Strukturalni dizajn in uporaba nadzornih reaktorjev za pametne omrežja

Reaktorji so ključni za kompenzacijo reaktivne moči v električnih sistemih, z magnetno nadziranimi reaktorji kot fokusom raziskav. Pametna mreža, ki posodablja tradicionalno mrežo z naprednimi tehnologijami, poveča varnost in zanesljivost, kar povzroča večjo povpraševanje po nadziranih reaktorjih. Torej je razvoj novih tipov pomemben. Ta članek, kombiniran s prakso, raziskuje njihovo strukturno oblikovanje in uporabo za spodbujanje inovacij in izboljšanje gradnje pametnih mrež.

1 Funkcije in stanje uporabe nadziranih reaktorjev
1.1 Funkcije

Za mreže nadzirani reaktorji zmanjšajo omrežne izgube, povečajo faktor moči nad 0,9, zmanjšajo oscilacije, širijo mejne vrednosti dušenja, povečajo prenosno zmogljivost in izboljšajo stabilnost napetosti. Za uporabnike pa: ① Stabilizirajo napetost, zaščitijo opremo, kot so transformatorji, in podaljšajo življenjsko dobo. ② Odstranijo harmonike, zmanjšajo izgube in izboljšajo varnost. ③ Omejujejo trepetanje napetosti, kar izboljša kakovost energije. ④ Zmanjšajo reaktivne izgube za uporabnike z visokim povpraševanjem, kar zmanjša stroške energije. ⑤ Omogočajo razširitev kapacitete z nizkimi stroški preko dinamične kompenzacije.

1.2 Stanje uporabe

Nadzirani reaktorji so široko uporabljeni v električnih sistemih, kot so električne utility, industrijske utility, proizvodnja novega energenta in druga področja. S povečanjem povpraševanja po energiji in nadgradnjo mrež za prenos in distribucijo se tudi tržno povpraševanje po nadziranih reaktorjih povečuje.

Reaktorji so razdeljeni na tri vrste: magnetno nadzirane, z metanjem preklopnikov in z elektronskim nadziranjem preklopnikov. Magnetno nadzirani reaktorji ponujajo zvezno nastavljivo, veliko kapaciteto in nizke stroške, vendar imajo počasno odziv, visoke izgube zaradi vibracij in harmonike. Reaktorji z metanjem preklopnikov izogibajo vibracijam/harmonikam, vendar nastavljajo nezvezno, kar omejuje uporabo. Tipi z elektronskim nadziranjem preklopnikov omogočajo zvezno nastavljivost z hitrim odzivom, vendar trpijo zaradi harmonik in visokih stroškov. Prednost so dali magnetno nadziranim reaktorjem. Za prilagoditev pametnim mrežam so potrebne nadgradnje materialov in struktur ter nova oblikovanja.

2 Strukturno oblikovanje nadziranih reaktorjev v pametnih mrežah

Pametna mreža ali Mreža 2.0 temelji na dvosmerih komunikacijskih omrežjih. Uporablja novo opremo, tehnologije in metode za povečanje varnosti, učinkovitosti, okoljske prijaznosti in ekonomičnosti mreže, bolje zadovoljuje potrebe uporabnikov po kakovosti energije. Nadzirani reaktorji so ključni za gradnjo pametnih mrež. Spodaj je njihovo strukturno oblikovanje, temelječe na nanokompozitnih magnetnih materialih.

2.1 Izbor magnetnih materialov

Nanokompozitni magnetni materiali so sestavljeni iz nanokristalnih tvrdih in mehkih magnetnih faz. Njihovi zrnca medsebojno delujejo, generirajo skupni menjaveffekt pod trenutkom. Mikroskopsko, na mejah faz, se magnetni momenti ponastavljajo med delovanjem, kar poveča ostankovost. V nadziranih reaktorjih: DC, ki se uporablja na navojih, ustvari vzbuževalno polje, magnetizira material; AC ustvari utihačevalno polje, demagnetizira ga.

Pripravljeni z hitrim ohlajanjem talice, material podlega temperiranju za prilagoditev mikrostrukture. To poveča zrna in zmanjša koercitivnost, kar odgovarja potrebam za prilagoditev.

2.2 Skupno strukturno oblikovanje

Struktura nadziranega reaktorja vključuje vezne palice, železno jedro, klešči, delovne navije, nadzorne navije in nanokompozitne magnetne material. Vzbuževalna stolpa, sestavljena iz magnetnih materialov in silikatnih listov, se nahaja v sredini. Delovni navije so ob njem, z njihovimi najbolj zunanjimi sloji kot glavnimi magnetnimi krkli. Nadzorni navij obtežuje magnetne material.

Načelo: Med normalno delovanjem mreže (brez potrebe za zadrževanjem harmonik ali reaktivno regulacijo), reaktor meri napetost, tok in reaktivno moč. Ti podatki grejo v nadzorno sistem za oceno stanja mreže. Za zadrževanje harmonik ali reaktivno regulacijo nadzorni sistem prilagodi tok v naviju. Magnetni material spreminja reaktivnost preko magnetizacije. Ko parametri ustrezajo projektiranim specifikacijam, se tok v naviju prilagodi ponovno, da demagnetizira material nazaj na ničelno ostankovost.

Po projektiranem krogu, brez odsotnosti izteka magnetskog toka na primarni in sekundarni strani, dobimo:

Kjer: E₁ predstavlja inducirano elektromotorno silo W₁; E₂ predstavlja inducirano elektromotorno silo W₂; E₃ predstavlja inducirano elektromotorno silo W₃. Nadalje, z uporabo T - oblikega kroga za enačbo dvoportnega omrežja nadziranega reaktorja, lahko dobimo:

Naj bo I_k = β I_g, in vrednost indukcije delovnega porta je:

Koeficient nadzora reaktivnosti je α, in I_k = αI_g. Odnos med reaktivnostjo delovnega porta in α je:

S povezavo delovnega porta vzporedno z električno mrežo in obravnavo U₁ kot konstante, lahko dobimo naslednjo sistem enačb:

Kjer: I_g in I_k označujeta učinkovite vrednosti tokov na dveh portih; U_k predstavlja učinkovito vrednost napetosti na nadzornem portu. Reševanje sistema enačb v Enačbi (5) nam omogoča, da dobimo operativne kazalnike delovanja nadziranega reaktorja.

2.3 Oblikovanje nadzornega sistema

Nadzorni sistem sestavlja glavni krog (prilagaja ostankovost magnetnega materiala) in podsistemu za merjenje in nadzor (nadzira električne parametre), ki skupaj dosežeta cilje upravljanja. Ko mreža zahteva prilagoditev reaktivnosti, glavni krog uporablja tokove za magnetiziranje/demagnetiziranje materialov, medtem ko podsistem nadzira opterečenost, da ohranja optimalne parametre, zagotavlja stabilnost mreže. Spremembe reaktivnosti izvirajo iz sprememb magnete stanja jedra. Nadzirana rektifikacija omogoča milisekundske izhode AC, kar odgovarja potrebam za hitro pretvarjanje magnete stanja. Sistem izdaja ukaze, da reaktor zadrži harmonike in regulira reaktivno moč, ohranja stabilnost mreže.

Postopek delovanja: 1) Meri stanje mreže, zbiranje parametrov in ocenjevanje stabilnosti. 2) Ko pride do nihanja napetosti/harmonik, nadzorni sistem reaktorja izda ukaze. 3) Glavni krog izdaja nastavljive indukcije; materiali se magnetizirajo, spremeni ostankovost/stanje jedra in tako indukcijo reaktorja. 4) Po prilagoditvi se obratno prilagodi indukcija, da demagnetizira material in resetira reaktor. Simulacije v Matlabu so preverile natančnost sistema: 15 A magnetizacijski tok in 220 V demagnetizacijska napetost z stabilnimi valovimi oblikami, ki odgovarjajo zahtevam za magnetizacijo in demagnetizacijo.

3 Eksperimentalna analiza učinka prilagoditve reaktivnosti

Za preverjanje zmogljivosti prilagoditve reaktivnosti reaktorja je bila zgrajena prototipna in podporne nadzorne sisteme glede na oblikovanje in simulacije. Eksperimenti so analizirali lastnosti porazdelitve indukcije in ocenili spremembe kakovosti energije v mreži.

3.1 Stabilnost nadziranega reaktorja

V eksperimentu so bili zbrani podatki za izris karakteristične krivulje volt-ampere in delovnega tokovnega krivulje nadziranega reaktorja. Rezultati kažejo, da: ① Ko se vrednost napetosti poveča, se tok delovnega navija poveča, in ta dva kažeta linearno relacijo, kar pomeni, da pri različnih magnetizacijskih napetostih vrednost indukcije ostane v relativno konstantnem območju. ② Ko je magnetizacijska napetost 0–35 V, se indukcija zmanjša od 0,74 H do 0,61 H, in izhod indukcije je stabilen, kar ustreza zahtevi za gladko prilagoditev. Sprememba indukcije z magnetizacijsko napetostjo je prikazana v Tabeli 2.

V tej studiji je sprememba vrednosti indukcije nadziranega reaktorja dosežena s magnetizacijo in demagnetizacijo magnetnih materialov, kar je odvisno od premenljivega toka in stalnega toka, ki se vnese v nadzorni navij. Ta operacija bo prinesla motnje tudi v delovnem naviju. Zato je potrebno nadaljnje analizirati njegov delovni prehodni proces. Za to namen je bil uporabljen mešani domenski osciloskop za zbiranje tokovnih valovnih oblik magnetnih materialov med magnetizacijo in demagnetizacijo. Rezultati kažejo, da reaktor hitro odgovori in tokovni valovni obraz je v stabilnem stanju po zaključku magnetizacije.

3.2 Merjeni rezultati vrednosti indukcije

Med dejanskim delovanjem nadziranega reaktorja so vrednosti indukcije, pridobljene z uporabo različnih magnetizacijskih napetosti, prikazane v Tabeli 3. Analiza razkriva, da: ① Vrednost indukcije reaktorja se približno linearno spreminja s spremembo ostankovosti magnetnega materiala. To pomeni, da celo majhna sprememba DC napetosti lahko učinkovito prilagodi vrednost indukcije reaktorja. ② S točno regulacijo magnete stanja magnetnega materiala, nadzirani reaktor lahko gibko spreminja svojo vrednost indukcije, s tem doseže učinkovito kompenzacijo reaktivne moči v električni liniji.

3.3 Spremembe kakovosti energije v električni mreži

V električnem sistemu so bile zabeležene spremembe toka in napetosti na visokonapetostni strani transformatorja pred in po uporabi nadziranega reaktorja, ter so bile opazovane harmonične značilnosti. Rezultati so prikazani v Tabeli 4. Analiza kaže, da: ① Pred uporabo nadziranega reaktorja so bile spremembe toka in napetosti na visokonapetostni strani kompleksne, njihove valovne oblike pa niso imele regularnih značilnosti; po uporabi nadziranega reaktorja so bile valovne oblike toka in napetosti na visokonapetostni strani izboljšane in imeli očitne regularne značilnosti. ② Po uporabi nadziranega reaktorja se je zmanjšala harmonična vsebnost, povečala aktivna moč in kakovost energije se je znatno izboljšala.

4 Zaključek

V zaključku igrajo reaktorji ključno vlogo v električnih sistemih, stabilizirajo napetost, zadržujejo harmonike, dušijo nihanja in povečujejo faktor moči. Med obstoječimi vrstami so magnetno nadzirani reaktorji, z zvezno prilagodljivostjo reaktivnosti, veliko kapaciteto in nizkimi stroški, široko uporabljeni v električnih sistemih. Za reševanje problemov, kot so počasni odziv in visoka izguba zaradi vibracij magnetno nadziranih reaktorjev, ta raziskava oblikuje nadzirani reaktor z uporabo nanokompozitnih magnetnih materialov.

Eksperimentalni zaključki: ① Reaktor hitro odgovori, s stabilnimi tokovnimi valovnimi oblikami po zaključku magnetizacije. ② Celo majhne spremembe DC napetosti lahko učinkovito prilagodi indukcijo. S točno regulacijo magnete stanja materialov, reaktor gibko spreminja indukcijo, da kompenzira reaktivno moč v električnih linijah. ③ Po uporabi se valovne oblike toka in napetosti na visokonapetostni strani ter kakovost energije bistveno izboljšajo, primerne za promocijo pametnih mrež. V prihodnosti, z novimi materiali, tehnologijami in postopki, bodo nadzirani reaktorji optimizirani, da bolje zadovoljujejo potrebe pametnih mrež in zagotavljajo stabilno delovanje mreže.