуктивность уменьшается с 0,74 Гн до 0,61 Гн, и выход индуктивности стабилен, что удовлетворяет требованию плавной регулировки. Изменение индуктивности в зависимости от напряжения намагничивания показано в таблице 2.
В данном исследовании изменение значения индуктивности управляемого реактора достигается через намагничивание и демагнитизацию магнитных материалов, которые, в свою очередь, зависят от переменного и постоянного тока, подаваемого на управляющую обмотку. Это также вызывает помехи в рабочей обмотке. Поэтому необходимо дальнейшее анализирование его рабочего переходного процесса. Для этого использовался смешанный осциллограф для сбора волновых форм тока магнитных материалов при намагничивании и демагнитизации. Результаты показывают, что реактор быстро реагирует, и волновая форма тока находится в стабильном состоянии после завершения намагничивания.
3.2 Измеренные результаты значения индуктивности
Во время фактической работы управляемого реактора, значения индуктивности, полученные при применении различных напряжений намагничивания, показаны в таблице 3. Анализ показывает, что: ① Значение индуктивности реактора меняется примерно линейно с изменением остаточной намагниченности магнитного материала. Это означает, что даже небольшие изменения постоянного напряжения могут эффективно регулировать значение индуктивности реактора. ② Точное регулирование магнитного состояния магнитного материала позволяет управляемому реактору гибко изменять свое значение индуктивности, тем самым эффективно компенсируя реактивную мощность в энергетической линии.
3.3 Изменения качества электроэнергии в энергосистеме
В энергетической системе были записаны изменения тока и напряжения на высоковольтной стороне трансформатора до и после использования управляемого реактора, и наблюдались характеристики гармоник. Результаты показаны в таблице 4. Анализ показывает, что: ① До использования управляемого реактора, изменения тока и напряжения на высоковольтной стороне были сложными, и их формы сигналов не имели регулярных особенностей; после использования управляемого реактора, формы сигналов тока и напряжения на высоковольтной стороне улучшились и приобрели явные регулярные особенности. ② После использования управляемого реактора, содержание гармоник снизилось, активная мощность увеличилась, и качество электроэнергии значительно улучшилось.
4 Заключение
В заключение, реакторы играют важную роль в энергетических системах, стабилизируя напряжение, подавляя гармоники, демпфируя колебания и повышая коэффициент мощности. Среди существующих типов, магнитно-управляемые реакторы, с непрерывной регулировкой реактивности, большой мощностью и низкой стоимостью, широко используются в энергетических системах. Для решения проблем, таких как медленный отклик и высокие потери при вибрации магнитно-управляемых реакторов, в этом исследовании разработан управляемый реактор, использующий нанокомпозитные магнитные материалы.
Экспериментальные выводы: ① Реактор быстро реагирует, с устойчивыми волновыми формами тока после намагничивания. ② Даже малые изменения постоянного напряжения могут эффективно регулировать индуктивность. Точное регулирование магнитного состояния материалов позволяет реактору гибко изменять индуктивность, компенсируя реактивную мощность в энергетической линии. ③ После применения, формы сигналов тока и напряжения на высоковольтной стороне и качество электроэнергии значительно улучшаются, что делает его подходящим для продвижения умных сетей. В будущем, с использованием новых материалов, технологий и процессов, управляемые реакторы будут оптимизированы для лучшего удовлетворения потребностей умных сетей и обеспечения стабильной работы сети.
